载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生方法及装置

摘要

本发明公开了一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生方法及装置，该方法具体步骤为：采用一束宽谱的飞秒激光脉冲作为驱动源，经若干啁啾镜及一对尖劈进行色散补偿后，利用凹面银镜令激光小角度出射后聚焦到一块非线性晶体中，经过差频效应后的激光再经过红外截止滤光片得到载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲。本发明一种中红外飞秒激光脉冲产生装置，包括色散补偿系统、凹面银镜、非线性晶体和红外滤光片，色散补偿系统包括若干啁啾镜和一对尖劈。本发明的装置及方法具有原理简单、装置紧凑、运行稳定等特点，并且产生的中红外飞秒激光脉冲载波相位是自稳定的，这种激光作为种子源经过参量放大后将是产生阿秒脉冲理想的驱动激光源。

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术领域特别是涉及一种载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲激光产生方法及装置。

背景技术

飞秒激光脉冲作为研究瞬态超快现象及强场物理规律的有力工具，一直是激光技术领域最热门的研究内容之一。对于周期量级飞秒脉冲，载波包络相位(简称载波相位)是一个极其重要的参数，代表了飞秒脉冲的电场分布。由于飞秒振荡器中色散元件的存在，通常相邻脉冲之间具有一个载波相位漂移ΔΦ，如图1所示。近年来，通过自参考、差频、光谱干涉等测量载波相位技术，结合电子锁相环技术已经成功实现了飞秒脉冲载波相位的稳定控制(文献1.D.J.Jones etal，Science 288635(2000)；文献2.Fuji T，et al Opt.Lett.30332(2005)；文献3.Baltuska A et al，Nature 421 611(2003))，并且由此推动了频标、阿秒等前沿领域的革命性进展。例如，借助载波相位稳定的飞秒放大激光脉冲驱动惰性气体产生高次谐波技术，所合成的极紫外激光脉冲的脉宽已经达到了80as(1阿秒＝10^-18秒)(文献4.E.Goulielmakis et al，Science 320，1614(2008))，为研究原子内电子运动规律提供了最佳手段。

为了产生更深紫外、更短脉宽的阿秒脉冲，需要采用长波长的飞秒脉冲作驱动源(文献5.B.Shan et al，Phys.Rev.A 65，011804(2001))，特别是载波相位稳定的中红外飞秒激光脉冲源。在可见和近红外波段，获得超短脉冲激光通常都采用谐振腔锁模技术，但是由于缺乏合适的激光增益介质，这种技术很难直接应用到中红外区。超短中红外激光脉冲的产生主要是利用了非线性频率转换技术，将可见的超短脉冲频率下转换到中红外区，所采用的技术包括：光学参量振荡(OPO)，参量放大(OPA)，四波混频(FWM)及差频产生(DFG)等，其中参量振荡法需要谐振腔的精确匹配，并且对输入光及非线性晶体的要求较高；参量放大要求泵浦光能量很高，且受晶体材料透光范围限制，输出光调谐范围相对较小。四波混频属于三阶非线性，效率较低。相比之下，差频法具有单通实验结构无需复杂腔型调整、输出激光调谐范围宽、效率较高等综合优点，因而受到了研究者的青睐。

差频法产生中红外飞秒脉冲的技术方案及装置很多，通常都采用钛宝石振荡器或放大器输出的飞秒脉冲进行频率转换。如文献6(Miriam R.X.de Barrors et al，Opt.Lett.，20 5(1995))采用同步双波长钛宝石振荡器输出的激光在AgGaS₂晶体中差频获得重复频率在82MHz的中红外飞秒激光，调谐范围为7.5m-12.5m，脉宽在450fs-650fs这一范围内波动。文献7(J.Song et al，Opt.Lett.，273(2002))以双波长钛宝石放大激光作差频源，AgGaS₂为差频晶体，混合得到脉宽730fs、9m-11m范围内可调谐的中红外脉冲输出。文献8(James M.Fraser et al，Appl.Phys，3621(1997))利用84MHz，90fs的钛宝石振荡器泵浦实现OPO振荡后，再利用信号光和闲频光在AgGaSe₂晶体中差频产生中红外飞秒脉冲，差频产生的中红外调谐范围为8m-18m，脉宽为310fs。

以上技术方案及装置光路结构复杂，需要分光调延时光路，而且产生的中红外波长范围偏远红外端、脉宽较宽，特别是中红外飞秒脉冲的载波相位随时间在漂移，无法用做阿秒产生的驱动源。文献9(R.A.Kaindl et al，Opt.Lett.，23 11(1998))采用钛宝石振荡器输出的20fs脉冲分别注入到GaSe晶体和GaAs晶体中，得到了调谐范围为9～18m，脉宽140fs的中红外激光输出。这种技术原理上通过对同一束光的差频自动将载波包络相位消除，得到的是载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲，但是由于采用的飞秒脉冲的光谱范围不够宽，脉宽不够窄，而且没有考虑色散补偿及使用的非线性晶体是双折射相位匹配类型，所以导致产生的中红外脉冲也偏向远红外端，脉宽大于100fs。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明提供一种光路结构简单、脉宽足够窄的载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲产生方法及装置。

