CN116449630A - 一种高能量少周期蓝光激光产生方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能量少周期蓝光激光产生方法及装置，属于超快激光技术领域，通过对后压缩后的基频脉冲采用非线性晶体进行倍频，并对所得倍频脉冲进行至少两次脉宽压缩，得到高能量少周期蓝光激光；其中，倍频过程和脉宽压缩过程均在充有氦气的腔体内进行；脉宽压缩过程通过固体薄片进行光谱展宽；由于氦气具有极低的线性色散和非线性系数及极高的电离能，不仅可避免固体薄片损伤，贡献一部分的光谱展宽，还可在色散以及激光引起的电离两方面提供近似真空的环境，使得倍频脉冲的色散补偿更为容易，也避免了气体电离造成的能量损失和对输入能量的限制，允许更高的输出能量；有效解决了当前难以同时实现高能量与超短脉宽蓝光脉冲的问题。
Description
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，更具体地，涉及一种高能量少周期蓝光激光产生方法及装置。
背景技术
具有超快时间分辨率和高峰值强度的高能少周期脉冲可以促进许多超快和强场的应用。相比于一般使用的800nm脉冲，少周期蓝光激光具有更高的光子能量和较短的波长，具有许多有益的特性。亚微焦量级、亚10飞秒的400nm脉冲在许多时间分辨光谱实验中得到应用，用于研究一些化学材料的超快动力学过程。对于强场电离的研究，从理论上预测了在惰性气体原子多光子电离状态下，少周期400nm脉冲可用于电子涡旋的研究。高次谐波产率与波长高度相关，报道的400nm激光器的高次谐波产率是800nm激光器的54倍。此外，当400nm的脉冲被压缩到6.5fs时，可以预期产生孤立的阿秒脉冲。因此，采用几十个微焦、少周期的400nm脉冲可以驱动新的光谱区域，即近紫外-极紫外阿秒分辨率泵探测光谱学实验。
为了产生少周期的400nm脉冲，已有几种类型的方案被提出。其中，基于非线性晶体的频率上转换是最直接的一类。然而，相位匹配带宽与转换效率之间的内在矛盾以及对基频脉冲的强带宽依赖大大降低了该类方案的可应用性。这类方案产生的脉冲持续时间一般在10飞秒左右。不过这类方案中的少量工作通过更为精细复杂的方案设计，可获得6飞秒的脉冲持续时间。然而，由于方案中必需的紧聚焦结构和较低的脉冲压缩效率，目前脉冲能量仍然局限在一两个微焦甚至是亚微焦的水平。
作为一种广泛应用的脉冲压缩方式，基于空心光纤(HCF)的这一类型的方案也被应用于产生400nm的少周期脉冲。然而，对于最常规的HCF后压缩方案，由于频谱展宽过程中容易引入高阶色散，只能将脉冲压缩到亚10飞秒的水平。此外，通过对HCF输出的800nm超连续谱进行谱分裂和用啁啾镜压缩，得到了6微焦，4.4飞秒的400nm的脉冲。但超连续谱在短波端很弱的能量限制了该方案的能量可扩展性。HCF中的共振色散波发射被证明是一种可能产生3飞秒、20微焦能量的蓝光激光的方法。然而，如何在不引入高阶色散的情况下将蓝光部分从超宽带超连续谱(覆盖350-2500nm的光谱范围)中彻底分离出来，在技术水平上仍存在挑战。总之，以现有的技术手段难以兼顾高能量和短脉宽，产生亚6飞秒、百微焦量级的400nm的脉冲还是很困难的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高能量少周期蓝光激光产生方法及装置，用以解决现有的产生少周期蓝光激光的方法无法兼顾超短脉宽(亚6飞秒)和高能量(百微焦量级)的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高能量少周期蓝光激光产生方法，包括以下步骤：
S1、将后压缩处理后的基频脉冲由P偏振转换为S偏振后，采用非线性晶体进行倍频，并将产生的倍频脉冲分离出来；
S2、采用聚焦镜对最新的倍频脉冲进行聚焦，通过放置在聚焦镜焦点附近的固体薄片对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽，并对光谱展宽后的倍频脉冲进行准直后，进行色散管理，以对倍频脉冲的脉宽进行压缩后输出更新的倍频脉冲；
