CN1322369C - 脉宽可调的超短脉冲压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种脉宽可调的超短脉冲压缩装置，包括一超短激光脉冲光源，沿该超短激光脉冲光源所发出的超短脉冲激光前进方向依次是能量衰减器、聚焦透镜、固定于光学滑轨的滑块上的非线性固体材料和镀银凹面反射镜构成，所述的镀银凹面反射镜与聚焦透镜处于同一高度，其间距为二者焦距之和，所述的非线性固体材料置于聚焦透镜的几何焦点之后。本发明装置不仅可以压缩飞秒激光脉冲的脉冲宽度，而且输出脉宽可调谐，对线偏振和圆偏振入射激光均适用，装置简单，操作方便，适用范围广泛。

Description

脉宽可调的超短脉冲压缩装置

技术领域：

本发明涉及超短脉冲激光，特别是一种脉宽可调的超短激光脉冲压缩装置，主要适用于微焦至百毫焦量级，中心波长800nm，线偏振或圆偏振方向的飞秒激光脉冲的时域脉冲宽度的压缩，输出脉冲宽度可调谐，应用于高强度超快激光技术及物理研究领域。

背景技术

在过去的几十年中，飞秒激光的产生和应用取得了长足的进展，随着掺钛蓝宝石(Ti:sapphire)锁模激光器及啁啾脉冲放大(CPA)的出现，通过台式设备获得超强超短激光脉冲成为可能。超强超短激光脉冲是许多基础研究中的重要工具，在激光物理研究领域有着不可替代的作用，比如高次谐波，等离子体通道，阿秒脉冲的产生等都需要高强度的超短激光脉冲作为光源。虽然掺钛蓝宝石激光振荡器直接输出的脉冲可短至5fs，但是放大系统中的增益窄化效应使得放大后的脉冲宽度往往在20fs以上。而外腔压缩技术是一种获得更短脉冲的有效手段，到目前为止，外腔压缩技术基本上都是基于以下原理：通过非线性介质中的自相位调制(SPM)效应展宽光谱，然后经过精确设计的色散延迟线补偿频谱中的频率啁啾，从而达到压缩脉冲宽度的目的。

最初人们利用单模熔融石英光纤作为光谱展宽介质，但是由于熔融石英材料的破坏阈值较低，这种技术适用的入射脉冲能量限制在nJ量级。后来，M.Nisoli等人利用充惰性气体的空心光纤作为非线性介质，因为惰性气体的电离阈值较高，可用于压缩mJ量级的激光脉冲，也已经相当成熟。在最近的报导中，人们利用这种技术已获得4fs的周期量级超短脉冲。然而，对于实际的激光物理研究应用，这种技术还存在局限性，首先，惰性气体的电离阈值使得入射脉冲能量限制在mJ量级；其次，充气空心光纤需要高压气体密封装置，而且要求空心光纤不能弯曲，装置复杂，技术难度较大。另一方面的局限性则来自于色散补偿阶段；目前实验中使用的色散补偿元件主要有传统的光栅对、棱镜对，以及近些年发展起来的啁啾介质镜、声光调制器(AOM)、可变形镜和液晶光阀(SLM)。为了精确补偿光谱中的频率啁啾，色散延迟线需要精心设计，这使得压缩过程比较复杂。此外，相对传统元件，后几种色散补偿元件的相位补偿效果要好，但是这些元件要么获得比较困难，成本高，要么需要与相位测量仪器比如频率分辩光学阀(Frequency-ResolvedOptical Gating，简写为FROG)和频谱干涉直接重组脉冲电场仪器(Spectral Phase Interferomtry for Direct Electrical Reconstruction，简写为SPIDER)组成反馈回路，以达到色散补偿的目的。这更大大增加了系统的成本和难度。另外一个明显的不足是其系统效率较低。以上几个因素使得充惰性气体空心光纤——自适应光学色散补偿脉冲压缩技术还处于实验阶段，尚不能作为超短激光光源用于实际的物理研究中。典型的光路布置参见图1。从激光放大器1输出的激光脉冲经衰减器4(一般由半波片和偏振片组成)后，由薄透镜3聚焦耦合到充惰性气体空心光纤8中，输出的光束经镀银凹面镜10准直成平行光束，再由镀银平面反射镜9和5引入到液晶光阀11中进行相位调制，用分束片7将从液晶光阀11输出的光束，分一小部分经过平面反射镜6引到位相测量仪器2(FROG或SPIDER)，进行位相测量，测量结果反馈到液晶光阀11，组成自适应光学反馈回路，最终输出经过色散补偿后的压缩脉冲。

