WO2018045898A1 - 一种超连续相干光源 - Google Patents

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Abstract

一种超连续相干光源，包括激光产生装置（1），用于产生激光脉冲，激光脉冲束腰处的峰值光功率密度为0.47-0.94×10 13W/cm 2；以及固体薄片组（4），用于将激光脉冲进行光谱展宽以产生超连续光谱。超连续相干光源的效率高达87％，光谱展宽超过一个倍频程。

Description

一种超连续相干光源 技术领域
本发明属于光物理技术领域，尤其涉及一种基于薄片固体材料的超连续相干光源。
背景技术
超连续超宽谱相干光源，尤其是光谱宽度达到或超过一个倍频程的光源，广泛应用于多个领域，包括压缩产生少周期至单周期飞秒脉冲、飞秒激光载波包络相位的测量和锁定、驱动产生气体靶中的高次谐波和阿秒激光脉冲、可调谐光源、激光光谱学等。
目前，最常用的产生超连续超宽谱相干光的方法是利用充气空芯光纤展宽光谱，并利用尖劈对及啁啾镜组来压缩脉冲。该方法所得到的光束质量好，光谱展宽效果明显，但是，它的一个致命缺陷是空芯光纤的芯径不能太大，大孔径的光纤由于失去了波导效应，输出的光斑形状就会变差。然而，芯径不能太大就意味着空芯光纤所能接受的输入脉冲能量不能超过某个阈值。此外，由于光纤芯径是亚毫米级，对入射光的指向稳定性要求非常高，入射光的方向稍有偏差或抖动，就会强烈影响输出脉冲的光谱和能量，以及输出的光斑质量。最后，充气空芯光纤的透过效率一般只能达到50％，能量损失比较大。为此，有必要发展新的方法来产生高能量的超连续超宽谱相干光。
近年来，人们发现可以采用固体材料来代替充气空芯光纤实现超连续超宽谱相干光源。但是，现有利用固体材料产生的达到或超过一个倍频程的超宽连续谱相干光源的输出能量仍然非常低，只有不到0.1mJ，效率非常低。而高输出能量的此类光源有更广泛的应用。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种超连续相干光源，包括：
激光产生装置，用于产生激光脉冲，所述激光脉冲束腰处的峰值光功 率密度为0.47-0.94×1013W/cm2；以及
固体薄片组，用于将所述激光脉冲进行光谱展宽以产生超连续光谱。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述激光产生装置包括飞秒激光器和光束整形单元，所述光束整形单元用于调节所述飞秒激光器产生的激光脉冲的峰值光功率密度，所述飞秒激光器优选地为钛宝石飞秒激光器。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述固体薄片组包含N片固体薄片，其中N≥5。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述固体薄片的材料为熔融石英、氟化钙、钇铝石榴石、白宝石或碳化硅。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述固体薄片的厚度为10～500微米。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述固体薄片组中的第一片固体薄片置于所述激光脉冲的束腰之前，第二至第N片固体薄片构成准周期结构。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述固体薄片组包含7片固体薄片。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述激光脉冲的束腰处的峰值功率密度为0.94×1013W/cm2，第一片固体薄片至第7片固体薄片的相邻两片固体薄片的间距依次为20cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述激光脉冲的束腰处的峰值功率密度为0.69×1013W/cm2，第一片固体薄片至第7片固体薄片的相邻两片固体薄片的间距依次为5.5cm、4cm、3cm、3cm、2cm和2cm。