S3、重复步骤S2至少一次，从而得到高能量少周期蓝光激光；
其中，步骤S1-S3均在充有氦气的腔体内执行。
进一步优选地，对基频脉冲进行后压缩处理时，引入负啁啾的过程在充有氦气的腔体内执行。
进一步优选地，上述非线性晶体为无衬底的非线性晶体。
进一步优选地，上述固体薄片以布儒斯特角放置在聚焦镜焦点附近，以使得能量传输的效率最高。
进一步优选地，沿着光路方向，固体薄片放置在聚焦镜焦点之前，以进一步对聚焦后的倍频脉冲进行脉宽展宽，从而避免焦点处氦气电离，防止能量被吸收。
进一步优选地，固体薄片为一个或多个；当固体薄片为多个时，多个固体薄片沿着光路方向依次放置。
第二方面，本发明提供了一种高能量少周期蓝光激光产生装置，包括：
倍频脉冲产生器，用于将后压缩处理后的基频脉冲由P偏振转换为S偏振后，采用非线性晶体进行倍频，并将产生的倍频脉冲分离出来；
沿光路方向依次放置的N个压缩模块；压缩模块用于采用聚焦镜对倍频脉冲进行聚焦，通过放置在聚焦镜焦点附近的固体薄片对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽，并对光谱展宽后的倍频脉冲进行准直后，进行色散管理，以对倍频脉冲的脉宽进行压缩；
其中，N大于或等于2；倍频脉冲产生器和压缩模块均放置在充有氦气的腔体内。
进一步优选地，压缩模块包括：沿着光路方向依次放置的聚焦镜、固体薄片、凹面反射镜、倍频脉冲色散管理器；
聚焦镜用于对倍频脉冲进行聚焦；
固体薄片放置在聚焦镜焦点附近，用于对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽；
凹面反射镜用于对展宽后的倍频脉冲进行准直；
倍频脉冲色散管理器用于对准直后的倍频脉冲进行色散管理，以缩短倍频脉冲的脉宽。
进一步优选地，沿着光路方向，固体薄片放置在聚焦镜焦点之前，以进一步对聚焦后的倍频脉冲进行脉宽展宽，从而避免焦点处氦气电离，防止能量被吸收。
进一步优选地，固体薄片为一个或多个；当固体薄片为多个时，多个固体薄片沿着光路方向依次放置。
进一步优选地，上述高能量少周期蓝光激光产生装置，还包括沿着光路方向放置在倍频脉冲产生器之前的后压缩模块，包括：
基频脉冲光谱展宽器，用于对基频脉冲进行光谱展宽；
基频脉冲色散管理器，用于通过对光谱展宽后的基频脉冲进行色散管理，以对基频脉冲进行压缩；
其中，上述基频脉冲色散管理器中引入负啁啾的部分放置在上述充有氦气的腔体内。
进一步优选地，上述非线性晶体为无衬底的非线性晶体。
进一步优选地，上述固体薄片以布儒斯特角放置在聚焦镜焦点附近，以使得能量传输的效率最高。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种高能量少周期蓝光激光产生方法及装置，通过对后压缩处理后的高场强、短脉宽的基频脉冲采用非线性晶体进行倍频，并对所得倍频脉冲进行至少两次脉宽压缩，得到高能量少周期蓝光激光；倍频过程和脉宽压缩过程均在充有氦气的腔体内进行；倍频过程在充有氦气的腔体内进行可以使得倍频过程无需预补偿啁啾，在倍频的同时保持短脉宽；脉宽压缩过程通过固体薄片进行光谱展宽，并基于倍频脉冲色散管理器进行色散管理，由于氦气具有极低的线性色散和非线性系数以及极高的电离能，脉宽压缩过程在充有氦气的腔体内进行，可以保证固体薄片不被损伤，贡献一部分的光谱展宽，还可以在色散以及激光引起的电离两方面提供近似真空的环境，使得倍频脉冲的色散管理变得更为容易，提高了脉冲压缩效率，并且也避免了气体电离造成的能量损失和对输入能量的限制，允许更高的输出能量，能够产生百微焦量级的更高能量以及亚6飞秒级的超短脉宽的蓝光激光。
2、进一步地，本发明所提供的高能量少周期蓝光激光产生方法及装置，通过对基频脉冲进行后压缩，并用较薄的非线性晶体进行倍频，可以同时兼顾倍频脉冲的脉宽和倍频效率，相比于直接通过倍频获得超短蓝光激光，其对基频脉冲压缩的要求更低，并且倍频效率更高。另一方面，较短的倍频脉冲降低了后续脉冲压缩的难度，使得压缩后的脉冲具有超短和能量集中度高的特性。
