CN118174117A - 一种全光学飞秒激光频率转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种全光学飞秒激光频率转换装置及方法，方法包括，利用啁啾调控系统调节入射飞秒激光脉冲的啁啾特性，使其具有一定的正啁啾；激光脉冲通过紧聚焦光学系统进入气腔，气腔内充有一定气压的惰性气体；在飞秒激光脉冲作用下，气体发生电离，产生等离子体；控制聚焦条件、气体种类和气压，利用等离子体介质引入的含时相位变化，促使飞秒激光脉冲的光谱整体往短波方向移动，同时光谱的形状基本保持不变，从而实现飞秒激光频率转换。在紧聚焦条件下，通过标定光谱整体移动量和气压的关系，可以通过调节气压直接控制入射脉冲的中心频率，是一种简单易行的全光学飞秒激光频率转换装置。本发明具有装置简单、转换效率高、无损伤阈值、适用波段广等优势。
Description
技术领域
本发明属于超快非线性光学领域，具体涉及一种全光学飞秒激光频率转换装置及方法。
背景技术
以钛宝石为代表的宽带增益介质的出现，使人们可以获得飞秒激光脉冲。然而，由于增益介质种类的限制，现有的飞秒激光系统往往局限于一些特殊波段。虽然通过光学参量放大等非线性频率转换技术可以实现波长的调谐，但是系统比较复杂，需要泵浦光和种子光之间精密的时空控制。此外，受限于非线性晶体的尺寸、损伤阈值和透光波段，基于非线性光学晶体或光纤等的频率转换难以实现任意波段的高能量飞秒激光的高效频率转换。
飞秒激光与惰性气体相互作用会产生一系列超快非线性效应，包括光电离、自聚焦、自相位调制等(可参阅Phys.Rep.2007,441,47-189)。这些效应会诱导介质折射率的时间和空间变化，从而改变飞秒激光脉冲的时空相位。当飞秒激光脉冲携带含时变化的相位时，会引起其光谱结构的变化。例如，克尔效应引起的自相位调制会导致光谱的对称性展宽，而光电离产生的等离子体会导致光谱的蓝移。基于气体非线性效应产生的光谱调制，适用于很宽波段的激光脉冲，无损伤阈值的限制，而且具有很高的转换效率。然而，自相位调制和光电离两种效应往往相伴而生，引起飞秒激光脉冲的光谱展宽，而非光谱的整体移动。针对这一问题，本发明旨在提供一种全光学飞秒激光频率转换装置及方法。通过对入射光场加载预啁啾和采用紧聚焦条件，使得等离子体引起的非线性相位变化远大于克尔效应，同时构建焦点区相对均匀的相位梯度条件，促使飞秒激光脉冲的光谱整体蓝移，而光谱形状基本保持不变，最终实现飞秒激光频率的高效转换。
发明内容
针对飞秒激光增益介质有限以及非线性光学频率转换技术效率低、受限于晶体尺寸和损伤阈值等问题，本发明旨在提供一种全光学飞秒脉冲光学频率转换装置及方法。在一定聚焦条件的飞秒激光作用下，不同气压的惰性气体电离产生等离子体，使得飞秒脉冲的光谱整体移动，从而实现频率转换，具有方法简单高效、无损伤阈值、无具体波段限制等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一方面，本发明提供一种全光学飞秒激光频率转换装置，其特端在于，包括啁啾调控系统，聚焦系统，气腔，气压计，准直透镜；
飞秒激光经过所述啁啾调控系统后脉冲具有一定的正啁啾，经所述聚焦系统使带有正啁啾的飞秒激光紧聚焦于气腔，所述气腔充有惰性气体，在紧聚焦的飞秒激光作用下，发生电离并产生等离子体，等离子体介质引入的含时相位变化，使得飞秒脉冲的光谱整体移动，从而实现频率转换。
所述的飞秒激光脉冲可以是所用惰性气体不吸收的不同波段，波长越长，光谱整体移动量越大。
所述的啁啾调控系统包括展宽装置和导出镜。/>展宽装置由光栅、凸面镜、凹面镜和屋脊反射镜组成，通过改变光栅到凹面镜的距离可以对飞秒激光脉冲的啁啾进行调节。
