载波包络相位稳定的双波长输出光学参量放大激光系统

摘要

一种载波包络相位稳定的双波长输出光学参量放大激光系统，其特点在于利用参量放大的双波长产生，进行进一步的能量放大，从而获得双波长红外超短脉冲输出，以及利用闲置光固有的CEP稳定的性质，获得CEP稳定的双波长红外超短脉冲输出。本发明具有操作简单，易于调节，CEP稳定，调谐范围广，双波长输出的优点，为阿秒脉冲产生等物理实验提供的更广泛的光源。

说明书

技术领域

本发明涉及光学参量放大激光系统，属于超短脉冲产生技术。特别是一种载波包络相位(以下简称为CEP)稳定的双波长输出光学参量放大激光系统。

背景技术

飞秒激光在最近几十年时间里的快速发展，为人类充分探索微观超快现象及研究强场物理提供了前所未见的实用手段和发展机遇。高能量的单周期脉冲与物质相互作用可以产生几十甚至几百阶的高次谐波，泵浦的脉冲光达到周期量级时，可以输出连续的高次谐波，连续谱的高次谐波压缩后可以得到单个阿秒(10^-18s)脉冲，可以探测更快的物质动力学过程，如原子内部的电子运动。阿秒脉冲是开拓阿秒光谱学、阿秒物理学及阿秒科学技术等新学科的重要工具。

周期量级脉冲中描述脉冲的参数--载波包络相位(CEP)对与瞬时电场强度有关的非线性实验具有决定性的影响，例如：高次谐波和阿秒脉冲的产生。CEP指的是周期量级脉冲包络最大值和包络下电场振荡最大值之间的相对相位，它决定了脉冲的瞬时电场强度。随着频标测量学和阿秒科学等研究的不断深入，提供CEP稳定的飞秒激光源，已经成为当今最前沿的研究内容之一。

A.等人早在2002年就提出了利用光学参量放大(OPA)的基本原理来实现超短激光脉冲CEP的自稳定。研究表明OPA过程中信号光和泵浦光的CEP在放大过程中保持不变，而闲散光的CEP则与前二者CEP之差有关。在合适的条件下，即当OPA的泵浦光和信号光脉冲具有相同的CEP时，OPA产生的闲散光脉冲的CEP就是泵浦光和信号光的相位差，即为常数。于是，OPA方法能够全光实现脉冲CEP的自稳定。

C.Vozzi等人在文章“Characterization of a high-energy self-phasestabilizednear-infrared parametric source”(J.Opt.Soc.Am.B/Vol.25，No.7/July 2008)中，将种子光成丝展宽，然后通过产生不同频率成分(different frequency generation：DFG)来产生红外光谱，经过两级opa放大得到红外cep稳定的激光源，但是由于DFG过程受到了成丝展宽的光谱限制，输出激光调谐范围不是很宽。

