CN100576660C - 一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种利用表面光场增强效应在非线性介质中通过高次谐波过程产生紫外光学频率梳的方法，该方法包括泵浦光源的选择、表面光场增强的获得方式和高次谐波过程所需的非线性介质选择与放置，其特征在于该方法在满足共振条件的入射角情况下，飞秒振荡器输出的高重复频率的超短激光脉冲序列，在表面光场增强后，通过非线性介质中的高次谐波过程产生紫外光梳，其优点是可以利用飞秒振荡器输出的高重复频率的超短脉冲序列，直接产生紫外光梳，结构简单、易于操作、实验成本低、稳定性好。

Description

一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种利用表面光场增强效应在非线性介质中通过高次谐波过程产生紫外光学频率梳的方法。

背景技术

飞秒光学频率梳是连接光场时间域和频率域精密操控的桥梁。光场时域与频域同时精密操控为精密光谱学、超短脉冲相干控制、光钟等重要基础科学问题的研究以及尖端高新科学技术的发展带来重大革命性突破。然而，由于激光光源本身的限制，目前有关飞秒光梳的研究往往局限在可见和近红外波段。紫外波段光场时域和频域精密操控不仅可以拓宽精密光谱学研究的频谱范围，而且对一些基本物理常数的精确测量、X射线波段原子钟、全息显微成像、纳米平板印刷术等基础前沿科学研究具有非常重大的意义。紫外光学频率梳的研究将极大地推进精密光谱学向紫外及X射线等短波段延伸发展，提供给我们更高精度的时间频率标准以及超高的时间空间分辨率。

利用高次谐波，人们可以有效地将波长从可见、近红外波段拓展到紫外以及X射线波段。基于高重复频率的飞秒脉冲序列的高次谐波产生是获得紫外光学频率梳的有效途径。高次谐波的产生需要有较高的光强，通常是由基于放大级的高能量的激光***来提供泵浦光源，这样的***一般较为庞大，运行的成本也较高。而且非常重要的一点是，高能量的激光放大***无法提供与振荡器相比拟的高重复频率的脉冲序列(几十MHz到几个GHz)，无法应用于飞秒紫外光学频率梳的产生。

最近，利用外腔增强的高次谐波产生方案，德国马普量子光学所以及美国JILA实验室的研究人员成功地获得了相干紫外光梳。通过控制外腔的腔长和色散与飞秒振荡源相匹配，使从振荡器输出的飞秒脉冲在外腔内相干叠加而得到放大，在腔内直接产生高次谐波，然后利用布儒斯特片或者在其中一片凹面镜的中心设计一个小孔等方法将产生的紫外光梳耦合输出。但这些方案存在一些不足，例如耦合效率低，高阶色散的影响，频谱宽度的限制等等。最近，人们提出了一种基于外腔增强的非共线高次谐波产生的方案，能够有效地产生紫外光梳，并且直接将其耦合输出，表现出非常高的耦合效率。

但是，由于从振荡器输出的激光脉冲能量有限而不能直接产生紫外光梳。上述基于外腔增强技术的方案中，利用在外腔中相干叠加来获得足够的单脉冲能量，同时又保持较高的重复频率，通过高次谐波过程以产生紫外光梳。由于腔镜镀膜以及色散的影响，外腔增强所能得到最宽频谱和最高单脉冲能量将受到限制。同时，外腔增强需要复杂的光路和电路，其所能获得增强因子受到腔镜镀膜以及电路设计水平的限制。只有使用反射率非常高的宽带高反啁啾镜，同时配有非常好的稳腔稳频电路才能获得较好的增强因子。外腔的稳定性对环境的要求也比较高，需要有一个温度尤其是振动都非常稳定的实验环境。

已有的研究表明，基于光场与表面等离子体波的耦合，在共振的情况下，我们可以很容易地在表面获得相对于入射光几十到几百倍的增强。利用表面增强效应，人们已经在纳米波导、表面等离子体光子芯片、耦合器、亚波长光学数据存储、突破衍射极限的超分辨成像、纳米光刻蚀术、以及生命科学等领域开展了一系列的研究工作。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法，该方法将表面光场增强与高次谐波产生相结合，利用飞秒振荡器输出的高重复频率的超短激光脉冲序列，直接产生紫外光梳，结构简单稳定。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法，包括泵浦光源的选择、表面光场增强的获得方式和高次谐波过程所需的非线性介质选择与放置，其特征在于该方法在满足共振条件的入射角情况下，飞秒振荡器输出的高重复频率的超短激光脉冲序列，在表面光场增强后，通过非线性介质中的高次谐波过程产生紫外光梳。

