專利名稱：脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超短脈沖激光，特別是一種脈寬可調的超短激光脈沖壓縮裝置，主要適用于微焦至百毫焦量級，中心波長800nm，線偏振或圓偏振方向的飛秒激光脈沖的時域脈沖寬度的壓縮，輸出脈沖寬度可調諧，應用于高強度超快激光技術及物理研究領域。
背景技術：
在過去的幾十年中，飛秒激光的產生和應用取得了長足的進展，隨著摻鈦藍寶石(Ti:sapphire)鎖模激光器及啁啾脈沖放大(CPA)的出現(xiàn)，通過臺式設備獲得超強超短激光脈沖成為可能。超強超短激光脈沖是許多基礎研究中的重要工具，在激光物理研究領域有著不可替代的作用，比如高次諧波，等離子體通道，阿秒脈沖的產生等都需要高強度的超短激光脈沖作為光源。雖然摻鈦藍寶石激光振蕩器直接輸出的脈沖可短至5fs，但是放大系統(tǒng)中的增益窄化效應使得放大后的脈沖寬度往往在20fs以上。而外腔壓縮技術是一種獲得更短脈沖的有效手段，到目前為止，外腔壓縮技術基本上都是基于以下原理通過非線性介質中的自相位調制(SPM)效應展寬光譜，然后經過精確設計的色散延遲線補償頻譜中的頻率啁啾，從而達到壓縮脈沖寬度的目的。
最初人們利用單模熔融石英光纖作為光譜展寬介質，但是由于熔融石英材料的破壞閾值較低，這種技術適用的入射脈沖能量限制在nJ量級。后來，M.Nisoli等人利用充惰性氣體的空心光纖作為非線性介質，因為惰性氣體的電離閾值較高，可用于壓縮mJ量級的激光脈沖，也已經相當成熟。在最近的報導中，人們利用這種技術已獲得4fs的周期量級超短脈沖。然而，對于實際的激光物理研究應用，這種技術還存在局限性，首先，惰性氣體的電離閾值使得入射脈沖能量限制在mJ量級；其次，充氣空心光纖需要高壓氣體密封裝置，而且要求空心光纖不能彎曲，裝置復雜，技術難度較大。另一方面的局限性則來自于色散補償階段；目前實驗中使用的色散補償元件主要有傳統(tǒng)的光柵對、棱鏡對，以及近些年發(fā)展起來的啁啾介質鏡、聲光調制器(AOM)、可變形鏡和液晶光閥(SLM)。為了精確補償光譜中的頻率啁啾，色散延遲線需要精心設計，這使得壓縮過程比較復雜。此外，相對傳統(tǒng)元件，后幾種色散補償元件的相位補償效果要好，但是這些元件要么獲得比較困難，成本高，要么需要與相位測量儀器比如頻率分辯光學閥(Frequency-ResolvedOptical Gating，簡寫為FROG)和頻譜干涉直接重組脈沖電場儀器(Spectral Phase Interferomtry for Direct Electrical Reconstruction，簡寫為SPIDER)組成反饋回路，以達到色散補償?shù)哪康?。這更大大增加了系統(tǒng)的成本和難度。另外一個明顯的不足是其系統(tǒng)效率較低。以上幾個因素使得充惰性氣體空心光纖——自適應光學色散補償脈沖壓縮技術還處于實驗階段，尚不能作為超短激光光源用于實際的物理研究中。典型的光路布置參見圖1。從激光放大器1輸出的激光脈沖經衰減器4(一般由半波片和偏振片組成)后，由薄透鏡3聚焦耦合到充惰性氣體空心光纖8中，輸出的光束經鍍銀凹面鏡10準直成平行光束，再由鍍銀平面反射鏡9和5引入到液晶光閥11中進行相位調制，用分束片7將從液晶光閥11輸出的光束，分一小部分經過平面反射鏡6引到位相測量儀器2(FROG或SPIDER)，進行位相測量，測量結果反饋到液晶光閥11，組成自適應光學反饋回路，最終輸出經過色散補償后的壓縮脈沖。
塊體材料外腔壓縮是另一種吸引人的獲得超短激光脈沖的方法。這種方法的優(yōu)越性在于對入射脈沖能量基本沒有限制，適用于壓縮更高能量(百mJ量級)的激光脈沖。目前為止已有一些相關的實驗報導，但其基本原理仍然是基于光譜展寬和相應的色散補償。典型的光路布置與圖1類似，只是把充惰性氣體空心光纖8換為固體材料并置于透鏡焦點前一段距離。

發(fā)明內容
在繼承上述塊體材料外腔壓縮技術適用于壓縮百毫焦量級激光脈沖的同時，相對于上述在先技術中所存在的不足，本發(fā)明提供一種簡單實用，脈寬可調的超短激光脈沖壓縮裝置，它利用高功率飛秒激光脈沖在固體材料中的自壓縮效應，同時展寬光譜并壓縮時域脈沖寬度，而不需要另外精心設計色散延遲線來補償脈沖在非線性材料中傳輸時帶來的頻率啁啾。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，包括一超短激光脈沖光源，沿該超短激光脈沖光源所發(fā)出的超短激光脈沖前進方向依次是能量衰減器、聚焦透鏡、固定于光學滑軌的滑塊上的非線性固體材料和鍍銀凹面反射鏡構成，所述的鍍銀凹面反射鏡與聚焦透鏡處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的非線性固體材料置于聚焦透鏡的幾何焦點之后。
所述聚焦透鏡的焦距為1～2m所述聚焦透鏡和非線性固體材料之間設有多個反射鏡，以改變光路方向。
所述的能量衰減器由一個二分之一波片和一個偏振片構成，以連續(xù)調節(jié)入射脈沖能量大小。
所述的非線性固體材料為玻璃。
所述的鍍銀凹面反射鏡之后還設有鍍銀平面反射鏡。
所述的非線性固體材料置于所述聚焦透鏡的幾何焦點之后5-10mm。
本發(fā)明的超短脈沖壓縮基本原理是超短激光脈沖在正色散材料中的自聚焦過程中的時空耦合會造成脈沖寬度壓縮，其決定作用體現(xiàn)在描述脈沖在非線性材料中傳輸?shù)姆蔷€性薛定諤方程的空間衍射項，方程如下式∂A∂z-i2k▿⊥2A+iβ22∂2A∂τ2=in2n0ω2π|A|2A]]>其中算子⊥2即表示空間衍射項。
與先技術相比，本發(fā)明具有以下顯著的特點(1)利用高能量超短激光脈沖在正色散固體介質中傳輸過程中的SPM和自聚焦效應同時達到展寬光譜和壓縮時域脈沖寬度的目的，裝置簡單，容易搭建，操作方便。而在先技術基本上都是分展寬光譜和色散補償兩個步驟完成，其中為精確補償展寬光譜時帶來的頻率啁啾，需精確設計色散延遲線，這大大增加了實驗成本和所需的操作技能。
(2)在確定入射脈沖能量情況下，只需移動玻璃材料在光路中的位置即可改變系統(tǒng)的壓縮因子，達到調諧出射脈沖寬度的目的。而在先技術對于確定的入射脈沖參數(shù)，出射脈沖參數(shù)亦被確定。
(3)因為無需另外的色散補償步驟，脈沖壓縮系統(tǒng)效率高達85％以上，這是在先技術無法比擬的，在先技術系統(tǒng)的壓縮效率通常在50％以下。
(4)將玻璃材料放在透鏡焦點之后，相對于在先技術中放在焦點之前，光束模式得到了很大的改善，大大減小了出射光束的空間啁啾，而在先技術中將玻璃材料放于聚焦透鏡焦點之前，然后為了減小出射光束的空間啁啾在透鏡焦點處放置針孔空間濾波器，這樣造成了很大的能量損失。
(5)對于線偏振和圓偏振入射脈沖均適用，而一些在先技術的色散補償元件僅適用于線偏振光。


圖1為在先的超短脈沖壓縮技術實驗裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明的脈寬可調超短激光脈沖壓縮裝置示意圖。
圖3為本發(fā)明中將固體非線性材料放于聚焦透鏡焦點之后光束在非線性材料前(a)后(b)空間模式的改善對比圖。
圖4為使用本發(fā)明的脈寬可調諧高能量超短激光脈沖壓縮裝置，非線性材料放于不同位置時得到的壓縮脈沖時域形狀，頻譜及頻域相位圖形與原始激光脈沖相應圖形比較。
圖5為使用本發(fā)明的脈寬可調諧高能量超短激光脈沖壓縮裝置，入射脈沖在圓偏振狀態(tài)下所得的壓縮脈沖時域形狀，頻譜及頻域相位圖形。
具體實施先請參閱圖2，圖2為本發(fā)明的脈寬可調超短激光脈沖壓縮裝置實施例示意圖。由圖可見，本發(fā)明脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置的構成，包括一超短激光脈沖光源1，沿該超短激光脈沖光源1所發(fā)出的超短激光脈沖前進方向依次是能量衰減器2、聚焦透鏡5、固定于光學滑軌6的滑塊上的玻璃3和鍍銀凹面反射鏡4構成，所述的鍍銀凹面反射鏡4與聚焦透鏡5處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的玻璃3置于聚焦透鏡5的幾何焦點之后5-10mm。在所述聚焦透鏡5和非線性固體材料3之間設有兩個45°反射鏡9和10，以改變光路方向，縮小裝置的空間。在所述的鍍銀凹面反射鏡4之后還設有鍍銀平面反射鏡7，以改變光路方向。
玻璃3作為非線材料固定于光學滑軌6的滑塊上，放于透鏡的幾何焦點之后一段距離，可在平行于光路的方向上前后移動；鍍銀凹面反射鏡4與聚焦透鏡5同一高度，間距約為兩者焦距之和，用于準直聚焦光束；光束經過非線性材料3以后光譜會展的很寬，用鍍銀光學元件不會帶來帶寬限制。
本發(fā)明中，因為是利用BK7玻璃作為非線性材料3，并利用光束在材料中的自聚焦效應壓縮脈寬，所以入射脈沖的功率需大于BK7玻璃的自聚焦閾值功率約1.8MW，也就是說本發(fā)明適用于壓縮較高能量飛秒激光脈沖。另外，聚焦透鏡5的焦距一般在1～2m，不必限定于某一確定值。為了在材料中保證足夠強的非線性效應，入射脈沖強度一般在1011W/cm2量級，所以當待壓縮脈沖功率較低時為了達到較大功率密度需選用焦距較短的透鏡。對于mJ量級的入射脈沖，BK7玻璃材料厚度一般選擇3mm，再大能量的脈沖可選擇稍薄的材料。玻璃材料固定于二維光學調整架上，光束與材料入射面垂直，二維調整架與一維光學滑軌連接。為了有足夠的活動范圍，滑軌長度一般在200mm左右。此外要求滑軌上的滑塊在選定位置后可固定，以避免在實驗中帶來不確定因素。
上述脈寬可調諧超短激光脈沖壓縮裝置的具體使用步驟如下(1)首先調整超短激光脈沖光源1輸出的光束使其平行于光學平臺表面。(2)調節(jié)能量衰減器2使入射脈沖能量到所需大小。(3)將聚焦透鏡5安放在精密xz二維平移調整架上，同時鏡片架可二維角度調整，然后放置于光路中，并按傳統(tǒng)方法將透鏡入射面調整至與光束垂直。(4)沿光束方向距聚焦透鏡5一段距離放置鍍銀凹面反射鏡4，聚焦透鏡5與鍍銀凹面反射鏡4之間的間距約為兩者的焦距之和。因為光束在玻璃3中有一定的自聚焦作用，所以凹面反射鏡4可稍微向遠離聚焦透鏡5的方向移動一些，約2～3cm。鍍銀凹面反射鏡4需裝在五維光學精密調整架上，包括三維平動和兩維角動。聚焦光束經鍍銀凹面反射鏡4準直為平行光束。(5)為了安裝方便，BK7玻璃3作為非線性材料加工成圓片狀，可安裝在普通光學鏡架上，為了便于調整材料的位置和角度，需與xz型二維平動光學調整架組合，然后固定在光學滑軌6的滑塊上。如上所述，使滑軌6平行于光束方向固定在光學平臺上，然后調整調節(jié)光學調整架使得光束與玻璃材料的入射面垂直。(6)移動滑塊調節(jié)玻璃3的位置，相當于改變入射光功率密度，光功率密度足夠大時，玻璃3會出現(xiàn)超連續(xù)譜產生，可觀察到彩色的錐形輻射環(huán)，表明激光在玻璃中產生了一定量的等離子體；這時將玻璃向遠離移動一小段距離，約5～10mm，一般來說這個位置就是獲得最窄壓縮脈沖的最佳位置。為了避免等離子體對脈沖的影響，調節(jié)xz二維平移調整架改變光束在玻璃材料表面的入射點。(7)經鍍銀凹面鏡4準直后的光束再經鍍銀平面反射鏡7改變光束方向，即可作為輸出光輸出。(9)改變玻璃材料3距離聚焦透鏡5的幾何焦點間距的大小，輸出脈沖的時域寬度就會改變，遠離焦點的位置壓縮因子變小，即輸出脈寬變寬。此外，如果玻璃3的位置不變，而改變入射脈沖能量，壓縮因子也會隨之改變。
需要說明的一點是，因為空氣中存在實焦點，所以當脈沖能量很大(＞10mJ)時，有可能會造成焦點附近的空氣電離，從而影響到脈沖的時域和頻域特性，為了避免這一影響因素，此時需要將焦點置于真空中。然而，當入射脈沖能量不是很大(mJ量級)時，但峰值功率大于空氣的自聚焦閾值功率時，光束在聚焦透鏡5焦點附近空氣中自聚焦作用也會使脈沖寬度有一定量的壓縮，而不影響脈沖包絡形狀。由于玻璃3在焦點之后，這樣相當于入射到材料上的脈沖寬度比初始脈沖更窄，可獲得近2.5倍的壓縮因子。
具體實施例應用如圖2所示的裝置，超短激光脈沖光源1為光譜物理公司生產的型號為Spitfire--50fs的激光放大器，輸出脈沖寬度～50fs，中心波長800nm，光譜寬度約21nm，重復頻率1kHz，M2因子約為1.3，經能量衰減器2使得入射脈沖能量為0.2mJ。非線性材料3選用3mm厚的BK7玻璃片，固定在行程為200mm的光學精密滑軌6上，然后置于聚焦透鏡5焦點之后。透鏡焦距為1m，鍍銀凹面反射鏡4焦距為0.5m，距聚焦透鏡5約1.5m。對于從圖2所示的脈沖壓縮裝置中輸出的脈沖，用SPIDER可同時測量其時域形狀及頻域相位，采用光柵光譜儀測量輸出脈沖光譜。改變玻璃片3在光路中的位置可獲得不同脈寬的輸出脈沖，以下給出幾組實驗結果。在線偏振光入射條件下，當玻璃材料3放于聚焦透鏡5幾何焦點后160mm處時，獲得＞0.18mJ，25fs的脈沖輸出(圖4b-b1)；材料放于聚焦透鏡5幾何焦點后195mm處時，獲得＞0.18mJ，31fs的脈沖輸出(圖4c-c1)。在圓偏振光入射條件下，當玻璃材料3放于聚焦透鏡5幾何焦點后135mm處時，獲得＞0.18mJ，19fs的脈沖輸出，如圖5所示，壓縮因子約為2.5。無論在線偏振還是圓偏振情況下，輸出脈沖偏振態(tài)不發(fā)生改變。圖中強度為歸一化單位(a.u.)，τFWHM代表輸出脈沖的半極大全寬度，單位為飛秒(fs)，相位單位為弧度(rad)。
權利要求
1.一種脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，包括一超短激光脈沖光源(1)，沿該超短激光脈沖光源(1)所發(fā)出的超短脈沖激光前進方向依次是能量衰減器(2)、聚焦透鏡(5)、固定于光學滑軌(6)的滑塊上的非線性固體材料(3)和鍍銀凹面反射鏡(4)構成，所述的鍍銀凹面反射鏡(4)與聚焦透鏡(5)處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的非線性固體材料(3)置于聚焦透鏡(5)的幾何焦點之后。
2.根據(jù)權利要求1所述的脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述聚焦透鏡(5)的焦距為1～2m
2.根據(jù)權利要求1所述的脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述聚焦透鏡(5)和非線性固體材料(3)之間設有多個反射鏡，以改變光路方向。
3.根據(jù)權利要求1所述的脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述的能量衰減器(2)由一個二分之一波片和一個偏振片構成，以連續(xù)調節(jié)入射脈沖能量大小。
4.根據(jù)權利要求1所述的脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，其特征是所述的非線性固體材料(3)為玻璃。
5.根據(jù)權利要求1所述的脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述的鍍銀凹面反射鏡(4)之后還設有鍍銀平面反射鏡(7)。
6.根據(jù)權利要求1所述的脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，其特征在于所述的非線性固體材料(3)置于所述聚焦透鏡(5)的幾何焦點之后5-10mm。
全文摘要
一種脈寬可調的超短脈沖壓縮裝置，包括一超短激光脈沖光源，沿該超短激光脈沖光源所發(fā)出的超短脈沖激光前進方向依次是能量衰減器、聚焦透鏡、固定于光學滑軌的滑塊上的非線性固體材料和鍍銀凹面反射鏡構成，所述的鍍銀凹面反射鏡與聚焦透鏡處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的非線性固體材料置于聚焦透鏡的幾何焦點之后。本發(fā)明裝置不僅可以壓縮飛秒激光脈沖的脈沖寬度，而且輸出脈寬可調諧，對線偏振和圓偏振入射激光均適用，裝置簡單，操作方便，適用范圍廣泛。
文檔編號G02B27/00GK1661453SQ20051002359
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權日2005年1月26日
發(fā)明者陳曉偉, 劉軍, 朱毅, 冷雨欣, 李儒新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所