CN1555112A

CN1555112A - 高精度飞秒激光同步技术及装置

Info

Publication number: CN1555112A
Application number: CNA2003101217760A
Authority: CN
Inventors: 魏志义; 田金荣; 赵玲慧; 张军; 王鹏; 韩海年; 张�杰
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: CN1284284C

Abstract

本发明公开了一种高精度飞秒激光同步技术，将待同步的两台飞秒激光器的增益介质与同步耦合介质分开，并使两台激光器各用其独立的增益介质，然后两台激光器的振荡光束通过在腔内相互交叉耦合在一块克尔介质中，借助产生的互相位调制效应(XPM，也称交叉相位调制效应)而实现同步，其中两台激光器各自的增益介质可以采用同种介质，也可采用不同种类的介质。还公开了一种同步装置，包括两个谐振腔和一个耦合腔，两个谐振腔中各自设置有一个增益晶体，耦合腔内设置有一个耦合晶体，两谐振腔中的振荡激光在耦合腔内的耦合晶体中交叠，产生互相位调制效应，从而实现同步。本发明同步装置结构紧凑小巧，锁模启动简单容易，同步稳定性好、精度高。

Description

高精度飞秒激光同步技术及装置

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光同步技术及装置。

背景技术

在激光技术研究中，超短脉冲激光作为人类所能控制的时间极限标志及其在微观世界揭示物质瞬态动力学的独特特性，一直是最热门的激光研究内容之一，其应用研究渗透到物理学、化学、生物学、通讯等学科的最前沿课题，并进而导致了许多新学科，如强场物理、飞秒化学、超高速大容量光通讯等学科的形成和发展。采用KLM(Kerr LensModelocking)技术的掺钛蓝宝石激光振荡器(文献1，D.E.Spence，P.N.Kean，W.Sibbert；Opt Lett.16 42(1991))，以其结构简单，稳定性好，输出脉冲脉宽窄等优点成为科学研究的有力工具，但在许多应用研究领域，如泵浦探测、激光成像、激光光谱学、光频标、激光脉冲的相干合成、阿秒激光的产生(1阿秒＝10^-18秒)、利用量子纠缠态的量子通讯等领域，往往需要可输出两束、甚至多束的相互同步的飞秒激光脉冲。因此，追求高同步精度的飞秒激光技术及实用器件装置，是具有重要意义的内容。

迄今为止实现飞秒激光同步的方式主要有主动同步和被动同步两种。主动同步采用两台独立的激光振荡器，依靠在振荡器外围的电子学设备实现两独立激光的同步。这种方式对激光的调节要求不高，但电子学设备比较复杂，通常同步精度较差，重复频率对应的时间抖动量为百飞秒量级。被动同步是利用两飞秒激光在克尔(Kerr)介质中的互相位调制(XPM)效应实现同步的技术，通常的结构是采用一块增益介质作为两台飞秒振荡器的共同增益，使其兼具振荡和耦合的功能，具有同步精度高、结构简单的优点。但正是由于采用了同一块介质，两台激光器共用同样的增益，因此存在着增益竞争效应，从而导致激光稳定性差，同步可靠性低，激光调节复杂等问题(文献2.M.R.X.de Barros and P.C.Becker：Opt.Lett.18，631(1993)，文献2.A.Leitenstorfer，C.Furst，and A.Laubereau，Opt.Lett.20 916，(1995))。由于这一原因，虽然被动同步技术研究曾热门一时，但国际上一直未推出相应的实用化产品。

目前能作为商用同步飞秒激光的产品器件均采用的是主动同步方式，如前所述，这种技术主要依赖在振荡器腔外采用电路反馈系统稳定两激光腔长而实现振荡器之间的同步锁定，但其同步精度较被动同步的方式通常低一至两个量级。例如瑞士TimeBandwidth公司(文献4 http：//www.timebandwidth.com/)采用了CLX-1100型时钟同步器的飞秒激光的同步精度为500fs，美国光谱物理公司(文献5 http：//www.splasers.com/)的Lok-to-Clock同步器的精度也为500fs，结果最好的是美国相干公司(文献6，http：//www.coherentinc.com/)采用型号为Synchro-Lock 900同步器的飞秒激光同步精度可达55fs。而具有高同步精度的被动同步飞秒激光器的产品仍是空白。

发明内容

针对现有被动同步飞秒激光技术存在的技术障碍，本发明的目的是提供一种全新的被动同步技术，利用该技术能够避免两台激光器之间产生增益竞争效应，以保证激光同步的稳定性和可靠性；本发明的另一个目的是提供一种应用本发明被动同步技术的飞秒激光同步装置。