所述的聚焦系统由凹透镜和凸透镜组成，通过调节两个透镜间的距离可以调整飞秒激光聚焦条件，实现不同的聚焦光强。
所述的气压计用于测量所述的气腔中惰性气体的气压，为气压调节提供依据。
所述的准直透镜用于将频率转换后的飞秒激光进行准直输出。
所述的气腔中充有一定气压的惰性气体，在一定的聚焦条件下，惰性气体发生光电离产生等离子体的过程中可以引起飞秒激光光谱的整体蓝移。
另一方面，本发明还提供一种全光学飞秒激光频率转换方法，其特点在于，包括：
步骤1、利用啁啾调控系统调节入射飞秒激光脉冲的啁啾特性，使其具有一定的正啁啾；
步骤2、利用聚焦光学使带有正啁啾的飞秒激光紧聚焦于气腔，在紧聚焦飞秒激光脉冲的作用下，使气腔内一定气压的惰性气体发生电离，产生等离子体；
通过控制聚焦条件、气体种类和气压，利用等离子体介质引入的含时相位变化，促使飞秒激光脉冲的光谱整体往短波方向移动，同时光谱的形状基本保持不变，从而实现飞秒激光频率转换。
步骤3、利用光纤光谱仪收集频率转换后飞秒激光信号，在紧聚焦条件下，对一定聚焦条件和惰性气体气压引起的光谱整体移动量进行标定；
通过标定光谱整体移动量和气体气压的关系，根据输入飞秒激光的能量和波长，通过调节聚焦条件和气压改变入射激光脉冲的中心频率。
进一步，对于不同波长、能量的飞秒激光脉冲，可以标定不同聚焦条件下和不同惰性气体气压下产生的光谱整体移动量。标定后根据输入脉冲的能量和波长，通过调节聚焦条件和气压可以实现不同程度的光谱移动，进而实现频率转换。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)本发明具有装置简单、成本低、实际操作容易的优点。利用常用的光学元件和易于搭建的气腔即可实现，无需利用成本高昂、生产工艺复杂的非线性晶体和光学参量放大技术中泵浦光和种子光之间的精密时空控制。
2)本发明利用惰性气体光电离产生等离子体过程中引起的频谱蓝移效应，无需使用非线性光学晶体或光纤等固体材料作为介质，具有无损伤阈值，支持高功率脉冲，转换效率高和无具体波段限制的优点。
3)本发明通过简单调节聚焦条件和惰性气体气压便可实现飞秒激光中心频率在一定范围内的连续调谐。
附图说明
图1是一种全光学飞秒激光频率转换装置的结构示意图。其中：1为啁啾调控系统、2为聚焦系统、3为气腔、4为气压计、5为准直透镜。
图2是啁啾调控系统的结构示意图。其中，6为光栅、7为凸面镜、8为凹面镜、9为屋脊反射镜、10和11为导出镜。
图3是聚焦系统的示意图。其中12为凹透镜，13为凸透镜。
图4是一种全光学飞秒激光频率转换装置用于改变入射激光脉冲频率演示及定标的示意图。其中：14为光纤光谱仪。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是一种全光学飞秒激光频率转换装置的结构示意图。如图所示，包括啁啾调控系统1、聚焦系统2、气腔3、气压计4和准直透镜5。气压计4用于测量气腔中惰性气体的气压，为在一定范围内连续变化气压提供依据。准直透镜5用于将频率转换后的飞秒激光进行准直输出。
请参阅图2，图2是啁啾调控系统的示意图。如图所示，包括展宽装置和导出镜10、11。/>展宽装置由光栅6、凸面镜7、凹面镜8和屋脊反射镜9组成，通过改变光栅6到凹面镜8的距离可以对飞秒激光脉冲的啁啾进行调节。
请参阅图3，图3是聚焦系统的示意图。如图所示，包括凹透镜12和凸透镜13，通过调节两个透镜间的距离可以调整飞秒激光聚焦条件，实现不同的聚焦光强。
请参阅图4，图4是一种全光学飞秒激光频率转换装置用于改变入射脉冲频率演示及定标的示意图。如图所示，除图1中的装置外，还包括光纤光谱仪14，用于测量频率转换后的飞秒激光光谱，并对一定聚焦条件和惰性气体气压引起的光谱整体移动量进行测量和标定。