发明内容

本发明的目的是提供一种载波包络相位稳定的双波长输出光学参量放大激光系统，为激光与物质相互作用实验提供更广泛的光源。

本发明的技术解决方案如下：

一种CEP稳定的双波长输出光学参量放大激光系统，其构成包括在仪器的底板上，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一小孔光阑、第二小孔光阑、第一反射镜和第一分束片，入射光束G经过第一分束片后分成透射光束G[t]和反射光束G[f]，该反射光束G[f]经过第二分束片后分成两束光，分别称为反透光束G[ft]和反反光束G[ff]，所述的反反光束G[ff]经过第三小孔光阑、第二反射镜、第一透镜，在白宝石产生超连续谱WL，该超连续谱WL经第二透镜、第三透镜、第三反射镜和第四反射镜反射后到达第一谐波晶体；所述的反透光束G[ft]经过第四透镜、半波片、第一直角反射镜、第五反射镜和第六反射镜反射后，与所述的超连续谱WL同时会聚于第一谐波晶体上，超连续谱WL在第一谐波晶体)中由所述的反透光束G[ft]泵浦能量放大得到信号光束S，并产生闲置光束I。所述的透射光束G[t]经过第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第二直角反射镜、缩束镜组后，经第三分束片分为两束光，一束是透射光束P1，另一束是反射光束P2，该透射光束P1经过第三直角反射镜到达第二谐波晶体，信号光束S经第十反射镜、第五透镜、第十一反射镜反射后，与透射光束P1同时会聚于第二谐波晶体上，信号光束S在第二谐波晶体中由透射光束P1泵浦能量放大得到信号光束S1，并产生闲置光束I1；所述的反射光束P2经过第十二反射镜到达第三谐波晶体，所述的闲置光束I经第十三反射镜、第六透镜、第十四反射镜反射后，与所述的反射光束P2同时会聚于第三谐波晶体上，闲置光束I在第三谐波晶体中由反射光束P2泵浦能量放大得到信号光束S2，并产生闲置光束I2，所述的白宝石位于第一透镜的焦点处。

本发明光学参量放大激光系统的工作情况如下：

本发明运用了第一透镜对入射于白宝石上的光束进行聚焦。光束通过第一透镜中心正入射透镜，白宝石位于第一透镜的焦点处，通过控制第三小孔光阑的大小来控制白宝石上的功率密度，以在单丝的情况下产生超连续谱，并采用了第二透镜对超连续谱进行准直。

当超连续谱通过第三透镜中心处与反透射光束G[ft]同时入射于第一谐波晶体时，两光束的夹角满足晶体的相位匹配的要求，且夹角足够小，可以保证在第一谐波晶体中两束光有足够的相交体积。开始调整时，调整反透光束焦点与第一谐波晶体的相对位置，使第一谐波晶体位于反透光束焦点后，并有足够产生OPA放大的功率密度，通过调整第六反射镜控制两光束在晶体中的重合程度，然后调整光路的延迟机构第一直角反射镜以达到等光程。这时第一级OPA就产生了信号光束S与闲置光束I。

反射光束P2通过缩束镜组缩束，使用合适的缩束镜组保证第三谐波晶体上的泵浦功率密度最佳；闲置光束I通过第一谐波晶体后为发散输出，由第六透镜将其准直，通过控制第六透镜的焦距和位置控制闲置光束I在第三谐波晶体上的光斑大小，使之与反射光束P2大小匹配，通过调整第十四反射镜控制两光束在晶体中的重合程度，然后调整光路的延迟机构第二直角反射镜以达到等光程。这时第二级OPA就产生了信号光束S2与闲置光束I2。根据OPA原理，信号光束S2为CEP稳定的光源。

透射光束P1通过缩束镜组缩束，使用合适的缩束镜组保证第二谐波晶体上的泵浦功率密度最佳；信号光束S通过第一谐波晶体后为发散输出，由第五透镜将其准直，通过控制第五透镜的焦距和位置控制信号光束S在第二谐波晶体上的光斑大小，使之与透射光束P1大小匹配，通过调整第十一反射镜控制两光束在晶体中的重合程度，然后调整光路的延迟机构第三直角反射镜以达到等光程。这时第三级OPA就产生了信号光束S1与闲置光束I1。根据OPA原理，闲置光束I1为CEP稳定的光源。

所述的第一谐波晶体、第二谐波晶体、第三谐波晶体是BBO晶体，或者是LBO晶体，或者是KDP晶体；晶体均按照匹配角切割。

所述的第一分束片是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于92％，反射率等于8％膜层的膜板。

所述的第二分束片是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于90％，反射率等于10％膜层的膜板。

所述的第三分束片是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于50％，反射率等于50％膜层的膜板。

所述的反射镜第一反射镜、第二反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜，第八反射镜，第九反射镜，第一直角反射镜、第二直角反射镜在反射表面上镀有对入射光束具有反射率大于98％的膜层。