3、进一步地，本发明所提供的高能量少周期蓝光激光产生方法及装置，通过后压缩产生高场强、短脉宽的基频脉冲(800nm)，并在对基频脉冲进行后压缩处理时，通过将引入负啁啾的过程在充有氦气的腔体内执行，从而对基频脉冲进行色散管理的过程中引入的非线性相位积累进行控制，以降低非线性相位积累，从而避免了高强度基频脉冲因自聚焦而产生的光束质量退化，能够产生足够宽带、光束质量良好的高强度基频脉冲。
附图说明
图1为本发明所提供的高能量少周期蓝光激光产生方法流程图；
图2为本发明实施例所提供的高能量少周期蓝光激光产生装置的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的腔内充氦气和真空环境下记录的输出功率的变化曲线；
图4为本发明实施例所提供的高能量少周期蓝光激光产生装置最终输出脉冲的光谱与重构得到的脉冲包络；其中，(a)为高能量少周期蓝光激光产生装置最终输出脉冲的光谱示意图；(b)为重构得到的脉冲包络示意图；
图5为本发明实施例所提供的高能量少周期蓝光激光产生装置最终输出脉冲的远场光斑示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高能量少周期蓝光激光产生方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、将后压缩处理后的基频脉冲由P偏振转换为S偏振后，采用非线性晶体进行倍频，并将产生的倍频脉冲分离出来；
优选地，在基频脉冲后压缩处理的脉冲色散管理的过程，将引入正啁啾的玻璃片与窗片以布儒斯特角放置，并将引入负啁啾的过程置于充满氦气(气压一般设置为1bar)的腔内进行，以降低对基频脉冲进行色散管理的过程中引入的非线性相位积累，从而能够产生足够宽带、光束质量良好的高强度基频脉冲。由于倍频脉冲色散管理器以及需以布儒斯特角放置的固体薄片的存在，所以要求倍频脉冲为P偏振，所以往往需要将常规P偏振传输的基频脉冲转偏为S偏振。
优选地，为了避免高强度基频脉冲经过衬底产生的非线性相位积累(衬底在非线性晶体前时)或展宽倍频脉冲脉宽(衬底在非线性晶体后时)，采用无衬底的非线性晶体(如较薄的BBO晶体)进行倍频。采用二向色镜或光束分离元件将产生的倍频脉冲分离出来。具体地，在一种可选实施方式中，将后压缩处理后的基频脉冲偏振由P偏振转变为S偏振，利用合适厚度的无衬底的非线性晶体对基频光进行倍频，并利用合适带宽的二向色镜(蓝光高反，红光高透，并且反射面镀膜具有低色散设计)实现基频与倍频脉冲的分离，最终获得P偏振的倍频脉冲。
需要说的是，通过采用后压缩处理后的基频脉冲，并用非线性晶体进行倍频，可以同时兼顾倍频脉冲的脉宽和倍频效率，相比于直接通过倍频获得超短蓝光激光，其对基频脉冲压缩的更低，并且倍频效率更高。另一方面，较短的倍频脉冲降低了后续脉冲压缩的难度，使得压缩后的脉冲具有超短和能量集中度高的特性。
S2、采用聚焦镜对最新的倍频脉冲进行聚焦，通过放置在聚焦镜焦点附近的固体薄片(一般为百微米级厚度的光学玻璃片)对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽，并对光谱展宽后的倍频脉冲进行准直后，进行色散管理，以对倍频脉冲的脉宽进行压缩后输出更新的倍频脉冲；
优选地，上述固体薄片以布儒斯特角放置在聚焦镜焦点附近，以使得能量传输的效率最高。
优选地，沿着光路方向，固体薄片放置在聚焦镜焦点之前，以进一步对聚焦后的倍频脉冲进行脉宽展宽，从而避免焦点处氦气电离，防止能量被吸收。
优选地，固体薄片可以为一个或多个；当固体薄片为多个时，多个固体薄片沿着光路方向依次放置。
需要说明的是，固体薄片数量和厚度的选取取决于聚焦的松紧程度和焦点处光强，如果为紧聚焦则可选取单片较厚的薄片，并置于焦点前；如果为松聚焦则可选取更多且更薄的薄片，置于焦点附近，前、后均可。