本发明实施方式的步骤如下：
1)开启飞秒激光器，输出飞秒激光；
2)调节啁啾调控系统，使得飞秒激光携带有一定的正啁啾；
3)调节聚焦系统中凹透镜和凸透镜之间的距离，使带有正啁啾的飞秒激光紧聚焦于气腔中；
4)根据气压计读数，往气腔充入一定压强的氙气，带有正啁啾的飞秒激光在腔内电离氙气并产生等离子体，促进激光脉冲光谱整体向短波方向移动；
5)出射后经过准直透镜准直，准直透镜的焦距和位置根据聚焦系统进行调节；
6)利用光纤光谱仪采集频率转换后的飞秒激光信号，测量飞秒激光光谱移动量和对应的聚焦条件、氙气气压；
7)通过调节聚焦系统凹透镜和凸透镜之间的距离改变聚焦条件，并根据气压计读数改变氙气气压，使得飞秒激光的中心频率在一定范围内连续变化。
Claims (8)
1.一种全光学飞秒激光频率转换装置，其特征在于，包括：啁啾调控系统(1)，聚焦系统(2)和气腔(3)；
飞秒激光经所述啁啾调控系统(1)调整后具有一定的正啁啾，经所述聚焦系统(2)使带有正啁啾的飞秒激光紧聚焦于气腔(3)，所述气腔(3)充有惰性气体，在紧聚焦的飞秒激光作用下，发生电离并产生等离子体，使得飞秒脉冲的光谱整体移动，从而实现频率转换。
2.根据权利要求1所述的全光学飞秒激光频率转换装置，其特征在于，所述的啁啾调控系统(1)包括展宽装置和导出镜；所述/>展宽装置由光栅(6)、凸面镜(7)、凹面镜(8)和屋脊反射镜(9)组成，通过改变光栅(6)到凹面镜(8)的距离可以对飞秒激光脉冲的啁啾进行调节。
3.根据权利要求1所述的全光学飞秒激光频率转换装置，其特征在于，所述的聚焦系统(2)由凹透镜(12)和凸透镜(13)组成，通过调节两个透镜间的距离可以调整飞秒激光的聚焦条件，实现不同的聚焦光强。
4.根据权利要求1-3任一所述的全光学飞秒激光频率转换装置，其特征在于，还包括气压计(4)，用于测量所述气腔(3)中惰性气体的气压，为气压调节提供依据。
5.根据权利要求1-3任一所述的全光学飞秒激光频率转换装置，其特征在于，还包括准直透镜(5)，用于将频率转换后的飞秒激光进行准直输出。
6.一种全光学飞秒激光频率转换方法，其特征是，包括步骤：
步骤1、利用啁啾调控系统调节入射飞秒激光脉冲的啁啾特性，使其具有一定的正啁啾；
步骤2、利用聚焦光学使带有正啁啾的飞秒激光紧聚焦于气腔，在紧聚焦飞秒激光脉冲的作用下，使气腔内一定气压的惰性气体发生电离，产生等离子体；
通过控制聚焦条件、气体种类和气压，利用等离子体介质引入的含时相位变化，促使飞秒激光脉冲的光谱整体往短波方向移动，同时光谱的形状基本保持不变，从而实现飞秒激光频率转换。
7.根据权利要求6所述的全光学飞秒激光频率转换方法，其特征是，还包括：步骤3、利用光纤光谱仪(14)收集频率转换后飞秒激光信号，在紧聚焦条件下，对一定聚焦条件和惰性气体气压引起的光谱整体移动量进行标定；
通过标定光谱整体移动量和气压的关系，根据输入飞秒激光的能量和波长，通过调节聚焦条件和气压改变入射激光脉冲的中心频率。
8.根据权利要求6所述的全光学飞秒激光频率转换方法，其特征在于，对于不同波长、能量的飞秒脉冲，可以标定不同聚焦条件下和不同惰性气体气压下产生的光谱整体移动量；标定后根据输入脉冲的能量和波长，通过调节聚焦条件和气压可以实现不同程度的光谱移动，实现频率转换。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN118174117A true CN118174117A (zh) | 2024-06-11 |
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