CN116529667A - 短脉冲激光系统和用于产生激光脉冲的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学系统，该系统包括：激光源(l)，产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射；以及至少一个脉冲压缩设备(3)，位于所述波束路径中并且具有非线性介质(7)，其中，所述激光脉冲在通过所述介质(7)的传播期间经历非线性光谱展宽，并且啁啾被施加到所述激光脉冲。本发明的目的是提供一种光学系统，该光学系统使得能够产生具有改进的时间脉冲对比度或具有改进的脉冲质量的非线性压缩激光脉冲。根据本发明，通过脉冲压缩设备(3)将沿着波束路径变化并且至少部分补偿啁啾的群延迟色散施加到激光脉冲。

Description

短脉冲激光系统和用于产生激光脉冲的方法
技术领域
本发明涉及一种光学系统，该光学系统具有激光源，该激光源产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射；以及至少一个脉冲压缩设备，该至少一个脉冲压缩设备位于所述波束路径中并且具有非线性介质，其中，所述激光脉冲在通过所述介质的传播期间经历非线性光谱展宽，并且啁啾被施加到所述激光脉冲。
本发明还涉及一种用于产生激光脉冲的方法，其中产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射，并且通过施加啁啾以非线性方式对所产生的激光脉冲进行光谱展宽。
背景技术
用于产生皮秒和飞秒范围内的超短激光脉冲的激光系统多年来一直备受关注。
这种系统的各种应用需要比激光系统的增益介质所支持的更短的脉冲持续时间。此外，诸如饱和或增益变窄等光学放大器中的效应，可能导致激光辐射的光谱带宽的降低，这导致激光系统输出处的脉冲持续时间的不希望的增加。
缩短脉冲持续时间的一种已知方法是利用非线性效应相干地生成新的光谱分量。相应的非线性相互作用可以以脉冲压缩设备的形式在增益介质(非线性放大)中发生，或者在波束路径中光放大器下游的单独部件中发生。为了增加光谱带宽，最常被利用的激光辐射与介质的非线性相互作用是自相位调制(self-phase modulation，SPM)。SPM所致光谱展宽能够在各种几何形状的介质中(例如在诸如光导纤维的光波导中)实现。
SPM为激光脉冲提供了额外的频率分量，因此激光辐射增加了带宽。为了能够使用新生成的频率分量来缩短脉冲持续时间，激光脉冲必须尽可能不受啁啾的影响，即不受激光辐射的不同频率分量的不同时间延迟的影响。因此，脉冲压缩设备通常包括非线性介质下游的色散元件，以尽可能补偿SPM产生的啁啾，从而在时间上压缩激光脉冲。其目的是实现尽可能接近所产生的光谱带宽的脉冲持续时间，即最小脉冲持续时间的带宽受限激光脉冲。色散元件实现的压缩因子可以受到诸如电离、可实现的非线性、损耗或非线性介质的有限光谱带宽等各种影响的限制。
一个已知的问题是非线性压缩激光脉冲的脉冲质量是不完美的，并且一定量的脉冲能量在二次脉冲或激光辐射的时间背景中。这是由于SPM所致光谱展宽的性质，其反映在光谱强度的显著调制中(见阿戈沃，G.P.，2007，非线性光纤光学，第4版，阿姆斯特丹，学术出版社)(Agrawal,G.P.,2007,Nonlinear Fiber Optics,4th edition,Amsterdam,Academic Press)。即使完美消除了啁啾，也会将一些脉冲能量留在定时主脉冲之外。众所周知，对于较大的时间压缩因子，时间脉冲对比度或脉冲质量通常会降低。脉冲质量的度量是落在脉冲的最大强度周围的特定时间窗口内的总脉冲能量的比例。
在这种背景下，本发明的目的是提供能够产生具有改善的时间脉冲对比度或具有改善的脉冲质量的非线性压缩激光脉冲的光学系统。
发明内容
本发明从一开始所示类型的光学系统开始实现了这一目的，因为通过脉冲压缩设备将沿波束路径变化并至少部分补偿啁啾的群延迟色散(group delay dispersion，GDD)施加到激光脉冲。
本发明还通过一种用于产生激光脉冲的方法实现了该目的，其中产生了由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射，并且通过施加啁啾以非线性方式对所产生的激光脉冲进行光谱展宽，其中，沿波束路经可变的群延迟色散被施加在激光脉冲上，该群延迟色散影响啁啾的至少部分补偿。