S3、重复步骤S2至少一次，可在保证光束质量，保证色散管理的简单性的前提下，进一步提升光谱展宽，从而得到高能量少周期蓝光激光；优选地，在一种可选实施方式下，重复步骤S1一次即可，得到高能量少周期蓝光激光；
其中，步骤S1-S3均在充有氦气(气压一般设置为1bar)的腔体内执行，以保证固体薄片不被损伤，并且贡献一部分的光谱展宽。需要说明的是，氦气具有极低的材料色散以及极高的电离能，其不仅能够有效地避免固态薄片发生损伤，还可以在色散以及激光引起的电离两方面提供近似真空的环境，使得倍频脉冲的色散补偿变得更为容易，提高了脉冲压缩效率，并且避免了气体电离造成的能量损失和对输入能量的限制。除此之外，将步骤S1产生倍频脉冲的过程放置在充有氦气的腔体内执行，能够使得倍频脉冲可以不经过窗片而直接进行后续的脉冲压缩，无需额外的啁啾预补偿，大大简化了装置的复杂程度，降低了由镜片引入的反射损耗，提高了压缩效率。
第二方面，本发明提供了一种高能量少周期蓝光激光产生装置，包括：
倍频脉冲产生器，用于将后压缩处理后的基频脉冲由P偏振转换为S偏振后，采用非线性晶体进行倍频，并将产生的倍频脉冲分离出来。优选地，采用无衬底的非线性晶体(如较薄的BBO晶体)进行倍频。采用二向色镜或光束分离元件将产生的倍频脉冲分离出来。具体地，在一种可选实施方式中，将后压缩处理后的基频脉冲偏振由P偏振转变为S偏振，利用合适厚度的无衬底的非线性晶体对基频光进行倍频，并利用合适带宽的二向色镜(蓝光高反，红光高透，并且反射面镀膜具有低色散设计)实现基频与倍频脉冲的分离，最终获得P偏振的倍频脉冲。需要说的是，通过采用后压缩处理后的基频脉冲，并用非线性晶体进行倍频，可以同时兼顾倍频脉冲的脉宽和倍频效率，相比于直接通过倍频获得超短蓝光激光，其对基频脉冲压缩的更低，并且倍频效率更高。另一方面，较短的倍频脉冲降低了后续脉冲压缩的难度，使得压缩后的脉冲具有超短和能量集中度高的特性。
沿光路方向依次放置的N个压缩模块；压缩模块用于采用聚焦镜对倍频脉冲进行聚焦，通过放置在聚焦镜焦点附近的固体薄片对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽，并对光谱展宽后的倍频脉冲进行准直后，进行色散管理，以对倍频脉冲的脉宽进行压缩；优选地，上述固体薄片以布儒斯特角放置在聚焦镜焦点附近，以使得能量传输的效率最高。
其中，N大于或等于2；倍频脉冲产生器和压缩模块均放置在充有氦气的腔体内。需要说明的是，氦气具有极低的材料色散以及极高的电离能，其不仅能够有效地避免固态薄片发生损伤，还可以在色散以及激光引起的电离两方面提供近似真空的环境，使得倍频脉冲的色散补偿变得更为容易，并且避免了气体电离造成的能量损失和对输入能量的限制。除此之外，将倍频脉冲产生器放置在充有氦气的腔体内，能够使得倍频脉冲可以不经过窗片而直接进行后续的脉冲压缩，无需额外的啁啾预补偿，大大简化了装置的复杂程度，降低了由镜片引入的反射损耗，提高了压缩效率。
在一种可选实施方式下，压缩模块包括：沿着光路方向依次放置的聚焦镜、固体薄片、凹面反射镜、倍频脉冲色散管理器；
聚焦镜用于对倍频脉冲进行聚焦；
固体薄片放置在聚焦镜焦点附近，用于对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽；
凹面反射镜，可以为聚焦镜或准直镜，用于对展宽后的倍频脉冲进行准直；
倍频脉冲色散管理器(一般为啁啾镜)用于对准直后的倍频脉冲进行色散管理，以缩短倍频脉冲的脉宽。
优选地，沿着光路方向，固体薄片放置在聚焦镜焦点之前，以进一步对聚焦后的倍频脉冲进行脉宽展宽，从而避免焦点处氦气电离，防止能量被吸收。
优选地，固体薄片为一个或多个；当固体薄片为多个时，多个固体薄片沿着光路方向依次放置。
优选地，上述高能量少周期蓝光激光产生装置，还包括沿着光路方向放置在倍频脉冲产生器之前的后压缩模块，包括：
基频脉冲光谱展宽器，用于对基频脉冲进行光谱展宽；