所述的表面光场增强的获得方式包括基于光栅耦合的方式，该方式以满足共振条件的合适入射角，利用光场在光栅表面与等离子体波共振而获得光场增强。

所述的表面光场增强的获得方式包括基于衰减全反射耦合的方式，该方式以满足共振条件的合适的入射角，通过石英或玻璃棱镜，利用光场在金属薄膜和空气之间与表面等离子体波共振而获得光场增强。

所述金属薄膜采用惰性金属，其厚度40-60纳米。

所述的非线性介质是惰性气体原子、或者惰性气体离子、或者是惰性气体稳定的团簇。

所述的气体均匀地分布在增强光场的周围、或者通过气体喷嘴喷射到光场所在位置。

泵浦光源为可见或者红外波段的高重复频率飞秒激光脉冲序列。

本发明的优点是可以利用飞秒振荡器输出的高重复频率的超短脉冲序列，直接产生紫外光梳，结构简单、易于操作、实验成本低、稳定性好。

附图说明

附图1为本发明实施例1的结构示意图；

附图2为本发明实施例2的结构示意图；

附图3为本发明实施例3的结构示意图；

附图4为本发明实施例4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，在合适入射角的情况下，飞秒振荡器输出的高重复频率的超短激光脉冲序列，在光栅或者金属薄膜表面与表面等离子体波发生共振耦合，而得到几十倍到几百倍的增强，通过非线性介质中的高次谐波过程产生紫外光梳。

金属薄膜通常是金、银、铜等惰性金属，其厚度通常为数十纳米，本实施例中选择40-60纳米。

泵浦光脉冲或者预先被整形，或者引入预啁啾以补偿色散。泵浦光可以是一束或者多束光同时泵浦，不同光束可以具有相同或者不同的波长。

由于光场增强效应发生在入射光场与表面等离子体波共振的情况下，所以要根据入射激光的频率和耦合实际情况，选择合适入射角以满足共振条件。

产生的紫外光学频率梳的频率间隔与入射脉冲激光的重复频率相一致。

整个***需要放置在真空室中。

在下述实施例中，以从Ti:Sapphire飞秒振荡器输出的中心波长在800nm的飞秒脉冲序列为例，但其它波段的实施与该波段实施方法一致。产生高次谐波过程所需的非线性介质选通常的惰性原子或者分子气体为例。

如图1-4所示，标号1-7分别表示：从Ti:Sapphire飞秒振荡器输出的中心波长在800nm的飞秒脉冲1、石英或者玻璃棱镜2、金属薄膜3、紫外光梳辐射4、电极板5、电极板6、光栅7。

实施例1：本实施例采用的是基于光栅耦合方式，利用整形脉冲产生紫外光梳。

如图1所示，M1、M2、M3为中心波长在800nm的宽带高反镜，G1、G2为光栅对，L1、L2为等焦距的透镜，SLM为空间光调制器。

在本实施例中，利用由G1、G2、L1、L2和SLM组成的4f脉冲整形***，对入射飞秒脉冲1进行脉冲整形，以实现对产生的紫外光梳4进行优化控制。在合适入射角的情况下，入射飞秒脉冲1在光栅7表面与表面等离子体波共振耦合获得增强，通过非线性气体中的高次谐波过程产生紫外光梳。当然，入射脉冲也可以不经过整形，而直接用于紫外光梳4的产生，相当于在本实施例的基础上省去脉冲整形的***。