块体材料外腔压缩是另一种吸引人的获得超短激光脉冲的方法。这种方法的优越性在于对入射脉冲能量基本没有限制，适用于压缩更高能量(百mJ量级)的激光脉冲。目前为止已有一些相关的实验报导，但其基本原理仍然是基于光谱展宽和相应的色散补偿。典型的光路布置与图1类似，只是把充惰性气体空心光纤8换为固体材料并置于透镜焦点前一段距离。

发明内容

在继承上述块体材料外腔压缩技术适用于压缩百毫焦量级激光脉冲的同时，相对于上述在先技术中所存在的不足，本发明提供一种简单实用，脉宽可调的超短激光脉冲压缩装置，它利用高功率飞秒激光脉冲在固体材料中的自压缩效应，同时展宽光谱并压缩时域脉冲宽度，而不需要另外精心设计色散延迟线来补偿脉冲在非线性材料中传输时带来的频率啁啾。

本发明的技术解决方案如下：

一种脉宽可调的超短脉冲压缩装置，包括一超短激光脉冲光源，沿该超短激光脉冲光源所发出的超短激光脉冲前进方向依次是能量衰减器、聚焦透镜、固定于光学滑轨的滑块上的非线性固体材料BK7玻璃和镀银凹面反射镜构成，所述的镀银凹面反射镜与聚焦透镜处于同一高度，其间距为二者焦距之和，所述的非线性固体材料BK7玻璃置于聚焦透镜的几何焦点之后。

所述聚焦透镜的焦距为1～2m。

所述聚焦透镜和非线性固体材料BK7玻璃之间设有多个反射镜，以改变光路方向。

所述的能量衰减器由一个二分之一波片和一个偏振片构成，以连续调节入射脉冲能量大小。

所述的镀银凹面反射镜之后还设有镀银平面反射镜。

所述的非线性固体材料BK7玻璃置于所述聚焦透镜的几何焦点之后5-10mm。

本发明的超短脉冲压缩基本原理是：超短激光脉冲在正色散材料中的自聚焦过程中的时空耦合会造成脉冲宽度压缩，其决定作用体现在描述脉冲在非线性材料中传输的非线性薛定谔方程的空间衍射项，方程如下式：

$\frac{\∂A}{\∂z}-\frac{i}{2k}{{\▿}_{\⊥}}^{2}A+i\frac{{\mathrm{\β}}_2}{2}\frac{{\∂}^{2}A}{\∂{\mathrm{\τ}}^2}=i\frac{n_2{n}_0\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}{\left|A\right|}^{2}A$

其中算子_⊥ ²即表示空间衍射项。

与先技术相比，本发明具有以下显著的特点：

(1)利用高能量超短激光脉冲在正色散固体介质中传输过程中的SPM和自聚焦效应同时达到展宽光谱和压缩时域脉冲宽度的目的，装置简单，容易搭建，操作方便。而在先技术基本上都是分展宽光谱和色散补偿两个步骤完成，其中为精确补偿展宽光谱时带来的频率啁啾，需精确设计色散延迟线，这大大增加了实验成本和所需的操作技能。

(2)在确定入射脉冲能量情况下，只需移动玻璃材料在光路中的位置即可改变系统的压缩因子，达到调谐出射脉冲宽度的目的。而在先技术对于确定的入射脉冲参数，出射脉冲参数亦被确定。

(3)因为无需另外的色散补偿步骤，脉冲压缩系统效率高达85％以上，这是在先技术无法比拟的，在先技术系统的压缩效率通常在50％以下。

(4)将玻璃材料放在透镜焦点之后，相对于在先技术中放在焦点之前，光束模式得到了很大的改善，大大减小了出射光束的空间啁啾，而在先技术中将玻璃材料放于聚焦透镜焦点之前，然后为了减小出射光束的空间啁啾在透镜焦点处放置针孔空间滤波器，这样造成了很大的能量损失。