根据本发明的超连续相干光源，优选地，所述激光脉冲的束腰处的峰值功率密度为0.47×1013W/cm2，，第一片固体薄片至第7片固体薄片的相邻两片固体薄片的间距依次为12cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。
本发明还提供了一种产生超连续相干光谱的方法，包括如下步骤：
步骤一：采用激光产生装置产生激光脉冲，所述激光脉冲束腰处的峰值光功率密度为0.47-0.94×1013W/cm2；
步骤二：采用固体薄片组将所述激光脉冲进行光谱展宽以产生超连续光谱。
与现有技术相比，本发明的超连续相干光源采用飞秒激光源和固体薄 片组，适当地调节飞秒激光源的光输出功率密度以及固体薄片组的位置和间距，能够以更高的功率和更高的效率实现超连续光谱，光谱展宽达到一个倍频程。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是根据本发明实施例的基于薄片固体材料的超连续相干光源的光路示意图；
图2示出根据本发明实施例的从固体薄片组输出的超连续光谱曲线；
图3示出根据本发明实施例的使用TG-FROG测量得到的光谱及光谱相位曲线；
图4示出根据本发明实施例的使用TG-FROG测量得到的脉冲宽度曲线。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。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。
第一实施例
参照图1所示的根据本发明的基于薄片固体材料的超连续相干光源的光路示意图。本发明的超连续相干光源包括：
钛宝石飞秒激光器1，型号为FEMTOPOWER COMPACT PRO，用于产生中心波长为790nm、脉冲宽度为30fs左右、重复频率为1kHz、单脉冲能量为0.8mJ、直径为12mm的准直激光束；
光学望远镜单元(缩束系统)2，用于对飞秒激光束进行缩束，缩束比为3:1；
光学聚焦单元(凸透镜)3，焦距为f＝2000mm，缩束后的飞秒激光束经光学聚焦单元3聚焦后得到的束腰直径为约600μm，焦点处的峰值功率密度为约0.94×1013W/cm2；
固体薄片组4，包含7片厚度为0.1mm的熔融石英片，用于产生超连续光谱。聚焦后的飞秒激光束直接注入固体薄片组4中，由于自相位调制 效应，光谱会展宽。熔融石英薄片优选地按照布鲁斯特角摆放，以减少界面反射损失。相对于没有放置薄片组时激光束的焦点位置，第一片熔融石英片位于焦点前31cm处，其余每片与前一片的距离分别为20、8.5、4.5、5、5、5cm。因此后6片熔融石英片构成了一个准周期结构，其中后5片几乎是严格的周期结构。同时，在前4片上的光斑直径大约为400μm；在第5、6和7片上逐渐增大至500、600和800μm。这样的光束发散度远小于不放置薄片组时的光束。因此这7片熔石英片也构成了一个准波导结构。如此设置的目的是在获得最强光谱展宽效果的同时，避免由于光束过度自聚焦导致在薄片以及空气中发生成丝和在薄片中的介质损伤，同时降低由多光子过程导致的能量损失。经过固体薄片组4之后，得到0.7mJ脉冲能量，固体薄片组的整体透过效率高达87％，输出的超连续光谱覆盖460-950nm(在-20dB峰值强度)，具体地如图2所示，图2为从固体薄片组4输出的超连续光谱曲线；
色散调节单元(尖劈对)5，用于微调色散，以得到对最终输出的超短脉冲的最佳压缩效果；也可以替换使用合适厚度的单片或多片熔融石英对色散进行调节以达到与尖劈对同样的调节效果。
光学准直单元(凹面反射镜)6，焦距为f＝2000mm，用于对光束进行准直；
压缩器(啁啾镜组)7，用于补偿色散。输入脉冲在传播过程中逐次通过包括固体薄片组4在内的各个光学单元时，各透射元件引入材料色散；同时，薄片组的非线性光学过程也会引入色散。啁啾镜组7由4对啁啾镜(8片)组成，每对可提供的二阶色散量约为-90fs2，对此前累积的色散进行补偿。在啁啾镜组后测得的脉冲能量为0.68mJ；
光谱仪和脉宽测量装置8，本实施例中采用型号为Ocean Optics HR2000+的光谱仪直接测量输出脉冲的光谱曲线，采用TG-FROG(瞬态光栅-频率分辨光学开关)进行脉宽测量；该装置利用非线性光学效应产生的瞬态光栅诱导的光谱随光程差的变化获得频率分辨的光学开关谱图(FROG Trace)；对此光谱图进行反演运算可以得到脉冲的光谱和光谱相位，参见图3，图3为使用TG-FROG测量得到的光谱及光谱相位曲线，图中的光谱范围大约是650到930纳米，比光谱仪直接测得的460到950纳米窄；同时，从相位曲线也可以看出，相位比较平坦的区域大约是620到930纳米；综合这两点我们可以得出结论：在实验中用于色散补偿的啁 啾镜的带宽有限，只在620到930纳米之间实现了有效地补偿，这与我们掌握的啁啾镜的参数是一致的；这也正是我们将脉冲压缩到7.1飞秒的原因；如果我们换用带宽更宽的啁啾镜，就有可能将脉冲压缩得更短。从相位可以计算出脉冲的色散，利用傅里叶变换可以推算出脉冲在时域的电场和相位，从而得到脉冲宽度，参见图4，图4为使用TG-FROG测量得到的脉冲宽度曲线，结果显示压缩后的脉冲宽度为7.1fs，在图4中，实线表示的是时域光强，虚线表示时域相位，时域光强曲线的半高全宽(FWHM)即脉冲宽度。
在该实施例中，钛宝石飞秒激光器1、光学望远镜单元(缩束系统)2和光学聚焦单元(凸透镜)3可以组合为产生峰值光功率密度为0.94×1013W/cm2的激光束的激光产生装置。
第二实施例
第二实施例的超连续相干光源的结构与第一实施例的相同，区别在于钛宝石飞秒激光器1的输出脉冲能量调节为0.2mJ，采用f＝2.5m的长焦透镜，将激光聚焦到焦点处光斑直径约350μm。然后在焦点附近放置7片0.1mm厚的熔融石英薄片，焦点处的峰值功率密度为约0.69×1013W/cm2，第一片薄片与最后一片薄片之间距离不到20cm，各片之间间距大约为5.5、4、3、3、2、2cm，输出了0.18mJ的超连续光谱，固体薄片组的整体透过效率为90％；输出光谱与图2中的光谱一致。
第三实施例
在第三实施例中，输入脉冲能量提高至0.4mJ，用3:1的缩束比对激光进行了缩束，然后使用f＝2m的透镜，将激光聚焦光斑扩大到了直径约600μm。然后在焦点附近放置7片0.1mm厚的熔融石英薄片，焦点处的峰值功率密度为约0.47×1013W/cm2，第一片薄片与最后一片薄片之间的间距约为40cm，除第一二片间距为大约12cm，其余间距与第一实施例基本相同，总透过效率约为88％，输出光谱与图2中的光谱一致。
第四实施例
第四实施例提供了一种采用产生超连续光谱的方法，其包括如下步 骤：
步骤1：采用飞秒激光源产生峰值光功率密度为0.47-0.94×1013W/cm2的准直激光脉冲；
步骤2：使步骤1得到的准直激光脉冲通过固体薄片组进行光谱展宽以产生宽度超过一个倍频程的超连续光谱；
步骤3：使步骤2得到的超连续光谱通过色散调节单元进行色散微调；
步骤4：采用光学准直单元对步骤3得到的光束进行准直；
步骤5：采用压缩器对步骤4得到的光束进行色散补偿，最终得到光谱超过一个倍频程的少周期飞秒脉冲。
根据本发明的其他实施例，通过调整7片熔融石英薄片之间的间距，本发明人实现了注入能量从0.4到0.8mJ可调的超连续光谱产生。在0.4mJ的注入能量下，第一片和最后一片薄片之间的间距约40cm。当注入能量为0.8mJ时，第一片与最后一片薄片之间的距离约50cm。当注入能量不同时，只需粗略调节第一片薄片的位置，并微调其余薄片，就可实现较好光斑的超连续光谱产生。在0.4-0.8mJ的注入能量下，超连续光谱的产生效率均大于85％，且输出光谱均覆盖460纳米到950纳米，达到一个倍频程；输出光谱均与图2中的光谱一致。
根据本发明的其他实施例，固体薄片组的透光效率与输入光的光功率密度直接相关，光功率密度越小，多光子吸收和电离作用越弱，能量损失越低。另外，光功率密度低会导致通过每个薄片的光谱展宽较少，这就需要增加固体薄片的数量来补偿得到所需要的光谱展宽。在本发明中，固体薄片的数量跟随入射光功率密度相应地调节。
另外，本领域技术人员很容易理解，为了实现入射光束腰处的峰值光功率密度在0.47-0.94×1013W/cm2的范围内，可以直接采用输出光峰值功率密度为0.47-0.94×1013W/cm2的激光器，也可以采用另外的本领域公知的光学器件进行功率密度的转换实现符合要求的峰值光功率密度。
根据本发明的其他实施例，光源可以采用脉冲宽度为10～2000飞秒的飞秒激光源。
根据本发明的其他实施例，光学望远镜单元和光学聚焦单元组合成光束整形单元，用于将飞秒激光源发出的激光束进行整形，以得到具有所需要的峰值光功率密度的激光束。
本领域技术人员能够理解，当激光束通过块状固体材料时，与自相位调制伴随发生的自聚焦效应会导致光束塌缩，功率密度迅速上升，从而发生大量多光子吸收和电离，导致成丝和介质损伤，使光束被完全破坏。而使用薄片材料则可以避免这种现象的发生。虽然每个薄片所产生的自相位调制仅能将光谱少量展宽，但在各个薄片之间留有适当距离的薄片组却可以在避免成丝和损伤的同时获得与充气空芯光纤类似的超连续光谱。根据本发明的其他实施例，固体薄片组中的薄片数量大于等于5，可以采用氟化钙、钇铝石榴石、白宝石、碳化硅等材料，厚度为10～500μm。
根据本发明的其他实施例，第一片固体材料放置于聚焦透镜的几何焦点之前，力求采取尽量短的光路同时获得最大程度的光谱展宽。该片固体材料除参与光谱展宽外，也在缩束和聚焦元件之后进一步对光束进行整形。通过调节该片固体材料的位置，可以使激光以最优的光斑大小和发散角入射至后面的固体薄片。而后面的固体薄片构成准周期结构以对激光束实现类似波导效果的准波导约束，以便通过自相位调制获得有效的光谱展宽，最终获得自相位调制和自聚焦两者之间的平衡，从而获得最优的光谱展宽效果。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

  1. 一种超连续相干光源，包括：
    激光产生装置，用于产生激光脉冲，所述激光脉冲束腰处的峰值光功率密度为0.47-0.94×1013W/cm2；以及
    固体薄片组，用于将所述激光脉冲进行光谱展宽以产生超连续光谱。
  2. 根据权利要求1所述的超连续相干光源，其中，所述激光产生装置包括飞秒激光器和光束整形单元，所述光束整形单元用于调节所述飞秒激光器产生的激光脉冲的峰值光功率密度。
  3. 根据权利要求1或2所述的超连续相干光源，其中，所述固体薄片组包含N片固体薄片，其中N≥5。
  4. 根据权利要求1或2所述的超连续相干光源，其中，所述固体薄片的材料为熔融石英、氟化钙、钇铝石榴石、白宝石或碳化硅。
  5. 根据权利要求1或2所述的超连续相干光源，其中，所述固体薄片的厚度为10～500微米。
  6. 根据权利要求1或2所述的超连续相干光源，其中，所述固体薄片组中的第一片固体薄片置于所述激光脉冲的束腰之前，第二至第N片固体薄片构成准周期结构。
  7. 根据权利要求6所述的超连续相干光源，其中，N＝7，所述激光脉冲的束腰处的峰值功率密度为0.94×1013W/cm2，第一片固体薄片至第7片固体薄片的相邻两片固体薄片的间距依次为20cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。
  8. 根据权利要求6所述的超连续相干光源，其中，N＝7，所述激光脉冲的束腰处的峰值功率密度为0.69×1013W/cm2，第一片固体薄片至第7片固体薄片的相邻两片固体薄片的间距依次为5.5cm、4cm、3cm、3cm、2cm和2cm。
  9. 根据权利要求6所述的超连续相干光源，其中，N＝7，所述激光脉冲的束腰处的峰值功率密度为0.47×1013W/cm2，，第一片固体薄片至第7片固体薄片的相邻两片固体薄片的间距依次为12cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。
  10. 一种产生超连续相干光谱的方法，包括如下步骤：
    步骤一：采用激光产生装置产生激光脉冲，所述激光脉冲束腰处的峰 值光功率密度为0.47-0.94×1013W/cm2；
    步骤二：采用固体薄片组将所述激光脉冲进行光谱展宽以产生超连续光谱。
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