非共线的高次谐波产生方法

摘要

本发明涉及超快激光技术方向，具体地讲是涉及一种利用介质的非共线非线性转换特性产生高次谐波的方法，该方法由多路光非共线的射入非线性介质中，利用非共线光束的混频特性，无需附加操作即可从腔内导出高次谐波，其优点是更容易取出纯的高次谐波成分，可以实现多色作用下的高次谐波获取，能够提供更高的激光峰值功率，获得更高阶的谐波，在激光载波位相锁定的情况下，可以获得紫外光梳，有利于获得单个的阿秒脉冲。

说明书

技术领域

本发明涉及超快激光技术方向，具体的讲是涉及一种利用介质的非共线非线性转换特性产生高次谐波的方法。

背景技术

超强超短激光科学研究以超强超短激光的创新发展、超强超短激光与物质的相互作用、以及在交叉学科与相关高技术领域中的前沿基础为对象，是当前国际上现代物理学乃至现代科学中一个非常重要的科学前沿领域。在这一领域中精密光谱学的研究在近年取得了前所未有的突破。在相当长的时期，对时域和频域的精密控制研究是分割在两个不同的领域。直到20世纪末，科学家开始对飞秒激光稳频技术的研究突破了光场时域和频域研究领域的隔阂，实现超快激光的载波位相的精确控制，巧妙地将光学频率精密控制、超短光脉冲产生和非线性光学结合起来，开拓了对光场时-频域同时精密控制研究的新时代。Science Daily评述认为：现在利用激光，科学家能够在超快时间尺度上更大程度地操控光子，开创了光子源超精密操控科学与技术这一全新前沿领域，使得光钟、光学频率合成与测量、超短光脉冲相干合成、物理常数精确测定等一些战略高科技研究项目从梦想变成了可实现的目标。同时由于超精密授时系统的诸多潜在应用，包括通信、航天、卫星导航、空间探测器遥控跟踪、地区救灾，对地球表面以毫米精度成像，以及研究地球旋转及脉冲周期等各种变化，对基础研究的应用包括量子电动力学及基本物理常数的变化，因此对光场时域和频域的精密控制研究愈来愈受到世界各国的高度重视。

对光场在时域-频域同时实现精密控制的技术正在开始推进到极紫外(XUV)和软X射线等超短波段。最近，T.W.Hansch小组等将光梳技术延伸到VUV和XUV区域，进一步探索在超快时间尺度与超短波段范畴更大程度地操控光子，将为精密激光光谱学提供新概念与新方法，开辟出新学科前沿。例如，2005年的诺贝尔物理学奖公告评论认为：可以用极紫外光学频率梳技术测量He⁺的1s-2s跃迁的高分辨激光光谱，最终可能产生X射线区域产生原子钟。在光学频率梳技术基础上发展的新一代原子钟由于以高频光波而非微波辐射为基础将促使更精确的时间频率度量方法与标准。极紫外、软X射线、X射线波段等更高频率范畴的原子钟有望更大幅度的提升时间频率度量的精度。

目前对于紫外、极紫外光梳的获取，通常以获取高次谐波为前提。其基本原理在于强激光与介质的非线性相互作用。当激光峰值功率达到约10¹⁴W/cm²时，该激光场的电场能量足以与原子的电离能相当，在这种情况下，强电场很容易使原子发生电离。一旦发生电离，自由电子的运动就会受到激光场的控制，而这些电子的动能也很快就会达到初始电离能的数倍，在这一过程中电离后的自由电子经过碰撞重新与母离子结合，同时释放出高能量的光子，即紫外乃至极紫外的激光。在此基础上进行载波位相锁定的操作即可以获得该波段的光梳。目前光梳技术已较为成熟，并得到较好应用。

目前常见的高次谐波产生系统主要有两种：一种是将放大后得到的强激光直接与非线性介质相互作用；另外一种方法是激光在无源增强腔(简称为无源腔)的腔内与非线性介质相互作用。下面结合附图对这两种高次谐波的产生过程作一介绍：

附图1给出了第一种方法的框架图，振荡器出来的激光经过放大(再生放大、多通放大等)后被聚焦透镜(L)聚到非线性介质上，此时激光峰值功率足够强，与介质发生作用，释放出高能量光子，即高次谐波，作用后得光束经过滤波片(F)滤除基波后进入探测器探测。这一结构的局限在于此类放大装置是以牺牲激光重复频率为代价的，因此其重复频率通常比较低，一般不高于千赫兹量级，对于高重复频率难以实现，不利于载波位相稳定，不能用于紫外光梳的获取。另外采用滤波的方法来取出高次谐波，考虑到材料对投射波段的局限性，以及材料引入的损耗，因此对滤波片的材料以及厚度要求较高。