(5)对于线偏振和圆偏振入射脉冲均适用，而一些在先技术的色散补偿元件仅适用于线偏振光。

附图说明

图1为在先的超短脉冲压缩技术实验装置示意图。

图2为本发明的脉宽可调超短激光脉冲压缩装置示意图。

图3为本发明中将固体非线性材料放于聚焦透镜焦点之后光束在非线性材料前(a)后(b)空间模式的改善对比图。

图4为使用本发明的脉宽可调谐高能量超短激光脉冲压缩装置，非线性材料放于不同位置时得到的压缩脉冲时域形状，频谱及频域相位图形与原始激光脉冲相应图形比较。

图5为使用本发明的脉宽可调谐高能量超短激光脉冲压缩装置，入射脉冲在圆偏振状态下所得的压缩脉冲时域形状，频谱及频域相位图形。

具体实施

先请参阅图2，图2为本发明的脉宽可调超短激光脉冲压缩装置实施例示意图。由图可见，本发明脉宽可调的超短脉冲压缩装置的构成，包括一超短激光脉冲光源1，沿该超短激光脉冲光源1所发出的超短激光脉冲前进方向依次是能量衰减器2、聚焦透镜5、固定于光学滑轨6的滑块上的玻璃3和镀银凹面反射镜4构成，所述的镀银凹面反射镜4与聚焦透镜5处于同一高度，其间距为二者焦距之和，所述的玻璃3置于聚焦透镜5的几何焦点之后5-10mm。在所述聚焦透镜5和非线性固体材料3之间设有两个45°反射镜9和10，以改变光路方向，缩小装置的空间。在所述的镀银凹面反射镜4之后还设有镀银平面反射镜7，以改变光路方向。

玻璃3作为非线材料固定于光学滑轨6的滑块上，放于透镜的几何焦点之后一段距离，可在平行于光路的方向上前后移动；镀银凹面反射镜4与聚焦透镜5同一高度，间距约为两者焦距之和，用于准直聚焦光束；光束经过非线性材料3以后光谱会展的很宽，用镀银光学元件不会带来带宽限制。

本发明中，因为是利用BK7玻璃作为非线性材料3，并利用光束在材料中的自聚焦效应压缩脉宽，所以入射脉冲的功率需大于BK7玻璃的自聚焦阈值功率约1.8MW，也就是说本发明适用于压缩较高能量飞秒激光脉冲。另外，聚焦透镜5的焦距一般在1～2m，不必限定于某一确定值。为了在材料中保证足够强的非线性效应，入射脉冲强度一般在10¹¹W/cm²量级，所以当待压缩脉冲功率较低时为了达到较大功率密度需选用焦距较短的透镜。对于mJ量级的入射脉冲，BK7玻璃材料厚度一般选择3mm，再大能量的脉冲可选择稍薄的材料。玻璃材料固定于二维光学调整架上，光束与材料入射面垂直，二维调整架与一维光学滑轨连接。为了有足够的活动范围，滑轨长度一般在200mm左右。此外要求滑轨上的滑块在选定位置后可固定，以避免在实验中带来不确定因素。

上述脉宽可调谐超短激光脉冲压缩装置的具体使用步骤如下：(1)首先调整超短激光脉冲光源1输出的光束使其平行于光学平台表面。(2)调节能量衰减器2使入射脉冲能量到所需大小。(3)将聚焦透镜5安放在精密xz二维平移调整架上，同时镜片架可二维角度调整，然后放置于光路中，并按传统方法将透镜入射面调整至与光束垂直。(4)沿光束方向距聚焦透镜5一段距离放置镀银凹面反射镜4，聚焦透镜5与镀银凹面反射镜4之间的间距约为两者的焦距之和。因为光束在玻璃3中有一定的自聚焦作用，所以凹面反射镜4可稍微向远离聚焦透镜5的方向移动一些，约2～3cm。镀银凹面反射镜4需装在五维光学精密调整架上，包括三维平动和两维角动。聚焦光束经镀银凹面反射镜4准直为平行光束。(5)为了安装方便，BK7玻璃3作为非线性材料加工成圆片状，可安装在普通光学镜架上，为了便于调整材料的位置和角度，需与xz型二维平动光学调整架组合，然后固定在光学滑轨6的滑块上。如上所述，使滑轨6平行于光束方向固定在光学平台上，然后调整调节光学调整架使得光束与玻璃材料的入射面垂直。(6)移动滑块调节玻璃3的位置，相当于改变入射光功率密度，光功率密度足够大时，玻璃3会出现超连续谱产生，可观察到彩色的锥形辐射环，表明激光在玻璃中产生了一定量的等离子体；这时将玻璃向远离移动一小段距离，约5～10mm，一般来说这个位置就是获得最窄压缩脉冲的最佳位置。为了避免等离子体对脉冲的影响，调节xz二维平移调整架改变光束在玻璃材料表面的入射点。(7)经镀银凹面镜4准直后的光束再经镀银平面反射镜7改变光束方向，即可作为输出光输出。(9)改变玻璃材料3距离聚焦透镜5的几何焦点间距的大小，输出脉冲的时域宽度就会改变，远离焦点的位置压缩因子变小，即输出脉宽变宽。此外，如果玻璃3的位置不变，而改变入射脉冲能量，压缩因子也会随之改变。

需要说明的一点是，因为空气中存在实焦点，所以当脉冲能量很大(＞10mJ)时，有可能会造成焦点附近的空气电离，从而影响到脉冲的时域和频域特性，为了避免这一影响因素，此时需要将焦点置于真空中。然而，当入射脉冲能量不是很大(mJ量级)时，但峰值功率大于空气的自聚焦阈值功率时，光束在聚焦透镜5焦点附近空气中自聚焦作用也会使脉冲宽度有一定量的压缩，而不影响脉冲包络形状。由于玻璃3在焦点之后，这样相当于入射到材料上的脉冲宽度比初始脉冲更窄，可获得近2.5倍的压缩因子。

具体实施例：应用如图2所示的装置，超短激光脉冲光源1为光谱物理公司生产的型号为Spitfire--50fs的激光放大器，输出脉冲宽度～50fs，中心波长800nm，光谱宽度约21nm，重复频率1kHz，M²因子约为1.3，经能量衰减器2使得入射脉冲能量为0.2mJ。非线性材料3选用3mm厚的BK7玻璃片，固定在行程为200mm的光学精密滑轨6上，然后置于聚焦透镜5焦点之后。透镜焦距为1m，镀银凹面反射镜4焦距为0.5m，距聚焦透镜5约1.5m。对于从图2所示的脉冲压缩装置中输出的脉冲，用SPIDER可同时测量其时域形状及频域相位，采用光栅光谱仪测量输出脉冲光谱。改变玻璃片3在光路中的位置可获得不同脉宽的输出脉冲，以下给出几组实验结果。在线偏振光入射条件下，当玻璃材料3放于聚焦透镜5几何焦点后160mm处时，获得＞0.18mJ，25fs的脉冲输出(图4b-b1)；材料放于聚焦透镜5几何焦点后195mm处时，获得＞0.18mJ，31fs的脉冲输出(图4c-c1)。在圆偏振光入射条件下，当玻璃材料3放于聚焦透镜5几何焦点后135mm处时，获得＞0.18mJ，19fs的脉冲输出，如图5所示，压缩因子约为2.5。无论在线偏振还是圆偏振情况下，输出脉冲偏振态不发生改变。图中强度为归一化单位(a.u.)，τ_FWHM代表输出脉冲的半极大全宽度，单位为飞秒(fs)，相位单位为弧度(rad)。

Claims (6)

1、一种脉宽可调的超短脉冲压缩装置，包括一超短激光脉冲光源(1)，沿该超短激光脉冲光源(1)所发出的超短脉冲激光前进方向依次是能量衰减器(2)、聚焦透镜(5)、固定于光学滑轨(6)的滑块上的BK7玻璃(3)和镀银凹面反射镜(4)构成，所述的镀银凹面反射镜(4)与聚焦透镜(5)处于同一高度，其间距为二者焦距之和，所述的BK7玻璃(3)置于聚焦透镜(5)的几何焦点之后。

2、根据权利要求1所述的脉宽可调的超短脉冲压缩装置，其特征是在所述聚焦透镜(5)的焦距为1～2m。

3、根据权利要求1所述的脉宽可调的超短脉冲压缩装置，其特征是在所述聚焦透镜(5)和BK7玻璃(3)之间设有多个反射镜，以改变光路方向。

4、根据权利要求1所述的脉宽可调的超短脉冲压缩装置，其特征是在所述的能量衰减器(2)由一个二分之一波片和一个偏振片构成，以连续调节入射脉冲能量大小。

5、根据权利要求1所述的脉宽可调的超短脉冲压缩装置，其特征是在所述的镀银凹面反射镜(4)之后还设有镀银平面反射镜(7)。

6、根据权利要求1所述的脉宽可调的超短脉冲压缩装置，其特征在于所述的BK7玻璃(3)置于所述聚焦透镜(5)的几何焦点之后5-10mm。