为实现上述目的，本发明一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生方法，具体步骤为：采用一束宽谱的飞秒激光脉冲作为驱动源，经若干啁啾镜及一对尖劈进行色散补偿后，利用凹面银镜令激光以小角度出射后聚焦到一块非线性晶体中，经过差频效应后的激光再经过红外截止滤光片，得到载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲。

进一步，所述宽谱的飞秒激光脉冲为振荡器直接输出的高重复频率低能量飞秒脉冲(＞100MHz)或者为放大器输出的低重复频率高能量飞秒脉冲(≤1kHz)，并且所述宽谱飞秒激光脉冲其谱宽要足以支持周期量级飞秒脉冲，所述周期量级飞秒脉冲的脉宽在10fs以下。

进一步，所述宽谱飞秒激光脉冲从放大器中输出，在所述放大器和所述啁啾镜之间还设置若干带通滤光片。

本发明一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生装置，包括色散补偿系统、第一凹面银镜、第二凹面银镜、非线性晶体和红外滤光片，色散补偿系统包括啁啾镜组和一对尖劈，该啁啾镜组由若干啁啾镜构成，所述啁啾镜组中啁啾镜的摆放位置能保证宽谱的飞秒激光脉冲以小角度入射在一啁啾镜之后并以小角度依次反射到其它啁啾镜上，两尖劈以布儒斯特角相互平行设置，并且两个尖劈的顶尖相对，通光面呈近距离平行，该通光面设置在啁啾镜组的输出光路上，其中一块尖劈固定不动，另外一块尖劈能够在输出光路的垂直方向移动；所述色散补偿系统用来对所述宽谱的飞秒激光脉冲色散补偿，其中，所述啁啾镜提供固定的负色散，所述尖劈提供可调的正色散；第一凹面银镜设置在两尖劈的输出光路上，非线性晶体设置在第一凹面银镜的输出光路上，并可以沿输出光路方向移动，第二凹面银镜设置在非线性晶体的输出光路上，两凹面银镜的焦距相同分别以小角度放置，保证激光均以小角度入射到两凹面银镜上，并且两凹面银镜的间距为第一凹面银镜的两倍焦距，非线性晶体设置在第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦点处，红外滤光片设置在非线性晶体至第二凹面银镜输出光路的反射输出光路上。

进一步，若采用放大飞秒脉冲作驱动源，所述载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生装置还包括若干带通滤光片，该带通滤光片放置在光源和所述啁啾镜之间，并保证光源发出的放大飞秒脉冲以小角度入射到所述带通滤光片上。

进一步，所述带通滤光片参数为：750nm-850nm高透并且600nm-750nm高反并且850nm-950nm高反。

进一步，所述尖劈的材料为熔石英或氟化钙，并且顶尖角度在5度以内；所述色散补偿系统保证经过色散补偿后的宽谱飞秒脉冲为无啁啾的。

进一步，所述第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦距为25mm或30mm或35mm。

进一步，所述第一凹面银镜和第二凹面银镜的焦距为300mm或350mm或400mm。

进一步，所述非线性晶体为电极化周期的准相位匹配掺氧化镁的铌酸锂(PP-MgO-LN)，其尺寸为：3×2×1mm，极化周期为17.84μm或者11.21μm；所述红外滤光为1000nm或2000nm以上波长透过的长波通红外滤光片。

和现有的技术相比，本发明具有如下的特点：

1.采用一束超宽光谱的周期量级飞秒脉冲作为驱动源，通过自差频技术得到了3-5μm波段载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲，无需采用反馈电路进行相位控制，填补了国际上在此波段无此类飞秒脉冲的空白。

2.由于本发明采用了啁啾镜和尖劈共同补偿色散技术，可以精细地微调飞秒脉冲各光谱成份间的色散，保证了较宽的调谐范围和较高的转化效率。

3.本发明采用凹面银镜作为聚焦镜，避免了飞秒脉冲经过透镜聚焦后可能引入的多余的材料色散，使飞秒脉冲自差频更易产生3-5μm中红外飞秒脉冲。

本发明设计思想灵活，光路简洁紧凑，不但可以获得高重复频率载波相位自稳定中红外飞秒脉冲激光，而且可以获得低重复频率此类激光。本发明专利结合啁啾镜尖劈补偿色散、准相位匹配晶体、带通滤波等新的改进技术，采用超宽光谱、周期量级的飞秒脉冲作为驱动光源，通过在非线性晶体中的差频作用产生了载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲，波长范围在2.2μm-4.5μm之间，脉宽在20fs左右。这种中红外飞秒脉冲通过放大后将是产生阿秒脉冲理想的驱动光源。