本发明的基本思想是一种脉冲压缩设备，在该设备中，光谱展宽和啁啾的补偿分布在尽可能多的单个步上(在极限情况下为无穷小的步)，这对应于(准)绝热脉冲压缩。理想情况下，每一个步的压缩因子(即时间脉冲缩短因子)都保持尽可能小，这减少了激光脉冲的SPM展宽光谱中的光谱调制。优选地，针对每一个步的压缩因子应小于四，优选地小于三，更优选地小于二。这减少了二次脉冲中的能量含量，并有效地增加了峰值脉冲功率。在SPM所致光谱展宽的每一个步之后，通过施加群延迟色散(GDD)来相应地压缩激光脉冲。在最简单的情况下，非线性相互作用的强度在随后的步中保持不变。然而，由于脉冲持续时间的不断减少和由此产生的脉冲峰值功率的增加，光谱展宽增加，并因此每一个步施加的啁啾也发生变化。因此，群延迟色散必须随步变化，即沿着波束路径变化，以便尽可能补偿在每一个步中施加的啁啾。
在本发明的可能实施例中，群延迟色散沿波束路径连续地或分阶段地变化。事实上，非线性压缩可以是渐进的，由此非线性介质被划分成彼此分离的两个或更多个部分，激光辐射连续穿过这两个或更多个部分，其中，非线性介质的部分中的每一个部分在波束路径中跟随有与该部分相关联的色散光学元件，其中，所述光学元件关于所述群延迟色散而彼此不同。在这种设计中，非线性介质的部分与分配给它的色散元件交替。非线性介质的每一个部分及其相关的色散元件将被分配给非线性压缩的一个步。色散元件针对于群延迟色散进行设计，使得在相关的步中产生的啁啾得到很大程度的补偿，从而减少了非线性压缩期间的总体光谱调制。
SPM是一种强度依赖效应，这意味着在强度较高的(非线性介质与激光辐射的)相互作用区域，与强度较低的区域相比，发生更强的光谱展宽。因此，具有典型高斯波束分布的激光束在通过非线性介质(例如玻璃板)传播期间经历空间不均匀的光谱展宽。光谱展宽在波束轴附近比在远离波束轴的外围区域更明显。然而，许多应用要求激光脉冲的光谱带宽在波束分布上是均匀的。一种已知的脉冲激光辐射的空间均匀光谱展宽的方法(见NenadMilosevic、Gabriel Tempea和Thomas Brabec，“光学脉冲压缩：块状介质与空心波导”，Opt.Lett.25,672-67 4,2000)(Nenad Milosevic,Gabriel Tempea,and Thomas Brabec,“Optical pulse compression:bulk media versus hollow waveguides,”Opt.Lett.25,672-67 4,2000)利用了这样一个事实，即光谱展宽在位于成像反射镜阵列中的介质中是空间均匀的，所述成像反射镜阵列是被设计为稳定的谐振器的多程池(multipass cell)。因此，根据本发明的光学系统中的非线性介质能够有利地位于激光辐射多次穿过的多程池中。多程池包括两个或更多个(部分聚焦)反射镜的布置，所述两个或更多个(部分聚焦)反射镜在每一个反射点处重定向耦合到多程池中的激光束，使得波束传播沿着多程池中的受控传播路径被限制到预定体积，直到激光束在多次反射后离开多程池并因此通过多程池的体积为止。已知的多程池设计被称为例如怀特池(White cell)或赫里奥特池(Herriottcell)。使用多程池进行空间均匀的光谱展宽要求多程池的反射镜以这样的方式成形和布置，使得多程池形成稳定的光学谐振器，其特征在于，高斯波束作为谐振器的横向本征解存在，以与非线性波导中的横向本征解相同的方式经历光谱展宽的期望空间均匀化。
介电材料(例如玻璃板)或气体(例如稀有气体)可以用作位于多程池中且因此激光辐射会多次穿过的非线性介质。还可以设想在多程池中布置几个非线性元件；可以使用具有不同厚度的玻璃板，或者可以在多程池中提供具有不同气体压力的区域。
用于实现多程池的反射镜的破坏阈值限制了可耦合到池中的可压缩脉冲能量或峰值脉冲功率。破坏阈值取决于激光辐射的强度。原则上，可以通过增加反射镜之间的距离来降低反射镜表面上的强度。此外，可以在接近同心反射镜配置的情况下工作，这导致在所有对称布置中反射镜表面上的最大波束半径。然而，这种配置导致激光辐射的小焦点，这反过来又必须考虑到在设计中关于介质中的非线性相互作用。一方面，这里还必须避免介质的破坏或过度电离，另一方面，每转累积的非线性相位必须不超过某个极限值，以便在本发明的意义内保持每一个步的非线性脉冲压缩足够低。
根据本发明的啁啾的逐步补偿可以实现，因为多程池的反射镜被设计为是色散的(例如作为电介质反射镜)。因此，反射镜中的至少一个可以被适当地分割，其中，激光辐射在多次穿过多程池时在反射镜的不同部分处被连续反射。反射镜中的部分中的至少两个部分关于所施加的群延迟色散而彼此不同，使得对于每一个压缩步，即对于激光辐射通过位于多程池中的非线性介质的每次通过，在相应反射镜处的后续反射期间，将适当的群延迟色散施加到激光辐射，以便在很大程度上补偿在每种情况下产生的啁啾，从而保持低光谱调制。
多程池可以与相关的(分割的)反射镜一起设计，使得非线性压缩通过细分为相对大量的步来进行。因此，激光辐射通过多程池(即多程池的焦点)至少三次，优选地为至少五次，特别优选地为至少十次或甚至多于二十次。
由于激光辐射多次穿过多程池中的非线性介质，因此激光辐射在沿着整个波束路径的每一个步处都会经历基本恒定的非线性极化率。然而，也可以设想沿着波束路径具有不同极化率的所述类型的多程池序列。
附图说明
基于附图更详细地解释了本发明的示例性实施例。在附图中：
图1以框图的形式示出了根据本发明的光学系统的示意图；
图2示出了根据本发明的基于光导纤维实现的脉冲压缩设备的示意图；
图3示出了根据本发明的基于多程池实现的脉冲压缩设备的示意图；
图4示出了非线性压缩激光脉冲的脉冲持续时间、光谱和时间脉冲级数缩短的示意图；
图5示出了示出根据本发明划分为几个步的非线性脉冲压缩的示意图；
图6示出了根据本发明根据图3的多程池的分割的反射镜的示意图。
具体实施方式
在图1的示例性实施例中，通过具有下游光学放大器2的激光源1(例如包括模式耦合光纤振荡器)从脉冲激光辐射产生输入激光束EL。输入激光束EL被提供给脉冲压缩设备3。脉冲压缩设备3包含通过自相位调制实现激光脉冲的非线性光谱展宽的非线性介质(图1中未示出)。产生的啁啾由脉冲压缩设备3的色散元件(图1中未示出)补偿，使得离开脉冲压缩设备3的输出激光束AL中的激光脉冲(几乎)受到带宽限制。
根据本发明，脉冲压缩设备中的啁啾的光谱展宽和补偿分布在多个单独的步上，以便实现(准)绝热脉冲压缩。理想情况下，每一个步的压缩因子(即时间脉冲缩短因子)都保持尽可能小，这减少了激光脉冲的SPM展宽光谱中的光谱调制。
在图2的示例性实施例中，脉冲压缩设备3包括多部分非线性光纤4(例如充气空心光纤或传统阶跃折射率光纤)，用于通过SPM对激光脉冲进行光谱展宽，每部分之后是适当色散的光纤部分5、5'、5”，其对通过光纤排列传播的激光脉冲施加适当的群延迟色散，以使施加到相关非线性光纤部分4中的激光脉冲的啁啾尽可能完全地得到补偿。例如通过光纤部分5、5'、5”的长度的适当设计，色散光纤部分5、5'、5”关于所施加的群延迟色散而不同。在图2的示例性实施例中，非线性脉冲压缩因此被分为三个单独的步。虽然实际操作需要非常多的步(例如20个或更多)才能达到极限，但更多的数量是可以想到的。
在图3的示例性实施例中，脉冲压缩设备3由非线性多程池6实现，该池能够通过SPM实现空间均匀的光谱展宽。因此，只要多程池6的成像反射镜布置中的光谱色散在稳定反射镜配置的范围内，该光谱色散就是均匀的，即可以发现高斯模式作为横向本征解。介电材料(例如玻璃板)或气体(例如稀有气体)可以用作位于多程池6中的非线性介质7。一方面，多程池6允许几乎无损耗的光谱展宽，另一方面，(聚焦中)非线性相互作用和色散可以在很大程度上彼此分开地调节。假设非线性介质7的色散可以忽略不计，一个或更多个反射镜8、8'(激光辐射在其间通过多程池7来回反射)的色散可以用于通过在根据本发明的步内(即在激光辐射与聚焦通道中的介质7的每次非线性相互作用之后)啁啾的补偿来实现脉冲压缩。反射镜8、8'(在其上的单个通路的波束在空间上彼此分离)的色散特性被设计为，将沿波束路径(即从反射到反射)变化的群延迟色散施加到激光脉冲，以便补偿啁啾。有利的是，反射镜可以在这里被分割(见图6)，其中，激光辐射在多次穿过多程池6时在反射镜8、8'的不同部分(图6中编号为1至20)处连续反射。反射镜8、8'的部分在反射过程期间关于施加的群延迟色散而彼此不同，以便对每一个压缩步在很大程度上补偿啁啾。