实施例2：本实施例基于衰减全反射耦合方式，利用预啁啾脉冲产生紫外光梳。

如图2所示，M1为中心波长在800nm的宽带高反镜，P1、P2、P3、P4为棱镜对。

本实施例中，基于衰减全反射耦合方式，在一面镀有金属薄膜3的石英或者玻璃棱镜2表面，获得几十到几百倍的光场增强，通过非线性气体中的高次谐波过程产生紫外光梳4。由于用于光场增强的棱镜为色散元件，会使得入射飞秒脉冲在时间上展宽，降低峰值功率，不利于紫外光梳的产生。因此，需要对入射脉冲1进行色散管理，因此利用由P1、P2、P3、P4组成的棱镜对，通过调整P1、P2和P3、P4之间的距离控制具啁啾结构，以补偿色散。当然，还可以利用其它方法，如光栅对、啁啾镜等色散管理***补偿色散。

实施例3：本实施例基于衰减全反射耦合方式，在外加电场的情况下，利用预啁啾脉冲产生紫外光梳。

如图3所示，M1、M2为中心在800nm的宽带啁啾镜，M3为中心波长在800nm的宽带高反镜。

本实施例与实施例2的区别在于，在本实施例中将实施例2中的***放置在一个由电极板5、电极板6构成的外加电场之中，以增强控制高次谐波产生，同时利用啁啾镜进行色散管理。当然，这里也可以利用棱镜对、光栅对等色散管理***对其进行色散补偿。外加附加电场的目的是控制、束缚高次谐波过程中产生的电子的运动过程，增强紫外光梳的产生效率。外加电场的强度可以通过调节加载在电极板5、6上的电压进行控制。外加电场方向可以如图3中所示垂直于金属薄膜，也可以在纸面内转过90度而平行于金属薄膜表面。这里，电场也可以换成磁场，以控制优化高次谐波的产生。外加电场、磁场的方案也可以同样应用的到本发明提及的其它实施例中。

实施例4：本实施例基于衰减全反射耦合方式，利用双脉冲产生紫外光梳。

如图4所示，M1、M2为中心波长在800nm的宽带半透半反镜，M3-M10为中心波长在800nm的宽带高反镜，M11、M12为为中心在800nm的宽带啁啾镜。

本实施例与实施例2的区别在于，在本实施例中将实施例2中的入射脉冲替换为两束脉冲泵浦，并且利用啁啾镜补偿色散。入射飞秒脉冲经过M1分为两个脉冲，其中一个脉冲相对另一个脉冲的走过的光程可以利用由M5、M6构成的延时线进行调整，两个脉冲经M2又合成一束，但之间具有一个可调的相对延时。这样，通过调整两个脉冲之间的延时，产生不同的叠加光场，控制高次谐波过程中产生的电子的运动过程，优化控制产生的紫外光梳。当然，除了两个脉冲以外，还可以有三个或者更多的脉冲进行叠加，控制产生的紫外光梳，该实施方案也可以同样应用于该专利提及的其它实施例。

本领域技术人员不难发现，本发明并不局限于特定的表面增强方法，或者特定的高次谐波产生介质，任意基于光场与表面等离子体波共振耦合的增强方法与气体非线性介质相互作用都可以通过高次谐波过程用于紫外光梳的产生。

Claims (4)

1.一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法，包括泵浦光源的选择、表面光场增强的获得方式和高次谐波过程所需的非线性介质选择与放置，其特征在于该方法在满足共振条件的入射角情况下，飞秒振荡器输出的高重复频率的超短激光脉冲序列，在表面光场增强后，通过非线性介质中的高次谐波过程产生紫外光梳，泵浦光源为可见或者红外波段的高重复频率飞秒激光脉冲序列，所述的非线性介质是惰性气体原子、或者惰性气体离子、或者是惰性气体稳定的团簇、或者是惰性分子气体。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法，其特征在于所述的表面光场增强的获得方式是基于光栅耦合的方式，该方式以满足共振条件的合适入射角，利用光场在光栅表面与等离子体波共振而获得光场增强。

3.根据权利要求1所述的一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法，其特征在于所述的表面光场增强的获得方式是基于衰减全反射耦合的方式，该方式以满足共振条件的合适的入射角，通过石英或玻璃棱镜，利用光场在金属薄膜和空气之间与表面等离子体波共振而获得光场增强，所述金属薄膜采用惰性金属，其厚度40-60纳米。

4.根据权利要求1所述的一种基于表面光场增强的紫外光梳产生方法，其特征在于所述的气体均匀地分布在增强光场的周围、或者通过气体喷嘴喷射到光场所在位置。

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