CN115995747A - 基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置及方法，包括：第一反射镜、第二反射镜、平衡光学互相关器、第一透镜、第一真空腔室、空芯反谐振光纤、第二真空腔室、第二透镜、第三反射镜、第四反射镜、光学延迟线和控制单元；飞秒激光脉冲的时间漂移由平衡光学互相关器测量；当平衡互相关信号不为零时，两激光脉冲间存在时间漂移，漂移量由平衡互相关信号强度表示，漂移方向由互相关信号正负表示。将互相关信号传送至控制单元处理并生成控制信号，控制光学延迟线，将平衡光学互相关信号锁定为零，即通过闭环反馈控制实现两飞秒激光脉冲长时间的同步。本发明实现两束飞秒激光长时间同步，可用于超短脉冲激光同步控制、超快泵浦‑探测实验研究等领域。

Description

基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置及方法，可用于超短脉冲激光同步控制、超快泵浦-探测实验研究等领域，属于激光物理与技术领域。

背景技术

随着信息时代的发展，光纤凭借着传输速度快、传输损耗低、通信容量大、原材料便宜易获得等优点，在现代信息通信领域拥有举足轻重的地位。空间中激光的传输受限于光学元件所处位置，在一些要求激光位置灵活的场景利用光纤传输激光是有效的措施。对于传统的实芯光纤，激光的波长及传输带宽受到材料的限制，而且传输的损耗和非线性较大，这极大地限制了激光的传输距离，同时实芯光纤传输高功率激光时出现的热效应也会损坏光纤。伴随着微小尺度光纤结构设计能力与现代制备与加工技术的提升，各种微结构光纤被设计出来。空芯反谐振光纤的出现有效解决了实芯光纤的不足，其与实芯光纤相比具有小的非线性、低色散、低损耗、宽带传输窗口以及接近空气的传输速度等优点，在高功率传能方面具有无与伦比的优势。

自啁啾脉冲放大技术(chirped-pulse amplification,CPA)和光参量啁啾脉冲放大技术(optical parametric chirped-pulse amplification,OPCPA)发明以来，激光器的峰值功率达到了10PW，正在向百PW峰值功率迈进。超强的峰值功率提供了极端的物理条件，令激光与物质的相互作用进入了新的阶段，促进了强场物理、原子和分子科学、化学及生物等领域的发展和进步。然而，长距离激光传输中环境气流、机械振动、温度等因素会影响激光脉冲之间的相对时间延迟，导致激光脉冲之间产生剧烈的时间漂移，激光脉冲之间的时间漂移限制了类似超快泵浦-探测要求高精度时间同步等实验的执行。因此，设计一个高精度时间同步系统以同步不同飞秒激光是必需的。2014年，张志钧等人提出了超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法(授权号为CN103887693B)，运用频谱干涉方法在飞秒精度内控制测量并监控同源两束飞秒脉冲间的延时。频谱干涉方法需要较宽的激光频谱，对于窄带激光无法实施，并且更易受到激光脉冲能量变化，指向性抖动，频谱变化等参数的影响。2015年，崔勇等人提出了一种超短脉冲时间同步的测量装置及测量方法(授权号为CN105157857B)，基于光学互相关的方法实现了两束超短脉冲高精度时间同步。但是该方法中激光脉冲不仅易受空间环境的影响，降低了时间同步精度，而且因为激光脉冲在自由空间中传输，不适合在长距离复杂环境的大型激光装置中进行同步测量。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置及方法，通过使用空芯反谐振光纤传输飞秒激光，一方面能够在复杂情况下传输飞秒激光，而且能够排除外界环境对飞秒激光的影响，提高了同步精度。另一方面，空芯反谐振光纤具备传输高能量飞秒激光、无色散等特征，大大的提高了飞秒激光的传输能量和同步装置的集成度。

本发明的目的在于提供一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置及方法。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，该同步装置包括有第一反射镜、第二反射镜、平衡光学互相关器、第一透镜、第一真空腔室、空芯反谐振光纤、第二真空腔室、第二透镜、第三反射镜、第四反射镜、光学延迟线和控制单元；