下面使用图4中的示意图来解释本发明的原理。输出点是通过具有300fs脉冲持续时间和1mJ脉冲能量的激光源1产生(并放大)的激光脉冲(高斯脉冲)。多次辐照的非线性介质的每个压缩步的非线性参数为γ＝2.5·10-7(W·m)-1，该非线性参数作用于250μm的距离(例如介质的辐照厚度)。在SPM光谱展宽的每一个步之后，通过施加群延迟色散来压缩激光脉冲。非线性相互作用的强度在随后的步中保持不变。然而，由于脉冲持续时间的减少和由此产生的脉冲峰值功率的增加，每一个步的光谱展宽增加。为了简单起见，忽略了较高阶的损耗和非线性效应，并且也没有在考虑较高相位项(例如，三阶色散)的情况下考虑脉冲压缩。图4的示意图示出了以这种方式分阶段执行的脉冲压缩的(模拟)结果。图4a的示意图示出了在每一个步之后实现的脉冲持续时间以及在每一个步中为此所需的群延迟色散。图4b和图4c示出了与传统的单阶脉冲压缩模拟情况(曲线11、12)相比，27阶脉冲压缩在光谱和时间范围内的结果(曲线9、10)。光谱宽度增加到42.7nm，而300fs的输入脉冲被压缩到28.5fs。决定性因素是脉冲最大值附近+/-50fs窗口中的脉冲能量含量，其为总脉冲能量的90％，因此显著高于也显示的单阶非线性压缩的情况，其中，只有73％的总脉冲能量包含在同一时间窗口中。图4的示例仅用于说明本发明的方法，并不代表优化的解决方案。通过调整步的数量、每一个步的非线性强度和每一个步的啁啾补偿，可以进一步提高脉冲对比度。
图5说明了图6的反射镜设计在每一个步后实现的脉冲持续时间以及每一个步所需的群延迟色散。输出点还是具有1mJ脉冲能量的300fs激光脉冲。多次照射的非线性介质7的每个展宽步的非线性参数为γ＝2.5·10-7(W·m)-1，该非线性参数作用于250μm的长度。因此，每一个激光脉冲通过非线性介质7传播13次，并且在该过程中经历光谱展宽，而没有对该过程中产生的啁啾进行任何补偿。随后是反射镜反射，其施加的群延迟为-7000fs2，这将激光脉冲缩短至约120fs。以下三个步包括非线性光谱展宽(每一个为-1000fs2群延迟色散)，然后是非线性光谱展宽的三个步(每一个为-500fs2群延迟色散)，最后是通过非线性介质7，最后是单个-200fs2群延迟色散。5.234nm的激光脉冲的原始光谱带宽由此增加到45.8nm带宽(半峰全宽(full width at half maxima，FWHM))。末端处的压缩脉冲持续时间为28.6fs，脉冲最大值周围+/-50fs窗口中的能量分数为89％，这非常接近图4中所示的精细分级非线性压缩的值(其中有27个步)，通过图6中所示分割的反射镜8、8'显著简化了实现。
图6中的两个反射镜8、8'中的每一个都由十部分组成，其中，被波束路径重叠的前十二部分(编号为1-12)具有变为零的(vanishing)群延迟色散，反射镜8'上的部分13具有-7000fs2的群延迟色散，反射镜8上的部分14和16以及反射镜8'上的部分15具有-1000fs2的群延迟色散，反射镜8上的部分18和反射镜8'上的部分17和19具有-500fs2的群延迟色散，并且反射镜8上的部分20再次具有变为零的群延迟色散(在这种情况下，最后的压缩步发生在多程池之外)。
还应该提到的是，图6显示的是一个示例，用于说明目的，而不是优化配置。还应注意，根据本发明的功能不一定必须在多程池中实现。例如，具有相应色散特性的二十个单独的、至少部分弯曲的反射镜，或者不是通过反射镜而是通过附加元件施加色散，提供了相同的结果。同样地，仅仅使用一个非线性元件并不是强制性的。
在本发明改善非线性压缩激光脉冲的脉冲对比度或脉冲质量的方法中，应注意，特别是关于具有多程池6的特定示例性实施例，随着多次通过非线性介质而增加的脉冲峰值功率不应在多程池中导致不期望的影响，诸如反射镜的破坏、反射镜之间的焦点中的干扰电离或每次聚焦通过的过强的非线性相互作用。
这将表现为输出波束AL中激光束的空间光谱均匀性的恶化。在设计多程池6时，必须考虑这些限制的影响。一种可能的解决方案是具有不同非线性和/或不同反射镜配置(例如关于曲率半径和间距)的所述类型的多程池的序列。
还应注意的是，即使使用有损耗的光谱展宽方法(例如在毛细管中或在具有金属反射镜的多程池中)，由于保持了强非线性相互作用，本发明的方法也可能优于传统的单步光谱展宽。
如前所述，还可以想到在两个或更多个根据本发明的类型的多程池的串联布置中使用绝热非线性脉冲压缩，每一个池都具有适配的反射镜和非线性介质，以便产生仅在几个光学周期范围内的脉冲持续时间，同时具有高的时间质量。

Claims (18)

1.一种光学系统，所述光学系统具有产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射的激光源(1)以及位于波束路径中并包括非线性介质(7)的至少一个脉冲压缩设备(3)，其中，所述激光脉冲在通过所述介质(7)的传播期间经历非线性光谱展宽，并且啁啾被施加到所述激光脉冲，