附图说明

图1为飞秒脉冲载波相位及其漂移示意图；

图2为实施例1中本发明装置的结构示意图；

图3为实施例3中本发明装置的结构示意图；

图4为实施例1振荡器输出的飞秒脉冲光谱曲线；

图5为实施例2差频后所获得的中红外曲线图；

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，本发明一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生装置，包括色散补偿系统、两个凹面银镜、非线性晶体和红外滤光片，色散补偿系统包括两个啁啾镜1，2和一对尖劈3，4，啁啾镜1，2的二阶色散量为-70fs²，尺寸为25.4*4mm，两个啁啾镜呈小角度放置，保证激光以小角度入射在啁啾镜1，2上，并且激光在啁啾镜1，2的镜面上来回反射四次，提供-280fs²的二阶色散补偿；尖劈3，4材料为熔石英，顶尖角度为2度，尺寸为20*40mm，表面不镀膜，两个尖劈3，4以布儒斯特角(大约120度)平行放置，并且两个尖劈3，4的顶尖相对，通光面呈近距离平行，其中一个尖劈3固定，另外一个尖劈4装在一个一维平移台上，平移台移动方向与光路垂直，通过移动平移台可以改变尖劈4的插入量，第一凹面银镜5的焦距为25mm，保证从尖劈射出的激光以小角度入射到第一凹面银镜5上，并且其凹面在尖劈4输出光路上，第二凹面银镜6的焦距也为25mm，其凹面与第一凹面银镜5的凹面相对放置，两个镜面之间的距离大约为50mm，一块长方体掺氧化镁的PPLN晶体7放置在第一凹面银镜5和第二凹面银镜6之间的焦点处，晶体7的极化周期为17.84μm，通光厚度为2mm，通光面大小为3*1mm，从第一凹面银镜5以小角度反射出的激光聚焦在晶体7上，为了细调晶体的位置，可以将晶体安装在一个一维平移台上，平移台移动方向与光路平行，第二凹面银镜6的反射输出光路上设置一红外滤光片8，其截止波长为2000nm。

实施例2：

本发明一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生方法，具体步骤为：采用钛宝石振荡器直接输出的飞秒脉冲作为驱动源，如图4所示，飞秒脉冲的典型参数为：重复频率为180MHz、功率为300mW、中心波长在800nm、谱宽覆盖600nm-1000nm范围，激光经过两个啁啾镜及一对尖劈进行色散补偿后，激光以小角度入射到第一凹面银镜上再聚焦到掺氧化镁的PPLN晶体上，经过差频效应后，其输出光谱的曲线如图5所示，激光经第二凹面银镜反射，再经过红外截止滤光片得到载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲。

实施例3：

如图3所示，本发明一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生装置，包括两个带通滤光片、色散补偿系统、两个凹面银镜、非线性晶体和红外滤光片，两个带通滤光片9，10以小角度相对平行放置，其中，两个带通滤光片为特殊设计的镀膜镜片，镀膜参数为：750nm-850nm高透，600nm-750nm高反，850nm-950nm高反。使用带通滤光片的目的是为了避免飞秒脉冲中800nm附近的光谱强度太大会损坏晶体，所以首先将这部分光强衰减。啁啾镜11，12、尖劈13，14与实施例1中设置方式相同，只是啁啾镜11，12的二阶色散量不同。凹面银镜15，16的焦距为400mm，两镜间距离约为800mm。晶体17及红外滤光片18参数与实施例1中相同。

实施例4：

本发明一种载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生方法，具体步骤为：采用钛宝石啁啾脉冲放大系统主要包括振荡器和放大器，从放大器输出的放大飞秒激光脉冲作为驱动源，其典型参数为：重复频率为1kHz，光谱覆盖550nm-900nm范围，单脉冲能量为400μJ；激光经过带通滤光片整形后剩余步骤与实施例1中相应步骤相同。

载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲产生过程为：一束具有宽光谱的飞秒激光脉冲，如果是放大激光，首先要经过小角度放置的带通滤光片的衰减，如果是振荡器直接输出的飞秒脉冲，则无需用带通滤光片。将光谱整形后的飞秒脉冲以小角度入射到具有负色散的啁啾镜上，经过若干个啁啾镜的反射后，再以布儒斯特角入射到一对平行放置的尖劈的表面，其中一个尖劈的插入量可调。透过尖劈后的飞秒激光被一面凹面银镜聚焦到一块放置在焦点附近的非线性晶体中，具有周期量级、无啁啾、宽光谱的聚焦飞秒脉冲在晶体中发生差频、倍频、自相位调制等非线性效应，由于同一束激光中的差频过程将飞秒脉冲的载波包络相位自动抵消，因此差频产生的中红外飞秒脉冲载波包络相位为0，即自稳定的。这样的飞秒脉冲经过晶体后再被一面具有相同焦距的凹面银镜反射出来，最后再经过一片红外截止滤光片将基波、倍频光等滤掉，从而得到载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲。