專利名稱：波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短脈沖激光，特別是一種波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，脈沖激光的能量越來越高，脈寬越來越短。超 強(qiáng)超短激光脈沖成為許多基礎(chǔ)研究中的重要工具，在激光物理研究領(lǐng)域有著不可替代的作 用。特別是周期量級的超短激光脈沖，在高次諧波，阿秒脈沖的產(chǎn)生等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng) 用。然而，在超短激光脈沖與物質(zhì)相互作用的過程中，如果激光脈沖的對比度過低，預(yù)脈沖 會在主脈沖到達(dá)之前先破壞靶，從破壞整個(gè)實(shí)驗(yàn)。在1021_23W/cm2乃至更高強(qiáng)度的激光與物 質(zhì)相互作用的研究中，激光脈沖的對比度要求達(dá)到IOll-IO13的量級。因此，提高激光脈沖的 對比度對強(qiáng)場物理實(shí)驗(yàn)有重大意義。Jullien等人提供了 一種的脈沖凈化裝置(Jullien，Α.，X. Chen, et al. (2010). " High-fidelity front-end for high-power, high temporal quality few-cyclelasers. " Applied Physics B :Lasers and Optics : 1-6.)。在此裝置中，線偏 振光先通過空心光纖壓縮系統(tǒng)，對入射光的脈沖寬度進(jìn)行壓縮；再通過透鏡聚焦到氟化鋇 晶體上，由于交叉偏振波產(chǎn)生(XPW)效應(yīng)，產(chǎn)生與原光束偏振方向相互垂直的激光。XPW效 應(yīng)是三階非線性效應(yīng)，因此，能量較強(qiáng)的主脈沖能夠把大部分能量都轉(zhuǎn)化到與原偏振方向 垂直的光束上，從而能夠透過檢偏器輸出；而能量較弱的預(yù)脈沖幾乎不能產(chǎn)生交叉偏振波， 最后都不能通過檢偏器。該裝置脈沖凈化的能力受到起偏器和檢偏器消光比的限制，對比 度一半只能在原來基礎(chǔ)上提高2-4個(gè)量級。另外，由于在先裝置使用的是三階非線性效應(yīng)， 因此對外界的影響非常敏感。輸入能量的不穩(wěn)定以及裝置中氣流的變化都會造成輸出光束 的抖動(dòng)和能量的劇烈變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供了一種波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓 縮與凈化裝置，它的輸出光波長可調(diào)諧，支持周期量級的超短激光脈沖，較少受到外界環(huán)境 因素的影響，良好的光束質(zhì)量，具有高對比度，對比度能在原來基礎(chǔ)上提高IO8以上。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置，特點(diǎn)在于該裝置沿光路前進(jìn)方 向依次包括可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)、空心光纖壓縮系統(tǒng)、二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)和脈沖選擇 系統(tǒng)，所述的空心光纖壓縮系統(tǒng)，沿光路由依次的反射鏡、聚焦透鏡、真空管及其內(nèi)的空心 光纖、準(zhǔn)直透鏡和色散補(bǔ)償器構(gòu)成，所述的空心光纖在所述的真空管內(nèi)，真空管內(nèi)充惰性氣 體，且氣體的氣壓是可調(diào)節(jié)的，所述的二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)由寬帶反射鏡和倍頻晶體構(gòu)成，所 述的色散補(bǔ)償器由一對石英楔板構(gòu)成，所述的脈沖選擇系統(tǒng)由平行設(shè)置的兩塊雙色鏡構(gòu) 成。
所述的可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)，是兩級光參量放大系統(tǒng)，或三級光參量放大系統(tǒng)； 是共線光參量放大系統(tǒng)，或非共線光參量放大系統(tǒng)。所述的二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)的倍頻晶體是BBO、LBO或KTP晶體。

所述的脈沖選擇系統(tǒng)由鍍介質(zhì)膜的雙色鏡構(gòu)成，其透射波長為倍頻前的激光波 長，透過率超過90% ；反射波長為倍頻光波長，反射率超過99%。由于非線性參量過程的存在，激光脈沖對比度得到顯著提高(大于IO4)。所述的空心光纖壓縮系統(tǒng)的聚焦透鏡把光參量放大系統(tǒng)的出射光耦合到空心光 纖中，通過自相位調(diào)制過程，入射激光的光譜被展寬，展寬后的光譜可以支持更短的激光脈 沖，甚至周期量級的飛秒激光脈沖。然后，準(zhǔn)直透鏡對空心光纖輸出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，由一對 石英楔板構(gòu)成的可調(diào)色散補(bǔ)償器對輸出光的色散進(jìn)行補(bǔ)償。通過倍頻過程，將激光波長變回原波長，同時(shí)，倍頻過程進(jìn)一步提高了激光脈沖對 比度。值得注意的是，在達(dá)到倍頻效果的同時(shí)要盡量少的引入色散，倍頻晶體應(yīng)選擇合適的厚度。通過雙色鏡的選擇，未倍頻的長波成分被濾除，反射光路中只含有倍頻得到的短 波成分。與在先技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)(1)在先技術(shù)脈沖凈化的能力受到起偏器和檢偏器消光比的限制，對比度只能在 原來基礎(chǔ)上提高104。