基频脉冲色散管理器，用于通过对光谱展宽后的基频脉冲进行色散管理，以对基频脉冲进行压缩；
需要说明的是，对于基频脉冲色散管理器，其可被分为引入正啁啾与引入负啁啾的两个部分，将一般被用于引入正啁啾的玻璃片以布儒斯特角放置，降低片中的光强，从而降低非线性相位的积累，同时降低其菲涅尔反射；将引入负啁啾的过程置于充满氦气的腔内进行，用以降低非线性相位的积累。具体地，在基频脉冲后压缩处理的脉冲色散管理的过程，将引入正啁啾的玻璃片与窗片以布儒斯特角放置，并将引入负啁啾的过程置于充满氦气(气压一般设置为1bar)的腔内进行，以降低对基频脉冲进行色散管理的过程中引入的非线性相位积累，从而能够产生足够宽带、光束质量良好的高强度基频脉冲。
需要说明的是，固体薄片数量和厚度的选取取决于聚焦的松紧程度和焦点处光强，如果为紧聚焦则可选取单片较厚的薄片，并置于焦点前；如果为松聚焦则可选取更多且更薄的薄片，置于焦点附近，前、后均可。进一步地，基频脉冲的光谱展宽程度、基频脉冲的光强以及非线性晶体的厚度由预期的最终输出结果决定。
为了进一步说明本发明所提供的高能量少周期蓝光激光产生装置，下面结合具体实施例进行详述：
本实施例中N取值为2，如图2所示，一种高能量少周期蓝光激光产生装置，包括：
后压缩模块，包括：基频脉冲光谱展宽器1和基频脉冲色散管理器2；基频脉冲光谱展宽器1用于将基频脉冲进行光谱展宽；频脉冲色散管理器2用于对光谱展宽后的基频脉冲进行色散管理，最终实现脉冲压缩；
倍频脉冲产生器3，用于实现基频脉冲转变，倍频以及后续的基频和倍频脉冲的分离；
串联的两个压缩模块，分别记为第一压缩模块和第二压缩模块；其中，第一压缩模块包括：聚焦镜4、固态薄片5、聚焦镜6以及倍频脉冲色散管理器7；第二压缩模块包括：聚焦镜8、固态薄片9、聚焦镜10以及倍频脉冲色散管理器11。其中，聚焦镜用于将输出的倍频脉冲光束进行聚焦；固体薄片用于对倍频脉冲进行光谱展宽，且当固体薄片放置在聚焦镜焦点之前时，还可实现一定程度的脉宽展宽(在采用紧聚焦结构并使得焦点光强过高的情况下，有利于降低焦点光强，减少电离)；聚焦镜用于将光谱展宽后的倍频脉冲光束进行准直；倍频脉冲色散管理器用于实现对光谱展宽后倍频脉冲的色散补偿。
其中，后压缩模块中基频脉冲负啁啾引入部分、倍频脉冲产生器3以及后续的两个压缩模块全部放置在充有氦气的腔体12内。
本实施例中，所有使用的反射镜片均采用宽带和低色散的镀膜，以保证宽带脉冲在经过镜片反射后不会产生脉冲展宽，以及避免引入难以补偿的高阶色散。
综上，本实施例通过后压缩产生高场强、短脉宽的基频脉冲(800nm)，并在基频脉冲色散管理过程中对非线性相位积累进行控制，可以避免高强度基频脉冲因自聚焦而产生的光束质量退化。倍频脉冲产生在充有氦气的腔体内进行，可以无需预补偿啁啾，就可以保持短脉宽，进而通过两级的基于氦气协助的固体薄片的光谱展宽和基于啁啾镜的色散补偿实现少周期的蓝光激光产生。氦气在光谱展宽过程中起到避免薄片损伤的作用，并且贡献了一部分的光谱展宽。此外由于氦气具有极低的线性色散和非线性系数以及极高的电离能，使得腔内环境在色散和电离两方面的表现接近真空环境，因此相比于在大气环境中，可以使得色散补偿更为容易，脉冲压缩效率更高，并允许更高的输出能量。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的高能量少周期蓝光激光方法及装置，现结合附图及具体实例详述如下：
实验装置如图2所示。1kHz、1.8mJ、30fs、800nm的脉冲输入至基于空芯光纤的基频脉冲光谱展宽器1中进行光谱展宽。而基频脉冲色散管理器2由共计3mm厚的熔融石英片(正啁啾引入部分)和啁啾镜(共计引入-355fs^2的负啁啾)。基频脉冲被压缩到13.1飞秒。通过使用两个潜望镜组成倍频脉冲产生器3，实现了基频脉冲从P偏振态到S偏振态的偏振态转换、倍频过程，以及基频脉冲与倍频脉冲的分离。而72微米厚、切割角(θ＝29.2°)、无衬底的BBO被集成在第二个潜望镜中。最终得到131微焦、12.5飞秒、P偏振的倍频脉冲，转换效率为10.7％。其中啁啾镜两个潜望镜均置于充有1bar氦气的腔内。腔内基频脉冲压缩对于减少高强度(可达350GW/啁啾镜2)FW脉冲的非线性相位积累，进而抑制FW脉冲的光束质量退化至关重要。因此，为后续的脉冲压缩准备了具有理想光束质量的短SHG脉冲。并且倍频脉冲可以不经窗片直接导入到后续的脉冲压缩部分。