两束飞秒激光平行入射，第一束飞秒激光依次经过光学延迟线、第一反射镜、第二反射镜到达平衡光学互相关器。第二束飞秒激光依次经过第一透镜、第一真空腔室、空芯反谐振光纤、第二真空腔室、第二透镜、第三反射镜和第四反射镜入射至所述的平衡光学互相关器；

所述的光学延迟线由放置在精密平移台上的两个互相垂直的反射镜组成，所述的精密平移台由平移台控制器控制沿着入射飞秒激光方向前后移动，通过调整入射飞秒激光的光程控制延时；

所述的平衡光学互相关器包括有分束片、第五反射镜、透明材料、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第一小孔光阑、第二小孔光阑和平衡光电探测器；所述的两束飞秒激光经过分束片，反射的飞秒激光依次经过第五反射镜和第一非线性晶体后，生成两束飞秒激光的倍频光及和频光；所述的第一小孔光阑仅允许所述的两束飞秒激光的和频光通过，并由所述的平衡光电探测器接收；所述的两束飞秒激光经分束片透射后依次经过所述的第二非线性晶体、第二小孔光阑入射至平衡光电探测器，在其中一束飞秒激光的光路中插入透明材料以提供延时参考，其中所述的两束飞秒激光经过第二非线性晶体后产生各自的倍频光及和频光，所述的第二小孔光阑仅允许和频光通过；然后，所述的平衡光学互相关器根据两个和频光的强弱形成电压信号以便判断两束飞秒激光的时间漂移情况；

所述的控制单元处理平衡光学互相关器的电压信号形成控制信号，控制信号传输至精密平移台控制所述的光学延迟线的移动，校正两束飞秒激光之间的时间漂移；

所述的非线性晶体包括但不限于偏磷酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)、氘化磷酸二氢钾(DKDP)；

所述的透明材料包括但不限于氟化钙或玻璃，所述的控制单元包括有数据采集卡和反馈控制程序。

一种利用上述同步装置实现两束飞秒激光同步的方法，该方法可分为以下五个步骤：

步骤1：按照同步装置的示意图完成光路的搭建(见图1)；

步骤2：令第一束飞秒激光依次经过光学延迟线、第一反射镜、第二反射镜进入平衡光学互相关器。第二束飞秒激光经过第一透镜聚焦后耦合进空芯反谐振光纤，空芯反谐振光纤一端置于第一真空室中，另一端置于第二真空腔室，然后通过第二透镜准直，经过第三反射镜和第四反射镜入射至平衡光学互相关器中，第一真空腔室和第二真空腔室作用是将空芯反谐振光纤内部抽至真空状态；

步骤3：进入平衡光学互相关器的两束飞秒激光经过分束片后反射部分经第五反射镜以非共线的形式穿过第一非线性晶体，两束飞秒激光通过第一非线性晶体后生成各自的倍频光及和频光，经第一小孔光阑滤除两束飞秒激光的基频光和倍频光后，和频光入射至平衡光电探测器。两束飞秒激光的透射部分同样以非共线的形式穿过第二非线性晶体生成各自的倍频光及和频光，其中一束飞秒激光的光路中放入透明材料，该透明材料引入固定的延时作为时间漂移参考，然后经第二小孔光阑滤除两束飞秒激光的基频光和倍频光后，和频光入射至平衡光电探测器。两束飞秒激光采用非共线的形式更容易达到相位匹配，同时能够在空间中分离两束飞秒激光的倍频光及和频光；

步骤4：平衡光学探测器通过将两束和频光的强度转换为电压信号并相减，若平衡光学探测器输出的电压信号为零，说明两束飞秒激光之间时间漂移为零。当两束飞秒激光之间存在时间漂移时，平衡光学探测器输出电压不为零。将平衡光学探测器输出的电压信号传送至控制单元处理并生成控制信号，精密平移台根据控制信号沿着飞秒激光传输的方向前进或后退，置于精密平移台上的光学延迟线增加或减少飞秒激光的光程维持平衡光学探测器输出零状态，即通过闭环反馈控制实现了两束飞秒激光的同步；