本發(fā)明不受器件消光比的限制，根據(jù)小脈沖判斷，本發(fā)明能夠把對比 度在原來基礎(chǔ)上至少提高108，超過了儀器的測量極限。(2)在先技術(shù)使用的是三階非線性效應(yīng)，而三階非線性效應(yīng)的裝置對環(huán)境要求比 較苛刻，極易受氣流擾動(dòng)、振動(dòng)等因素的影響。本發(fā)明利用光參量放大過程和倍頻過程組合 成的級聯(lián)二階非線性效應(yīng)代替三階非線性效應(yīng)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)由于在光參量放大后采用了空心光纖壓縮系統(tǒng)對激光脈寬進(jìn)行壓縮，所以本 發(fā)明支持周期量級的超短激光脈沖。(4)由于使用的是可調(diào)諧的光參量放大系統(tǒng)，因此本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧的脈 沖輸出。(5)由于空心光纖能夠改善光束質(zhì)量，本發(fā)明能夠獲得良好的光束質(zhì)量。總之本發(fā)明可獲得波長可調(diào)的、高對比度的、光束質(zhì)量好、周期量級超短激光脈 沖。


圖1為本發(fā)明波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的入射脈沖和出射脈沖在對數(shù)坐標(biāo)下的對比度曲線。圖3為本發(fā)明出射脈沖激光的光譜4為傅里葉變換極限脈沖寬度。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置的光路 結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置，該裝置的構(gòu)成 沿光路前進(jìn)方向依次包括可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)2、空心光纖壓縮系統(tǒng)3、二次諧波產(chǎn)生 系統(tǒng)4和脈沖選擇系統(tǒng)5，所述的空心光纖壓縮系統(tǒng)3，沿光路由依次的反射鏡6、聚焦透鏡 7、真空管8及其內(nèi)的空心光纖、準(zhǔn)直透鏡9和色散補(bǔ)償器10構(gòu)成，所述的空心光纖在所述 的真空管8內(nèi)，真空管內(nèi)充惰性氣體，且氣體的氣壓是可調(diào)節(jié)的，所述的二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng) 4由寬帶反射鏡11和倍頻晶體12構(gòu)成，所述的色散補(bǔ)償器10由一對石英楔板構(gòu)成，所述的 脈沖選擇系統(tǒng)5由平行設(shè)置的兩塊雙色鏡13、14構(gòu)成。圖中飛秒激光器1輸出的中心波長800nm、脈寬約40fs、能量8mJ、重復(fù)頻率IkHz 的超短脈沖激光，超短脈沖激光首先進(jìn)入可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)2，波長被調(diào)諧到所需輸出 光波長的兩倍(例如，若最終需要輸出的激光波長為800nm，則通過可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng) 2將激光波長調(diào)諧到ieOOnm ；然后，可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)2輸出的脈沖激光進(jìn)入空心光纖 脈沖壓縮系統(tǒng)3 ；經(jīng)過壓縮后，激光進(jìn)入二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)4，激光被倍頻到需要的輸出波 長；二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)4的輸出光進(jìn)入脈沖選擇系統(tǒng)5，選擇出所需波段的脈沖激光。最終 得到了高對比度、窄脈寬并具有較好光束質(zhì)量的超短脈沖激光。在可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)(簡稱為OPA系統(tǒng))2中，入射光的中心波長被調(diào)諧到所 需出射光波長的兩倍。由于該系統(tǒng)可調(diào)諧出射光的波長，所以可以通過調(diào)諧該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不 同中心波長的脈沖激光輸出。在空心光纖壓縮系統(tǒng)3中，脈沖激光依次經(jīng)過反射鏡6、聚焦透鏡7、真空管8及其 內(nèi)的空心光纖、準(zhǔn)直透鏡9和色散補(bǔ)償器10。其中，OPA系統(tǒng)的輸出脈沖通過聚焦透鏡7耦 合到空心光纖中；空心光纖放置在真空管8中，且真空管8兩端為布儒斯特窗，內(nèi)部充滿惰 性氣體，通過自相位調(diào)制效應(yīng)，脈沖激光的光譜得到展寬；空心光纖出射的激光經(jīng)準(zhǔn)直凹面 反射鏡9準(zhǔn)直成為平行光束，然后入射到由一對石英楔板組成的色散補(bǔ)償器10，進(jìn)行色散 補(bǔ)償。在二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)4中，入射光依次通過寬帶反射鏡11、倍頻晶體12。最后，在脈沖選擇系統(tǒng)5中，激光脈沖依次經(jīng)過雙色鏡13、14，只有倍頻光被反射， 其它成分的激光全部透過。該波長可調(diào)諧的周期量級波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置的基本原 理是光參量放大過程是二階非線性效應(yīng)，此過程中能量轉(zhuǎn)換效率與光強(qiáng)的平方成正比，能 量強(qiáng)的脈沖能夠得到高的非線性轉(zhuǎn)換效率，能量低的脈沖轉(zhuǎn)換效率非常低，能有效提高脈 沖的對比度。