脉冲压缩采用两级结构，每级由两个f＝500mm的镀紫外增强铝膜的凹面反射镜(聚焦镜4、6、8、10)，用于光束聚焦和准直，一片200微米厚、布鲁斯特角放置在聚焦前的熔融石英(FS)片用于光谱展宽(固体薄片5、9)，一片啁啾镜(啁啾镜7、11)用于色散补偿。在真空环境下，在约为1×10^12W/cm^2的安全场强下(大气环境中)，FS片会出现意料之外的损伤。但充1bar的氦气后损伤会被避免。如图3所示，分别为腔内充氦气和真空环境下，输出功率的变化情况，其中输出功率的降低是由薄片损伤引起的。
在腔内氦气极低的物质色散使两级压缩的总团延迟色散(GDD)限制在10fs^2。通过向腔内注入1bar氦气，避免了FS片的损伤，输出功率为85毫瓦，基本接近在真空环境中FS片基本完好时的87毫瓦。腔内的氦气不仅避免了FS片的损伤，而且显著抑制了电离效应和材料分散，这正是真空环境的优点。
FS片的数量和厚度的选择是基于以下考虑：每级采用单片，便于腔内的操作，节省腔室空间。当FS片的厚度为200微米时，不仅可以适度的增大脉宽(仅考虑材料色散，从8飞秒扩大到13飞秒)，还可以允许相对较低的板内光强进行光谱展宽。有利于避免FS片的损坏。最后，将每个薄板的B积分控制在1.5rad左右，较小的B积分在一定程度上保持了光束质量。
如图4所示，最终压缩得到的脉冲的脉宽为5.5飞秒。并且脉冲中有96％的能量集中在主脉冲上。其脉冲压缩效率64.8％，而能量损失主要来自4个聚焦镜的反射损失。最后，用f＝400mm的透镜聚焦光束，诊断远场光束光斑。焦点处光斑如图5所示。光束在中心亮斑部分保持了很高的表现，仅有很少的能量分散在四周。
以上结果表明，利用该发明方法和装置，产生了85微焦、5.5飞秒、光谱跨度350-500nm的蓝光激光，其中主脉冲中包含了96％的能量。这是目前已知的，在该波段最高能量的亚6飞秒脉冲。并且通过控制基频脉冲压缩过程中引入的非线性相位积累，保证了高基频光光强下的光束质量。通过充氦气不仅解决了真空中薄片损伤的问题而且由于其高电离能以及低色散特性，使得倍频脉冲的色散补偿变得更为容易，脉冲压缩效率更高(可达64.8％)，并且容许更高能量(可达百微焦量级)的脉冲。总之，该发明给出了一种产生数百微焦少周期蓝光激光的有效方法，并用一个实例证明了方法的有效性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高能量少周期蓝光激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将后压缩处理后的基频脉冲由P偏振转换为S偏振后，采用非线性晶体进行倍频，并将产生的倍频脉冲分离出来；
S2、采用聚焦镜对最新的倍频脉冲进行聚焦，通过放置在聚焦镜焦点附近的固体薄片对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽，并对光谱展宽后的倍频脉冲进行准直后，进行色散管理，以对倍频脉冲的脉宽进行压缩后输出更新的倍频脉冲；
S3、重复步骤S2至少一次，从而得到高能量少周期蓝光激光；
其中，步骤S1-S3均在充有氦气的腔体内执行。
2.根据权利要求1所述的高能量少周期蓝光激光产生方法，其特征在于，对所述基频脉冲进行后压缩处理时，引入负啁啾的过程在所述充有氦气的腔体内执行。
3.根据权利要求1所述的高能量少周期蓝光激光产生方法，其特征在于，所述非线性晶体为无衬底的非线性晶体。