步骤5：控制单元未打开时，记录平衡光学探测器输出电压信号的变化。当打开自制的控制单元，再次记录平衡光学探测器输出电压信号的变化，判断两束飞秒激光的时间同步精度。

与在先技术相比，本发明具有以下显著优点：

1.本发明通过采用空芯反谐振光纤传输高能量飞秒激光，不仅消除了自由空间中气流、机械振动、温度等因素带来的时间漂移，提高了同步测量和校正精度，而且能够灵活传输飞秒激光，摆脱了自由空间中传输飞秒激光时反射镜、透镜等元件位置的限制。

2.本发明通过在空芯反谐振光纤两端加入真空腔室，可以保证空芯反谐振内部处于真空状态，无需额外的色散补偿装置即可避免材料色散对飞秒激光的影响，大大的提高了传输能量和同步装置的集成度。

3.本发明具备长时间的飞秒激光之间时间漂移测量和校正能力，对于长距离传输的激光装置实时同步具有重要意义。

4.本发明实现了高功率飞秒激光便捷的传输而且排除了外界环境带来的时间漂移，具有非常重要的实用价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置的示意图。

图2是平衡光学互相关器示意图。

图3是90min内开环状态下两束飞秒激光时间漂移示意图。

图4是90min内闭环状态下两束飞秒激光时间漂移校正示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，该同步装置包括有光学延迟线101、第一反射镜102、第二反射镜103、平衡光学互相关器104、控制单元105、第一透镜106、第一真空腔室107、空芯反谐振光纤108、第二真空腔室109、第二透镜110、第三反射镜111和第四反射镜112。

两束飞秒激光平行入射，第一束飞秒激光依次经过光学延迟线101、第一反射镜102、第二反射镜103到达平衡光学互相关器104。第二束飞秒激光依次经过第一透镜106、第一真空腔室107、空芯反谐振光纤108、第二真空腔室109、第二透镜110、第三反射镜111和第四反射镜112入射至平衡光学互相关器104中，通过平衡光学互相关器104测量两束飞秒激光之间的时间漂移，控制单元105控制光学延迟线101实时校正两束飞秒激光的时间漂移。

上述的光学延迟线101由两个互相垂直放置的反射镜组成并置于精密平移台上，入射飞秒激光经过所述的光学延迟线101后平行于入射飞秒激光的方向出射，精密平移台由平移台控制器控制可以沿着入射飞秒激光方向前后移动，通过调整入射飞秒激光的光程调节两束飞秒激光的时间延迟，达到校正两束飞秒激光时间漂移的目的。

请参考图2，上述的平衡光学互相关器104包括有分束片201、第五反射镜202、第一非线性晶体203、第一小孔光阑204、平衡光电探测器205、透明材料206、第二非线性晶体207和第一小孔光阑208；所述的两束飞秒激光经过分束片201，反射的飞秒激光经过第五反射镜202以非共线的形式入射至第一非线性晶体203，两束飞秒激光经过第一非线性晶体203后产生各自的倍频光以及和频光，通过第一小孔光阑204滤除两束飞秒激光的倍频光仅允许和频光通过并入射至平衡光电探测器205。

上述的两束飞秒激光经分束片201透射后同样以非共线的形式入射至第二非线性晶体207产生倍频光及和频光，第二小孔光阑208滤除倍频光允许和频光通过并入射至平衡光电探测器205，在其中一束飞秒激光的光路中插入透明材料206以提供延时参考，然后，所述的平衡光学互相关器205通过将两个和频光强度做差并转换为电压信号即为互相关信号，通过互相关信号可测量两束飞秒激光的时间漂移。互相关信号通过电学的方式传送至控制单元105生成控制信号，该控制信号可以控制光学延迟线101的移动实时校正两束飞秒激光的时间漂移，达到同步两束飞秒激光的目的。