本发明目的是这样实现的：

一种高精度飞秒激光同步技术，将待同步的两台飞秒激光器的增益介质与同步耦合介质分开，并使两台激光器各用其独立的增益介质，然后两台激光器的振荡光束通过在腔内相互交叉耦合在一块克尔介质中，借助产生的互相位调制效应(XPM，也称交叉相位调制效应)而实现同步，其中两台激光器各自的增益介质可以采用同种介质，也可采用不同种类的介质。

基于本发明同步技术的一种高精度飞秒激光同步装置，包括两个谐振腔和一个耦合腔，两个谐振腔中各自设置有一个增益晶体，耦合腔内设置有一个耦合晶体，两谐振腔中的振荡激光在耦合腔内的耦合晶体中交叠，产生互相位调制效应，从而实现同步；另外，还包括两个分别与两谐振腔相对应的平面输出镜，上述谐振腔和耦合腔中的各组成器件及所述的平面输出镜均安装在一底板上。

进一步地，所述谐振腔包括一个聚焦透镜，一个激光增益晶体，前后两个平凹全反镜，前后两个小角度宽带平面全反镜，前后两个石英棱镜；所述耦合腔包括一个激光耦合晶体，两对对飞秒振荡激光宽带全反的介质膜平凹全反镜(半圆形镜)；所述耦合腔中的两对介质膜平凹全反镜分别与一个谐振腔相匹配。

进一步地，所述底板的尺寸为800×400mm，所述聚焦透镜(1、2)的焦距为10cm，所述增益晶体及耦合晶体均为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸均为4×4×4mm；所述前后平凹全反镜(5、6、7、8)均由K9玻璃制成，其曲率半径为100mm，口径为12.7mm，厚度为4mm，其中前平凹全反镜(5、7)的凹面镀有对532nm增透及700-900nm波段全反的双色介质膜，背面镀有532nm泵浦光的增透膜，后平凹全反镜(6、8)的凹面镀有对700-900nm波段全反的宽带介质膜；所述前后小角度宽带平面全反镜(9、10、11、12)均为厚度4mm的K9玻璃基片，镀有3-10°入射角下对700-900nm波段全反的宽带介质膜；所述平面输出镜(13、14)为厚度4mm的熔石英基片，镀有垂直入射下在700-900nm波段内透过率为10％-20％的介质膜；所述前后棱镜(15、16、17、18)均为布儒斯特角切割的石英棱镜，棱镜对间的相对距离约为80cm；所述介质膜平凹全反镜(20、21、22、23)均为镀有对700-900nm波长宽带全反介质膜的半圆形镜。

进一步地，所述平面输出镜(13、14)为平面全反镜，其基片为厚度4mm的K9玻璃，镀有垂直入射对700-900nm全反的宽带介质膜；所述后小角度宽带平面全反镜(11、12)为垂直入射的宽带平面输出镜，其基片厚度为4mm的熔石英，镀有垂直入射下在700-900nm波段内透过率为10％-20％的介质膜。

进一步地，所述耦合腔中的两对对飞秒振荡激光宽带全反的介质膜平凹全反镜共焦设置，其曲率均为100mm。

进一步地，所述耦合腔中的克尔介质，即所述的激光耦合晶体可以呈布儒斯特角放置，也可以镀增透膜垂直放置，材料可以是钛宝石等激光晶体，也可以是石英或BBO等具有较强克尔效应的介质。

本发明所提出并采用的新型被动同步飞秒激光技术与主动同步技术相比，不仅无须复杂的电子学设备，而且同步精度也比主动同步方式高一至两个量级。此外与传统的被动同步技术相比，由于本发明增益介质与耦合介质是分开的，因此完全避免了增益竞争效应及两单独激光之间的相互影响，从而使得激光系统的稳定性及同步的可靠性得以大大增强。特别是，本发明的思想原理及技术可以扩展到其它不同增益介质的飞秒激光的高精度同步中，也可以用来同步两台以上的多台飞秒激光器的同步。归结起来，本发明的主要特点有：