所述的第十二反射镜、第三直角反射镜在反射表面上镀有对入射光束具有反射率大于98％，而对超连续谱WL透射率大于98％的膜层。

所述的第三反射镜，第四反射镜，第十反射镜，第十一反射镜，第十三反射镜，第十四反射镜在反射表面上镀有对超连续谱WL具有反射率大于98％的膜层。

本发明的技术效果：

本发明光学参量放大激光系统最大的优点是操作简单，易于调节，CEP稳定，调谐范围广，双波长输出，为阿秒脉冲产生等物理实验提供的更广泛的光源。在已有技术中，由于采用成丝加DFG方式获得红外光谱，输出波长可调谐范围窄，且只有单路输出，大大的限制了物理实验时光源的选择。利用本发明的光学参量放大激光系统，可实现宽光谱的调谐，并可以同时提供两路独立可调谐波长的CEP稳定的光源，为阿秒脉冲产生等物理实验提供的更广泛的光源选择。

附图说明

图1为本发明载波包络相位稳定的双波长输出光学参量放大激光系统实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中测得的光学参量放大激光系统输出激光I1的波长调谐图。

图3为本发明实施例中测得的光学参量放大激光系统输出激光S2的波长调谐图。

图4已有技术的光学参量放大激光系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明载波包络相位稳定的双波长输出光学参量放大激光系统实施例的结构示意图。由图可见，本发明载波包络相位稳定的双波长输出光学参量放大激光系统，构成包括在仪器的底板上，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一小孔光阑1、第二小孔光阑2、第一反射镜3和第一分束片4，入射光束G经过第一分束片4后分成透射光束G[t]和反射光束G[f]，该反射光束G[f]经过第二分束片5后分成两束光，分别称为反透光束G[ft]和反反光束G[ff]，所述的反反光束G[ff]经过第三小孔光阑6、第二反射镜7、第一透镜8，在白宝石9产生超连续谱WL，该超连续谱WL经第二透镜10、第三透镜11、第三反射镜12和第四反射镜13后到达第一谐波晶体14；所述的反透光束G[ft]经过第四透镜15、半波片16、第一直角反射镜17、第五反射镜18和第六反射镜19反射后，与所述的超连续谱WL同时会聚于第一谐波晶体14上，超连续谱WL在第一谐波晶体14中由所述的反透光束G[ft]泵浦能量放大得到信号光束S，并产生闲置光束I。所述的透射光束G[t]经过第七反射镜20、第八反射镜21、第九反射镜22、第二直角反射镜23、缩束镜组24后，经第三分束片25分为两束光，一束是透射光束P1，另一束是反射光束P2，该透射光束P1经过第三直角反射镜26到达第二谐波晶体27，信号光束S经第十反射镜28、第五透镜29、第十一反射镜30，与透射光束P1同时会聚于第二谐波晶体27上，信号光束S在第二谐波晶体27中由透射光束P1泵浦能量放大得到信号光束S1，并产生闲置光束I1；所述的反射光束P2经过第十二反射镜31到达第三谐波晶体32，所述的闲置光束I经第十三反射镜33、第六透镜34、第十四反射镜35反射后，与所述的反射光束P2同时会聚于第三谐波晶体32上，闲置光束I在第三谐波晶体32中由反射光束P2泵浦能量放大得到信号光束S2，并产生闲置光束I2，所述的白宝石9位于第一透镜8的焦点处。

在本实施例中所述的第一谐波晶体14、第二谐波晶体27、第三谐波晶体32是是BBO晶体。所述的第一分束片4是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于92％，反射率等于8％膜层的膜板。第二分束片5是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于90％，反射率等于10％膜层的膜板。第三分束片25是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于50％，反射率等于50％膜层的膜板。所述的第一反射镜3、第二反射镜7、第五反射镜18、第六反射镜19、第七反射镜20，第八反射镜21，第九反射镜22，第一直角反射镜17、第二直角反射镜23在反射表面上镀有对入射光束具有反射率大于98％的膜层。所述的第十二反射镜31、第三直角反射镜26在反射表面上镀有对入射光束具有反射率大于98％，而对超连续谱WL透射率大于98％的膜层。所述的第三反射镜12、第四反射镜13、第十反射镜28、第十一反射镜30、第十三反射镜33、第十四反射镜35在反射表面上镀有对超连续谱WL具有反射率大于98％的膜层。