附图2给出了第二种方法的结构示意图，M1、M2、M3、M4四个镜子构成一激光无源腔，其自由光谱区等同于泵光(来自振荡器)的纵模间隔，从而泵光在腔内形成谐振前后脉冲相干叠加而实现光放大，其放大倍数取决于无源腔腔镜的镀膜，如反射率为99.9％时，放大倍数为1000倍，反射率为99.99％时，放大倍数为10000倍，因此通过改变腔镜的反射率我们就可以得到想要的激光峰值功率。非线性介质置于束腰处，此处光斑最小，光峰值功率最大，当峰值功率足够强时，便可得到高次谐波，高次谐波被插入腔内的布儒斯特片反射到探测装置上。这里由于基波强度很大，因此插入的布儒斯特片会引入极大的非线性效应，如腔长的改变、色散的引入等，另外还有对基波的损耗等，这些对无源腔的稳定以及激光脉冲的宽度都会产生很大的影响，不利于窄脉冲的获取，从而也影响了高次谐波的产生。也有专家提出不用布儒斯特片，而是在腔镜M4上打一个微小的孔，以便于高次谐波输出，但是这一方法在实际操作中却存在很大的困难，因为高次谐波与基波方向上的偏差很小，很难以准确调整。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种利用多腔结构获取高次谐波的方法，该方法由多路光非共线的射入非线性介质中，利用非共线光束的混频特性，无需附加操作即可从腔内导出高次谐波。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种非共线的高次谐波产生方法，包括激光腔、凹面镜和平面镜的选择，以及非线性介质的放置，其特征在于该方法至少采用二个激光腔，且在所述的激光腔中设有由两个凹面镜组成的共焦腔，所述至少二个激光腔的共焦腔的焦点重合为公共焦点，将非线性介质放置于公共焦点。

所述的至少两个腔中的光束在到达非线性介质时在时间和空间上均要严格同步。

所述的激光腔包括无源腔、振荡腔。

所采用的至少两个激光腔可以是均采用无源腔、或者是均采用振荡腔、或者是既采用无源腔又采用振荡腔。

所述的凹面镜的曲率半径的选择应保证焦点处的光峰值功率满足高次谐波要求。

所述的非线性介质可以是固体、液体、或者是气体。

所述的气体非线性介质通常是惰性气体原子及其离子、或者是稳定的团簇。

所述非线性介质需要置于真空室中。

本发明的优点是更容易取出纯的高次谐波成分，可以实现多色作用下的高次谐波获取，能够提供更高的激光峰值功率，获得更高阶的谐波，在激光载波位相锁定的情况下，可以获得紫外光梳，有利于获得单个的阿秒脉冲。

附图说明

附图1现有技术利用激光放大器获取高次谐波的实验结构示意图；

附图2现有技术利用单个激光无源腔获取高次谐波的实验装置图；

附图3本发明实施例1利用双无源腔获取高次谐波的结构示意图；

附图4本发明实施例2利用双内腔获取高次谐波的结构示意图；

附图5本发明实施例3利用内腔无源腔组合获取高次谐波的结构示意图；

附图6本发明实施例4利用多无源腔组合获取高次谐波的结构示意图；

附图7本发明实施例5利用多无源腔组合获取高次谐波的结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本实施例的方法，激光在多腔中分别形成谐振，得到放大，当光峰值功率足够强时，经过非线性介质就会产生高次谐波。由于光束是非共线相互作用，因此得到的高次谐波也与基波光束分别成一定的角度传输，从而无需另外采取措施分离基波与高次谐波便可进行探测。

所谓多腔可以是两个激光腔也可以是多个无源腔或者是多个无源腔与一个振荡腔共同作用。两个激光腔的情况下，可以是完全相同的两个无源腔或者是完全相同的两个振荡腔(称之为内腔)，也可以是一个无源腔和一个内腔。多路光的波长可以相同也可以不同，脉冲宽度可以相同也可以不同。

采用无源腔的优点在于可以获得更高的激光峰值功率。采用内腔的优点在于更容易实现色散补偿，获得更窄的乃至周期量级的激光脉冲，利于提高高次谐波的产生效率，也便于单个阿秒脉冲的获取。

所有激光腔中所有的镜片均镀有与所用激光相匹配的宽带高反膜，以保证不损失激光的带宽，可以得到窄脉冲下的高次谐波，同时腔内光峰值功率与镜片的反射率成正比。

非线性介质可以是固体、液体也可以是气体。主要是惰性气体原子及其离子，为提高转换效率也可以采用稳定的团簇。考虑空气对高次谐波的吸收，非线性介质需要置于真空室中，也可以将整个设备置于真空室中。