1.是同步飞秒激光的创新方案，填补了国际上无被动同步激光商用产品器件的空白。

2.同步精度高，可小于1fs，是迄今同步精度最高的技术方案和实用产品。

3.每路激光的输出脉冲不仅脉宽窄，而且可调(脉宽30～70fs)。优于现有其它方案及产品的输出结果。

4.由于本发明采用棱镜作为色散补偿元件，所输出的两路激光可单独调谐，仅用一组激光腔镜可得到波长从740nm～860nm的调谐输出。

5.单路的输出平均功率可达1.4W，是目前所见同步激光中平均功率最大的结果。

6.本发明的整体结构小巧紧凑，体积仅约800×400×200mm，与目前所见的同步飞秒激光产品和系统相比，体积最小。

7.本发明不需要主动同步所需要的复杂的电子学设备，因此成本低廉、易于重复生产组装。

8.本发明采用独立振荡器耦合的设计，因此两路锁模激光各享增益，互不干扰，避免了传统被动同步方案的增益竞争效应，因而具有较高的系统稳定性。

由于同步飞秒激光在泵浦探测、量子通讯、高精密光学频率梳、红外飞秒激光脉冲的产生等前沿领域的重要应用，因此本发明将为上述众多的学科提供新型的高精度高稳定研究手段，具有重要的学术应用性和一定的经济效益。

附图说明

图1为本发明原理结构图；

图2为本发明同步输出后数字示波器上显示的稳定波形；

图3为本发明的具体安装结构示意图；

图4采用强度相关方法测得的互相关波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

实施例1：

如图3所示，其中各元件与图1相对应，全部安装在尺寸为800×400mm的底板上，元件选择的具体参数及安装要求如下：

将聚焦透镜1、2置于可调节升降及左右位置的调节架上，并将调节架置于40×40mm的平移台上，平凹全反镜5、7位于两维可调的微调架上，而另一平凹全反镜6、8位于两维可调的微调架及40×40mm的平移台上。激光晶体3、4位于可调节俯仰及角度的晶体调节架及水平旋转台上，调节架的两端用橡皮管接入水冷循环，旋转晶体以布儒斯特角分别放置在平凹全反镜5、6、7、8的共同焦点上。调节聚焦透镜1、2的位置保证泵浦激光刚好聚焦于晶体3、4中心，将平面全反镜9、10、11、12及平面输出镜13、14分别置于两维可调的微调架上。平面全反镜9、10用于调节振荡器长臂端长度为110cm。平面全反镜12放置于40×40mm垂直调节、水平移动的平移台上，其测微头延伸至激光振荡器上盖外。平凹全反镜20、21、22、23放置于两维可调的微调架及40×40mm平移台上，且20与21、22与23比较靠近。耦合晶体钛宝石19位于平凹全反镜20、21、22、23共同的焦点处，且放置于可调节角度的水平旋转台及40×40mm的平移台上。使平凹全反镜5和6、7和8的相对距离为10～11cm。

四个顶角为69°的石英棱镜15、16、17、18布儒斯特角放置，并将此石英棱镜对置于可调节俯仰及角度的调节架及平移台上，其中棱镜17、18的平移台选为垂直调节、水平移动的设计，其测微头延伸至激光震荡器上盖外，以便于在不打开器件外壳的情况下，可以仅通过转动测微头而实现锁模的启动及脉宽、光谱调节。改变长臂端石英棱镜对15、18和16、17的插入量即可改变激光的输出脉宽和光谱。

调节平面全反镜11、12和平面输出镜13、14，使入射光线沿原路返回，可实现钛宝石激光的连续振荡。进一步优化平凹全反镜6、8在钛宝石晶体3、4中的聚焦位置，并优化耦合腔镜20、21、22、23的位置，可以实现锁模运转。激光从连续到锁模的跳跃可借助于棱镜17、18的横向移动来实现。

在实现锁模的基础上，调节耦合腔镜20、21、22、23使两束激光在晶体19内充分交叠，并重新优化锁模，可以产生较强的互相位调制，增强同步的稳定性。调节过程中确保使两激光谐振腔的腔长差＜1cm。通过平移台微调平面全反镜12的位置可以实现同步的飞秒脉冲输出。整个激光振荡光路距底板的高度为6cm。

将两路锁模激光脉冲的信号衰减后入射到光电二极管，再将光电二极管产生的信号输入示波器观察示波器上的锁模波形。在触发状态下，可以看到两路波形一路稳定，另外一路漂移。微调平面全反镜12的位置，当示波器上显示如图2所示两路稳定的波形时，激光器即实现了同步，这时即使在一定的范围内微调腔长，示波器的同步波形也维持不变。