下面利用上述同步装置进一步阐述实现两束飞秒激光时间同步的方法。

步骤1：按照同步装置的示意图完成光路的搭建(见图1)。

步骤2：令第一束飞秒激光依次经过光学延迟线、第一反射镜、第二反射镜进入平衡光学互相关器。第二束飞秒激光经过第一透镜聚焦后耦合进空芯反谐振光纤，空芯反谐振光纤一端置于第一真空室中，另一端置于第二真空腔室，然后通过第二透镜准直，经过第三反射镜和第四反射镜入射至平衡光学互相关器中，第一真空腔室和第二真空腔室作用是将空芯反谐振光纤内部抽至真空状态。

步骤3：进入平衡光学互相关器的两束飞秒激光经过分束片后反射部分经第五反射镜以非共线的形式穿过第一非线性晶体，两束飞秒激光通过第一非线性晶体后生成各自的倍频光及和频光，经第一小孔光阑滤除两束飞秒激光的基频光和倍频光后，和频光入射至平衡光电探测器。两束飞秒激光的透射部分同样以非共线的形式穿过第二非线性晶体生成各自的倍频光及和频光，其中一束飞秒激光的光路中放入透明材料，该透明材料引入固定的延时作为时间漂移参考，然后经第二小孔光阑滤除两束飞秒激光的基频光和倍频光后，和频光入射至平衡光电探测器。两束飞秒激光采用非共线的形式更容易达到相位匹配，同时能够在空间中分离两束飞秒激光的倍频光及和频光；

步骤4：平衡光学探测器通过将两束和频光的强度转换为电压信号并相减，若平衡光学探测器输出的电压信号为零，说明两束飞秒激光之间时间漂移为零。当两束飞秒激光之间存在时间漂移时，平衡光学探测器输出电压不为零。将平衡光学探测器输出的电压信号传送至控制单元处理并生成控制信号，精密平移台根据控制信号沿着飞秒激光传输的方向前进或后退，置于精密平移台上的光学延迟线增加或减少飞秒激光的光程维持平衡光学探测器输出零状态，即通过闭环反馈控制实现了两束飞秒激光的同步。

步骤5：控制单元未打开时，记录平衡光学探测器输出电压信号的变化，如图3所示，两束飞秒激光时间漂移在90min内不规则剧烈变化，均方根误差(RMS)为5.23fs。当打开自制的控制单元，再次记录平衡光学探测器输出电压信号的变化，判断两束飞秒激光的时间同步精度，如图4所示，两束飞秒激光时间漂移在90min内均方根误差(RMS)降低至2.51fs。该结果表明了本发明的同步装置和方法很好的实现了同步两束飞秒激光的目的，通过使用空芯反谐振光纤消除了外界环境带来的抖动提高了同步精度，在传输高能飞秒激光、超短脉冲激光同步控制、超快泵浦-探测实验等研究领域具有重要意义。

Claims (9)

1.一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，包括第一反射镜、第二反射镜、平衡光学互相关器、第一透镜、第一真空腔室、空芯反谐振光纤、第二真空腔室、第二透镜、第三反射镜、第四反射镜、光学延迟线和控制单元；所述空芯反谐振光纤的一端置于所述第一真空室中，另一端置于所述第二真空腔室，所述第一真空腔室和第二真空腔室用于将所述空芯反谐振光纤内部抽至真空状态；

两束飞秒激光平行入射，第一束飞秒激光依次经过所述光学延迟线、第一反射镜和第二反射镜入射至所述平衡光学互相关器，第二束飞秒激光依次经过第一透镜、第一真空腔室、空芯反谐振光纤、第二真空腔室、第二透镜、第三反射镜和第四反射镜入射至所述平衡光学互相关器；

所述平衡光学互相关器测量两束飞秒激光之间的时间漂移，并传输至所述控制单元，所述控制单元控制所述光学延迟线实时校正两束飞秒激光的时间漂移。

2.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述平衡光学探测器通过将两束和频光的强度转换为电压信号并相减，若平衡光学探测器输出的电压信号为零，则两束飞秒激光之间时间漂移为零；否则，两束飞秒激光之间存在时间漂移时。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述的光学延迟线由放置在精密平移台上的两个互相垂直的反射镜组成，所述的精密平移台由平移台控制器控制沿着入射飞秒激光方向前后移动，调整入射飞秒激光的光程控制延时。