其特征在于,
通过所述脉冲压缩设备(3)将沿所述波束路径变化并且至少部分补偿所述啁啾的群延迟色散施加到所述激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所施加的群延迟色散沿所述波束路径连续地或分阶段地变化。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述非线性介质(7)被划分为彼此分离的两个或更多个部分(4)，所述激光辐射连续穿过所述两个或更多个部分(4)，其中，所述非线性介质的所述部分(4)中的至少一些或每一个部分在所述波束路径中跟随有与该部分相关联的色散光学元件(5、5'、5”)，其中，所有所述光学元件(5、5'、5”)中的至少两个光学元件关于由此施加的所述群延迟色散而彼此不同。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，压缩因子，即针对每个所述部分(4)的激光脉冲的时间脉冲缩短因子小于四，优选地小于三，特别优选地小于二，每个所述部分(4)具有分别分配的色散光学元件(5、5'、5')。
5.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述非线性介质位于所述激光辐射多次穿过的多程池(6)中。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述多程池(6)具有至少两个反射镜(8、8')，所述激光辐射在所述至少两个反射镜之间来回反射。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述反射镜(8、8')的形状和布置选择为使得所述多程池(6)形成稳定的光学谐振器。
8.根据权利要求6或7所述的光学系统，其中，所述反射镜(8、8')是球面镜并且呈同心布置，其中，非线性介质(7)位于所述布置的中心。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的光学系统，其中，所述反射镜(8、8')是色散的。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述反射镜(8、8')关于所施加的群延迟色散而彼此不同。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的光学系统，其中，所述反射镜(8、8')中的至少一个被分割成部分，其中，当所述激光辐射多次穿过所述多程池(6)时，在所述反射镜(8、8')的不同部分处连续反射。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述反射镜(8、8')的部分中的至少两个部分关于所施加的群延迟色散而彼此不同。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的光学系统，其中，所述激光辐射通过所述多程池(6)至少三次，优选地为至少五次，特别优选地为至少十次。
14.根据权利要求5至13中任一项所述的光学系统，其中，压缩因子，即针对每次通过的激光脉冲的时间脉冲缩短因子小于四，优选地小于三，特别优选地小于二。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光学系统，其中，所述介质(7)的非线性极化率沿所述波束路径基本上恒定。
16.一种用于产生激光脉冲的方法，其中，产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射，并且通过施加啁啾以非线性方式对所产生的激光脉冲进行光谱展宽，
其特征在于,
将沿波束路径变化并且至少部分补偿所述啁啾的群延迟色散施加到所述激光脉冲。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所施加的群延迟色散沿着所述波束路径连续地或逐步地变化。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述非线性光谱展宽和所述啁啾的相应补偿在两个或更多个连续的单个步中执行，其中，压缩因子，即针对每一单个步的激光脉冲的时间脉冲缩短因子小于四，优选地小于三，特别优选地小于二。
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