实施例2：

各元件的具体参数及安装如实施例1。但采用13、14为平面全反镜，取口径25.4mm，厚度4mm的K9玻璃基片，镀有垂直入射下对700～900nm全反的宽带介质膜；采用11、12为平面输出镜，取口径25.4mm，厚度4mm的熔石英基片，镀有垂直入射下在750～850nm波段内透过率为10％-20％的介质膜。

实施例3：

各元件的具体参数及安装如实施例1。但耦合晶体19采用厚度5mm布鲁儒斯特角切割的石英晶体。

实施例4：

各元件的具体参数及安装如实施例1。但平面反射镜12与二维调节镜架通过压电陶瓷连接，利用外接直流电源驱动压电陶瓷平移平面反射镜12。

实施例5：

各元件的具体参数及安装如实施例1。但钛宝石晶体3、4可分别或同时更换为5×5×10mm布鲁儒斯特角切割的钛宝石晶体。

Claims

1.一种高精度飞秒激光同步技术，将待同步的两台飞秒激光器的增益介质与同步耦合介质分开，并使两台激光器各用其独立的增益介质，然后两台激光器的振荡光束通过在腔内相互交叉耦合在一块克尔介质中，借助产生的互相位调制效应(XPM，也称交叉相位调制效应)而实现同步，其中两台激光器各自的增益介质可以采用同种介质，也可采用不同种类的介质。

2.基于权利要求1所述的高精度飞秒激光同步技术的高精度飞秒激光同步装置，其特征在于，包括两个谐振腔和一个耦合腔，两个谐振腔中各自设置有一个增益晶体，耦合腔内设置有一个耦合晶体，两谐振腔中的振荡激光在耦合腔内的耦合晶体中交叠，产生互相位调制效应，从而实现同步；另外，还包括两个分别与两谐振腔相对应的平面输出镜，上述谐振腔和耦合腔中的各组成器件及所述的平面输出镜均安装在一底板上。

3.如权利要求2所述的高精度飞秒激光同步装置，其特征在于，所述谐振腔包括一个聚焦透镜，一个激光增益晶体，前后两个平凹全反镜，前后两个小角度宽带平面全反镜，前后两个石英棱镜；所述耦合腔包括一个激光耦合晶体，两对对飞秒振荡激光宽带全反的介质膜平凹全反镜(半圆形镜)；所述耦合腔中的两对介质膜平凹全反镜分别与一个谐振腔相匹配。

4.如权利要求1或2所述的高精度飞秒激光同步装置，其特征在于，所述底板的尺寸为800×400mm，所述聚焦透镜(1、2)的焦距为10cm，所述增益晶体及耦合晶体均为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸均为4×4×4mm；所述前后平凹全反镜(5、6、7、8)均由K9玻璃制成，其曲率半径为100mm，口径为12.7mm，厚度为4mm，其中前平凹全反镜(5、7)的凹面镀有对532nm增透及700-900nm波段全反的双色介质膜，背面镀有532nm泵浦光的增透膜，后平凹全反镜(6、8)的凹面镀有对700-900nm波段全反的宽带介质膜；所述前后小角度宽带平面全反镜(9、10、11、12)均为厚度4mm的K9玻璃基片，镀有3-10°入射角下对700-900nm波段全反的宽带介质膜；所述平面输出镜(13、14)为厚度4mm的熔石英基片，镀有垂直入射下在700-900nm波段内透过率为10％-20％的介质膜；所述前后棱镜(15、16、17、18)均为布儒斯特角切割的石英棱镜，棱镜对间的相对距离约为80cm；所述介质膜平凹全反镜(20、21、22、23)均为镀有对700-900nm波长宽带全反介质膜的半圆形镜。

5.如权利要求1或2所述的高精度飞秒激光同步装置，其特征在于，所述平面输出镜(13、14)为平面全反镜，其基片为厚度4mm的K9玻璃，镀有垂直入射对700-900nm全反的宽带介质膜；所述后小角度宽带平面全反镜(11、12)为垂直入射的宽带平面输出镜，其基片厚度为4mm的熔石英，镀有垂直入射下在700-900nm波段内透过率为10％-20％的介质膜。

6.如权利要求1或2所述的高精度飞秒激光同步装置，其特征在于，所述耦合腔中的两对对飞秒振荡激光宽带全反的介质膜平凹全反镜共焦设置，其曲率均为100mm。

7.如权利要求1或2所述的高精度飞秒激光同步装置，其特征在于，所述耦合腔中的克尔介质，即所述的激光耦合晶体可以呈布儒斯特放置，也可以镀增透膜垂直放置，材料可以是钛宝石等激光晶体，也可以是石英或BBO等具有较强克尔效应的介质。