另外，由于光參量放大系統(tǒng)可調(diào)諧輸出激光的波長，因此該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào) 諧的脈沖輸出。在光參量放大系統(tǒng)后面加入空心光纖壓縮系統(tǒng)，能夠有效壓縮激光脈沖的 脈沖寬度，并能獲得良好的光束質(zhì)量。在最后加入二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)，一方面是激光波長轉(zhuǎn) 換回需要的工作波長，另一方面能夠進(jìn)一步提高對比度，消除在空心光纖壓縮系統(tǒng)中產(chǎn)生 的小脈沖。最后通過脈沖選擇系統(tǒng)提取出所需波段的激光脈沖。本發(fā)明的具體實(shí)施例入射光的波長為800nm，能量8mJ，脈寬40fs，重復(fù)頻率 IkHz0激光脈沖通過可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)后，波長被調(diào)諧到1600nm，能量為1.5mJ?？招?光纖壓縮系統(tǒng)中，真空管兩端為布儒斯特窗，內(nèi)有Im長空心光纖(內(nèi)徑400 μ m,氬氣氣壓 500mbar)。二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)中的非線性晶體為BBO晶體(厚0. 3mm, I類匹配)。脈沖選擇系統(tǒng)中的雙色鏡反射中心波長為800nm。入射脈沖和出射脈沖測得的對比度如圖2，凈化 后主脈沖前面的小脈沖是由測量儀器引起的。圖3為輸出脈沖的光譜圖，圖4為傅里葉變 化極限脈沖寬度，其光譜半高全寬約150nm，可支持脈寬8. 6fs的周期量級的激光脈沖；出 射脈沖的具有較好的光束質(zhì)量，光斑強(qiáng)區(qū)為均勻分布的圓形。
權(quán)利要求
1.一種波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置，特征在于該裝置沿光路前進(jìn)方向 依次包括可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)(2)、空心光纖壓縮系統(tǒng)(3)、二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)(4)和脈 沖選擇系統(tǒng)(5)，所述的空心光纖壓縮系統(tǒng)(3)，沿光路由依次的反射鏡(6)、聚焦透鏡(7)、 真空管⑶及其內(nèi)的空心光纖、準(zhǔn)直透鏡(9)和色散補(bǔ)償器(10)構(gòu)成，所述的空心光纖在 所述的真空管(8)內(nèi)，真空管內(nèi)充惰性氣體，且氣體的氣壓是可調(diào)節(jié)的，所述的二次諧波產(chǎn) 生系統(tǒng)⑷由寬帶反射鏡(11)和倍頻晶體(12)構(gòu)成，所述的色散補(bǔ)償器(10)由一對石英 楔板構(gòu)成，所述的脈沖選擇系統(tǒng)(5)由平行設(shè)置的兩塊雙色鏡(13、14)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長可調(diào)諧的波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置， 其特征是在于所述的可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)(2)，是兩級光參量放大系統(tǒng)，或三級光參量放 大系統(tǒng)；是共線光參量放大系統(tǒng)，或非共線光參量放大系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長可調(diào)諧的波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置， 其特征是在于所述的二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)(4)的倍頻晶體是BBO、LBO或KTP晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長可調(diào)諧的波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置， 其特征是在于所述的脈沖選擇系統(tǒng)(5)由鍍介質(zhì)膜的雙色鏡(13、14)構(gòu)成，其透射波長為 倍頻前的激光波長，透過率超過90% ；反射波長為倍頻光波長，反射率超過99%。
全文摘要
一種波長可調(diào)諧的超短激光脈沖壓縮與凈化裝置，該裝置沿光路前進(jìn)方向依次包括可調(diào)諧光參量放大系統(tǒng)、空心光纖壓縮系統(tǒng)、二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)和脈沖選擇系統(tǒng)，所述的空心光纖壓縮系統(tǒng)，沿光路由依次的反射鏡、聚焦透鏡、真空管及其內(nèi)的空心光纖、準(zhǔn)直透鏡和色散補(bǔ)償器構(gòu)成，所述的空心光纖在所述的真空管內(nèi)，真空管內(nèi)充惰性氣體，且氣體的氣壓是可調(diào)節(jié)的，所述的二次諧波產(chǎn)生系統(tǒng)由寬帶反射鏡和倍頻晶體構(gòu)成，所述的色散補(bǔ)償器由一對石英楔板構(gòu)成，所述的脈沖選擇系統(tǒng)由平行設(shè)置的兩塊雙色鏡構(gòu)成。本發(fā)明可獲得波長可調(diào)的、高對比度的、光束質(zhì)量好、周期量級超短激光脈沖。
文檔編號G02F1/37GK102135696SQ201110063638
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者冷雨欣, 宋立偉, 徐至展, 李儒新, 李闖, 王丁, 許毅, 黃延穗 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所