4.根据权利要求1所述的高能量少周期蓝光激光产生方法，其特征在于，沿着光路方向，所述固体薄片放置在所述聚焦镜的焦点之前，以进一步对聚焦后的倍频脉冲进行脉宽展宽，从而避免焦点处的氦气电离，防止能量被吸收。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的高能量少周期蓝光激光产生方法，其特征在于，所述固体薄片为一个或多个；当所述固体薄片为多个时，各所述固体薄片沿着光路方向依次放置。
6.一种高能量少周期蓝光激光产生装置，其特征在于，包括：
倍频脉冲产生器，用于将后压缩处理后的基频脉冲由P偏振转换为S偏振后，采用非线性晶体进行倍频，并将产生的倍频脉冲分离出来；
沿光路方向依次放置的N个压缩模块；所述压缩模块用于采用聚焦镜对倍频脉冲进行聚焦，通过放置在聚焦镜焦点附近的固体薄片对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽，并对光谱展宽后的倍频脉冲进行准直后，进行色散管理，以对倍频脉冲的脉宽进行压缩；
其中，N大于或等于2；所述倍频脉冲产生器和所述压缩模块均放置在充有氦气的腔体内。
7.根据权利要求6所述的高能量少周期蓝光激光产生装置，其特征在于，所述压缩模块包括：沿着光路方向依次放置的聚焦镜、固体薄片、凹面反射镜、倍频脉冲色散管理器；
所述聚焦镜用于对倍频脉冲进行聚焦；
所述固体薄片放置在聚焦镜焦点附近，用于对聚焦后的倍频脉冲进行光谱展宽；所述固体薄片为一个或多个；当固体薄片为多个时，多个所述固体薄片沿着光路方向依次放置；
所述凹面反射镜用于对展宽后的倍频脉冲进行准直；
所述倍频脉冲色散管理器用于对准直后的倍频脉冲进行色散管理，以缩短倍频脉冲的脉宽。
8.根据权利要求6所述的高能量少周期蓝光激光产生装置，其特征在于，沿着光路方向，所述固体薄片放置在所述聚焦镜的焦点之前，以进一步对聚焦后的倍频脉冲进行脉宽展宽，从而避免焦点处氦气电离，防止能量被吸收。
9.根据权利要求6所述的高能量少周期蓝光激光产生装置，其特征在于，所述非线性晶体为无衬底的非线性晶体。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的高能量少周期蓝光激光产生装置，其特征在于，还包括：沿着光路方向放置在所述倍频脉冲产生器之前的后压缩模块；
所述后压缩模块包括：
基频脉冲光谱展宽器，用于对基频脉冲进行光谱展宽；
基频脉冲色散管理器，用于通过对光谱展宽后的基频脉冲进行色散管理，以对基频脉冲进行压缩；
其中，所述基频脉冲色散管理器中引入负啁啾的部分放置在所述充有氦气的腔体内。
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| CN202310138106.7A CN116449630A (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种高能量少周期蓝光激光产生方法及装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117277031A (zh) * | 2023-11-22 | 2023-12-22 | 华中科技大学 | 一种超快激光非线性自压缩装置及其应用 |
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2023
- 2023-02-20 CN CN202310138106.7A patent/CN116449630A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117277031A (zh) * | 2023-11-22 | 2023-12-22 | 华中科技大学 | 一种超快激光非线性自压缩装置及其应用 |
| CN117277031B (zh) * | 2023-11-22 | 2024-03-19 | 华中科技大学 | 一种超快激光非线性自压缩装置及其应用 |
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