在下面的实施例中，以多路光均为中心波长为800nm的脉冲光为例，其他波段以及多色的情况下与该波段实施方法一致。

实施例1：

为了有效的获取高次谐波，尽量提高有效入射非线性晶体的光峰值功率是必要的。如图3所示，本方案采用的方法是，将泵浦光耦合进两个完全相同的外置的四镜8字环形无源腔(或者其他结构合适的无源腔)，保证无源腔的谐振频率与泵浦光的重复频率相匹配，使激光在无源腔中形成谐振，以达到腔内功率增强的效果，从而使放置在无源腔中的非线性介质可以获得比泵浦光高出几个数量级的有效入射光峰值功率。

图3中标号M11、M12、M21、M22为镀有650nm～1000nm宽带高反膜的平面反射镜，M13、M14、M23、M24为具有相同曲率半径的镀有650nm～1000nm宽带高反膜的凹面反射镜，所有反射镜的反射率为99.9％，非线性介质在本实施例中选用惰性气体Xe，其放置在两个无源腔的公共焦点处。

将振荡器1输出的激光耦合进由M11、M12、M13、M14构成的无源腔中。将振荡器2输出的激光耦合进由M21、M22、M23、M24构成的无源腔中。通过锁腔等外部电路控制，两路光实现时间空间上的完全同步且光峰值功率足够强时，经过非线性介质即可产生高次谐波，并与两基波传输方向以一定的偏离角度输出进入探测装置。当振荡器1、2输出的激光绝对位相锁定时，得到的高次谐波的位相也是锁定的，可以得到紫外光梳。

实施例2：

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于将非线性介质直接置于两个结构完全相同的激光振荡器的公共焦点处，由于腔内光功率通常比输出功率高出一到两个数量级，因此也可以达到高次谐波所需的光峰值功率要求，而且腔内色散补偿更容易实现，更易于获取周期量级窄脉冲，利于提高高次谐波的转换效率，在相位锁定的情况下也更有利于获取单个的阿秒脉冲，可以精确测量紫外波段的原子光谱，便于获取X射线区域的原子钟。

图4中标号M1、M2、M4、M5、M7、M8、M10、M11为镀有650～1000nm的宽带高反膜的凹面反射镜，其中M1、M2、M7、M8四镜的曲率半径相同，M4、M5、M10、M11四镜的曲率半径相同。M3、M9为镀有650～1000nm的宽带高反膜的平面反射镜。OC1、OC2为输出耦合镜，其输出率可以相同或者不同，同样镀有650～1000nm的宽带膜。T1、T2为激光增益介质，针对不同的波段，可以选用不同的材料，本实施例中都选用了掺钛蓝宝石(Ti:S)。N为非线性介质，本实施例中采用惰性气体Xe。

实施例3：

如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于将非线性介质置于由一个激光内腔和一个激光无源腔构成的双腔结构的公共焦点处。这一装置将无源腔的高强度和内腔的短脉冲的优势有效的结合在了一起。图5中标号M1、M2、M4、M5、M8、M9为镀有650～1000nm的宽带高反膜的凹面反射镜，其中M1与M2、M4与M5、M8与M9曲率半径分别相同。M3、M6、M7为镀有650～1000nm的宽带高反膜的平面反射镜。OC1为输出耦合镜，同样镀有650～1000nm的宽带膜。T为激光增益介质，针对不同的波段，可以选用不同的材料，本实施例中选用了掺钛蓝宝石(Ti:S)。N为非线性介质，本实施例中采用惰性气体Xe。

实施例4：

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于在实施例1两个无源腔的基础上又添加了一个同样的无源腔(M31、M32、M33、M34构成)，非线性介质置于三个结构完全相同的无源腔的公共焦点处，有三束光共同作用产生高次谐波，其作用原理与实施例1近似。

实施例5：

如图7所示，本实施例在实施例3的基础上增加了一个内腔(M10、M11、M12、M13、M14、OC1、T1)，非线性介质置于三个腔的公共焦点处。其作用原理与实施例1近似。

本领域技术人员显然可以认识到，多个无源腔产生高次谐波的情况并不局限于实施例4所述内容，在实验空间条件允许的情况下可以按需要增加无源腔的个数，同样也可以在实施例3的基础上按需增加新的无源腔或者是内腔，另外在这里相互作用的多束光并不一定是完全相同的，其波段和脉冲宽度都可以不同，无源腔之间的结构可以不同，内腔的结构也可以不同。在激光相位锁定的情况下，上述装置都可以获得紫外光梳。