应用如图1所示的光学参量放大激光系统的结构。入射光束G的波长λ₀＝800nm，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一小孔光阑1、第二小孔光阑2，第一反射镜3，第一分束片4，入射光束G经过第一分束片4后分成两束光，一束是透射光束G[t]，另一束是反射光束G[f]，反射光束G[f]经过第二分束片5后分成两束光，一束是透射光束G[ft]，另一束是反射光束G[ff]，反射光束G[ff]经过第三小孔光阑6，第二反射镜7，第一透镜8，在白宝石9产生超连续谱WL，超连续谱WL经第二透镜10，第三透镜11，第三反射镜12，第四反射镜13，到达第一谐波晶体14；透射光束G[ft]经过第四透镜15，半波片16，第一直角反射镜17，第五反射镜18、第六反射镜19，与超连续谱WL同时会聚于第一谐波晶体14上。超连续谱WL在第一谐波晶体14中由透射光束G[ft]泵浦能量放大得到信号光束S，并产生闲置光束I。透射光束G[t]经过第七反射镜20，第八反射镜21，第九反射镜22，第二直角反射镜23，缩束镜组24后，经第三分束片25分为两束光，一束是透射光束P1，另一束是反射光束P2，透射光束P1经过第三直角反射镜26到达第二谐波晶体27，信号光束S经第十反射镜28，第五透镜29，第十一反射镜30，与透射光束P1同时会聚于第二谐波晶体27上，信号光束S在第二谐波晶体27中由透射光束P1泵浦能量放大得到信号光束S1，并产生闲置光束I1；反射光束P2经过第十二反射镜31到达第三谐波晶体32，闲置光束I经第十三反射镜33，第六透镜34，第十四反射镜35，与反射光束P2同时会聚于第三谐波晶体32上，闲置光束I在第三谐波晶体32中由反射光束P2泵浦能量放大得到信号光束S2，并产生闲置光束I2。

小孔光阑1，2用以对入射光束G，进行准直；其中第三反射镜12，第四反射镜13，第十反射镜(28)，第十一反射镜30，第十三反射镜33，第十四反射镜35为镀有银膜的反射镜；第一反射镜3、第二反射镜7、第五反射镜18、第六反射镜19、2第七反射镜20，第八反射镜21，第九反射镜22，第一直角反射镜17、第二直角反射镜23在反射表面上镀有对800nm具有反射率大于98％的膜层；第十二反射镜31、第三直角反射镜26在反射表面上镀有对800nm具有反射率大于98％，而对1200-2400透射率大于98％的膜层；第一分束片4是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于92％，反射率等于8％膜层的膜板；第二分束片5是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于90％，反射率等于10％膜层的膜板；第三分束片25是在一基片上镀有对入射光束的透过率等于50％，反射率等于50％膜层的膜板；第一谐波晶体14是BBO晶体，厚度为2mm；第二谐波晶体27、第三谐波晶体32是BBO晶体，厚度为3mm。

入射的激光脉冲来自一套kHz飞秒台式钛宝石激光放大装置，该激光装置输出能量为6mJ，脉冲宽度为40fs的超短强激光脉冲。图2、3为光学参量放大激光系统输出激光的波长调谐图。从图2、3中可以看出，本发明的光学参量放大激光系统可输出1200-2200nm宽范围调谐的激光。经过测量，输出两路激光的CEP在大于一小时的时间内rms值均小于150mrad。

我们可以同时输出两路波长可独立调谐的CEP稳定的红外脉冲，为阿秒脉冲产生等物理实验提供的更广泛的光源选择。