4.根据权利要求3所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述平衡光学探测器将输出的电压信号传送至控制单元处理并生成控制信号，精密平移台根据控制信号沿着飞秒激光传输的方向前进或后退，置于精密平移台上的光学延迟线增加或减少飞秒激光的光程维持平衡光学探测器输出零状态，即通过闭环反馈控制实现了两束飞秒激光的同步。

5.根据权利要求1所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述的平衡光学互相关器包括有分束片、第五反射镜、透明材料、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第一小孔光阑、第二小孔光阑和平衡光电探测器；

所述的两束飞秒激光经过所述分束片反射的飞秒激光经过第五反射镜反射后，以非共线的形式入射至所述第一非线性晶体，生成两束飞秒激光各自的倍频光以及和频光，经所述第一小孔光阑滤除两束飞秒激光的倍频光，使和频光通过并入射至所述平衡光电探测器；

所述的两束飞秒激光经过所述分束片透射的透射光，其中一路经透明材料延时后，两路透射光以非共线的形式入射至所述第二非线性晶体产生各自的倍频光以及和频光，经所述第二小孔光阑滤除倍频光，使和频光通过并入射至所述平衡光电探测器；

所述平衡光学互相关器通过将两个和频光强度做差并转换为电压信号即为互相关信号，通过互相关信号可测量两束飞秒激光的时间漂移。

6.根据权利要求5所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述互相关信号通过电学的方式传送至控制单元，所述控制单元处理平衡光学互相关器的电压信号形成控制信号，控制信号传输至精密平移台控制所述的光学延迟线的移动，校正两束飞秒激光之间的时间漂移，达到同步两束飞秒激光的目的。

7.根据权利要求5所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述第一非线性晶体和第二非线性晶体为偏磷酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)或氘化磷酸二氢钾(DKDP)。

8.根据权利要求3所述的一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置，其特征在于，所述的透明材料为氟化钙或玻璃，所述的控制单元包括有数据采集卡和反馈控制程序。

9.一种基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

①搭建权利要求1-9任一所述基于空芯反谐振光纤的飞秒激光同步装置；

②令第一束飞秒激光依次经过光学延迟线、第一反射镜、第二反射镜进入平衡光学互相关器；第二束飞秒激光经过第一透镜聚焦后耦合进空芯反谐振光纤；

③进入平衡光学互相关器的两束飞秒激光经过分束片后反射部分经第五反射镜以非共线的形式穿过第一非线性晶体，两束飞秒激光通过第一非线性晶体后生成各自的倍频光及和频光，经第一小孔光阑滤除两束飞秒激光的基频光和倍频光后，和频光入射至平衡光电探测器；两束飞秒激光的透射部分同样以非共线的形式穿过第二非线性晶体生成各自的倍频光及和频光，其中一束飞秒激光的光路中放入透明材料，该透明材料引入固定的延时作为时间漂移参考，然后经第二小孔光阑滤除两束飞秒激光的基频光和倍频光后，和频光入射至平衡光电探测器。两束飞秒激光采用非共线的形式更容易达到相位匹配，同时能够在空间中分离两束飞秒激光的倍频光及和频光；

⑤平衡光学探测器通过将两束和频光的强度转换为电压信号并相减，若平衡光学探测器输出的电压信号为零，说明两束飞秒激光之间时间漂移为零。当两束飞秒激光之间存在时间漂移时，平衡光学探测器输出电压不为零。将平衡光学探测器输出的电压信号传送至控制单元处理并生成控制信号，精密平移台根据控制信号沿着飞秒激光传输的方向前进或后退，置于精密平移台上的光学延迟线增加或减少飞秒激光的光程维持平衡光学探测器输出零状态，即通过闭环反馈控制实现了两束飞秒激光的同步；

⑥控制单元未打开时，记录平衡光学探测器输出电压信号的变化。当打开自制的控制单元，再次记录平衡光学探测器输出电压信号的变化，判断两束飞秒激光的时间同步精度。

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