一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法

摘要

本发明属于激光技术领域，具体为一种基于级联非线性过程的多级脉冲压缩方法。每一级均由一块非线性晶体以及一对光栅组成。本发明通过这种简单的方法来提高对高功率光脉冲的压缩倍数，可直接从皮秒(ps)级脉冲获得飞秒(fs)级脉冲。本级联压缩方法简单实用，压缩倍率高，输出脉冲质量好，并且它充分地利用了现有的商品化器件，经济成本低廉，具有非常广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种通过提高对高功率皮秒光脉冲压缩倍数，方便地获得飞秒激光脉冲的方法。

背景技术

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间特别短，并且有非常高的瞬时功率。极大地推动了超快光物理，飞秒化学，飞秒生物和非线性光学等的研究。

目前的高功率飞秒激光器结构复杂，价格较为昂贵。因此，光脉冲压缩逐渐成为一种产生飞秒脉冲的重要技术。目前的脉冲压缩技术主要包括：(1)单模光纤压缩(J D Kafka，B HKolner，T Baer，D M Bloom，Compression of pulses from a continuous-wave mode-locked Nd:YAGlaser.Opt Lett 1984，9：505-506)。该技术主要受到高阶非线性以及光纤所能承受的损伤阈值的限制，因此只能达到nJ的脉冲能量。(2)利用充有高压纯净气体的中空毛细管的脉冲压缩技术(M Nisoli，S De Silvestri，O Svelto，Generation of high energy 10 fs pulses by a new pulsecompression technique.Appl Phys Lett 1996，68：2793-2795)。缺点在于其脉冲能量达到1mJ时会将气体电离，同时会产生严重的自聚焦效应。(3)基于大尺度材料的三阶非线性的脉冲压缩方法(C Rolland，P B Corkum，Compression of high-power optical pulses.J Opt Soc Am B 1988，5：641-647)。这种方法严重地受到自聚焦的限制，并且光束还会发生形变影响输出脉冲的质量。(4)倍频压缩(Y J Wang，B Luther-Davies，Frequency-doubling pulse compressor forpicosecond high-power neodymium laser pulses.Opt Lett 1992，17：1459-1461)。它是对倍频光的压缩，无法获得短脉冲的基波脉冲激光，并且对三波的群速度要求较为严格，实验操作困难。

发明内容

针对现有的高功率光脉冲压缩的技术存在着结构复杂、压缩倍数低等问题，本发明的目的在于提供一种简便易行，可有效提高脉冲压缩倍数的方法。

本发明提出的提高脉冲压缩倍数的方法，是利用多个级联非线性过程。具体是一种通过多级的级联非线性的二阶脉冲压缩过程，来提高对高功率皮秒光脉冲压缩倍数，从而方便地获得飞秒激光脉冲。其中，每一级压缩过程，均由一块非线性BiBo晶体和一对光栅组成的色散器来实现；

使光脉冲通过BiBo晶体，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相的失配量，光脉冲在晶体中传播时由于级联非线性过程而感应到大量值的非线性相移；

光栅对色散器由两块光栅和两块透镜组成，按4f系统排列，通过选择光栅常数、透镜焦距以及各部分的相对位置，得到所需的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩，以获得较大的脉冲压缩倍数。

在前后两级压缩过程中，还使用一扩束器，该扩束器由一块凸透镜和一块凹透镜组成，选择两块透镜的焦距以及相对距离，使前一级压缩输出的基频光峰值光强衰减到与初始光场的峰值光强相同，以便两级压缩的实施。

本发明中，所述的多级的级联非线性二阶脉冲压缩过程的级数为2或3。

本发明中，选择倍频晶体长度和光栅对，使非线性相移与提供的正常色散量达到最佳配比，从而获得最优输出光质量与脉冲压缩倍数。

基于级联非线性的二阶脉冲压缩过程如图1所示，其中每一级都包括一个级联非线性过程以及一个色散补偿过程(由光栅对色散器实现)。

按照傅氏转换极限决定的时间带宽乘积，较宽的光谱(Δν)能支持更短的光脉冲(τ)。对于在时域中把皮秒脉冲压缩到飞秒量级，关键在于怎样才能得到更宽的光谱。脉冲在级联过程会感应到非线性相移(ΔΦ^nl)，导致频率啁啾，产生新的频率成分，从而展宽脉冲的光谱，这种方式产生的非线性相移量值大，并且可以避免自聚焦的影响。在每一级的压缩过程中，本发明均使光脉冲通过一块BiBO晶体(如图2中C1、C2)，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相失配量，光脉冲在晶体中传播时就会由于级联非线性过程感应到大量值的非线性相移，如图1中的1和4均代表了此级联过程。

位相失配时，第一类倍频产生过程中有等效于三阶非线性χ⁽³⁾的二阶级联非线性效应，在此级联过程中可以使光谱得到充分展宽。在考虑到三阶非线性效应的同时，此过程中基频光与倍频光传播时相互作用的耦合波方程可以表示为：

$$ >>>(>>\partial >>\partial >z>>>+>>>iL>NL>>>>2>L>>>D>1>>>>>>\partial >2>>>>\partial >t>>2>>>)>>>E>1>>=>>iE>1>*sup>>>E>2>>exp>>(>i\Delta kz>)>>+>i>2>\pi >>(>>n>2>>>I>0>>)>>\times >>>L>NL>>\lambda >>>(>>>|>>E>1>>|>>2>>+>2>>>|>>E>2>>|>>2>>)>>>E>1>>>$$