CN102522689B

CN102522689B - 载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源

Info

Publication number: CN102522689B
Application number: CN 201110434044
Authority: CN
Inventors: 李妍妍; 黄延穂; 王丁; 许毅; 陆效明; 王建州; 冷雨欣
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN102522689A

Abstract

一种载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，包括泵浦源、参量放大***、光谱展宽***及色散补偿***。本发明利用两个参量放大中的差频过程产生载波包络相位稳定的光束，通过双色镜合束后经透镜耦合进入空心光纤中进行光谱展宽和脉冲压缩，最后得到CEP稳定的具有连续超宽光谱带宽的飞秒超短激光脉冲输出。本发明装置简单，易于操作，避免了不同波段光束合成中的空隙问题，可获得连续的超宽光谱带宽，通过压缩得到CEP稳定的单周期乃至亚周期量级的飞秒超短激光脉冲输出，这在阿秒脉冲产生、泵浦探测、THz产生等方面有广泛应用。

Description

载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种载波包络相位(简称为CEP)稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，该装置通过空心光纤把两个参量放大过程输出的不同波段的CEP稳定的光束同时进行光谱展宽，得到连续的超宽光谱带宽，压缩后获得单周期乃至亚周期的飞秒超短激光脉冲。

背景技术

对于周期量级的激光脉冲，其电场强度的最大值在半个光周期中会发生明显的变化，这种脉冲电场峰值和脉冲包络峰值之间的偏差称为载波包络相位(CEP)。在不同的载波相位下，相同包络的激光脉冲的振荡情况也有很大差别，其与物质的相互作用也会有显著差别。因此，载波包络相位是很重要的影响因素。

超强超短激光脉冲为物理、化学和生物学等学科研究领域提供了强有力的实验手段和研究工具，而CEP在超短超强激光脉冲的应用方面发挥着决定性的作用，如高次谐波和阿秒脉冲的产生，多光子的电离以及光频的精密测量等。尤其是高次谐波和阿秒脉冲的产生，随着阿秒科学的诞生和发展，研究单个阿秒脉冲产生以及探测原子内部现象已成为国际激光领域的前沿课题，超短超强激光脉冲驱动惰性气体产生X射线波段的高次谐波正是获得单个阿秒脉冲的有效手段之一，因此，获得脉冲宽度短至周期量级，CEP稳定的飞秒超短激光脉冲的研究成为促进阿秒科学进一步发展的重要条件。

随着超强超短激光脉冲的发展，人们对脉冲宽度的要求越来越高，即脉冲宽度为周期、亚周期量级。这就需要更宽的光谱带宽来支持，但是受到现有技术的限制，光谱不可能被无限展宽。光束相干合成就是把不同波段的光束合成，从而得到超宽光谱带宽来支持周期量级激光脉冲。C.Manzoni等人利用光参量放大过程输出的光实现了相干合成，得到了500-1000nm的连续光谱(″Ultrabroadband pulse generation bycoherent synthesis of two optical parametric amplifiers″，Ultrafast Optics VIII，MontereyCA US，September 26，2011)。但是当两个波段的光没有重叠部分时，相干合成的光谱会出现“断裂”。Shu-Wei Huang等人基于相干波分复用采用波形合成技术把光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程输出的中心波长为0.87um的波段和中心波长为2.15um的波段的光进行合成，整个光谱跨越了1.8个倍频程，得到了一个可以驱动强场激光物理实验的亚周期非正弦型波形(参见″High-energy pulse synthesis with sub-cyclewaveform control for strong-field physics″，Nature Photonics，Vol.5，Page 475-479，August 2011)，由于两个波段没有叠加，得到的光谱不是连续的，为得到周期乃至亚周期量级激光脉冲带来了挑战。而空心光纤可对脉冲光谱进行展宽，如果我们把能量放大过程输出的不同波段的CEP稳定的光束耦合到空心光纤中进行展宽叠加，然后再经过色散补偿***进行脉冲压缩，即可得到CEP稳定的具有超宽光谱带宽的周期乃至亚周期量级激光脉冲输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，此装置利用非CEP稳定的光源实现双路CEP稳定光束的放大输出，然后利用空心光纤进行光谱展宽和压缩，获得CEP稳定的具有连续超宽光谱带宽的飞秒超短激光脉冲，为激光与物质相互作用的超快研究领域提供了必要的光源。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，包括泵浦源，特点在于其构成：在所述的泵浦源输出的泵浦光路上依次是第一分束片、第一透镜、白宝石、第二透镜、第二分束片和第一反射镜，在所述的第一分束片的反射光束方向依次是第三分束片和第二反射镜；在所述的第三分束片的反射光束方向和第一反射镜的反射光束方向的交点位置是第一光学参量放大器；在所述的第二反射镜的反射光束方向和第二分束片的反射光束方向的交点位置设有第二光学参量放大器；在所述的第一光学参量放大器输出光方向是第三反射镜，在第二光学参量放大器的输出光方向和第三反射镜的反射光的交点位置是双色镜，沿该双色镜的输出光方向依次经第二透镜、空心光纤和色散补偿***，其工作过程如下：泵浦源输出的泵浦光束G经过第一分束片后被分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经过第一透镜聚焦进入白宝石内产生白光超连续谱，产生的超连续谱经过第二透镜进行聚焦，聚焦后的超连续谱被作为信号光，经过第二分束片被分成透射信号光束和反射信号光束，透射信号光束经第一反射镜进入第一光学参量放大器中的非线性晶体内，反射信号光束直接进入第二光学参量放大器中非线性晶体内；所述的反射的泵浦光束，经过第三分束片被分成透射泵浦光束和反射泵浦光束，所述的反射泵浦光束直接进入第一光学参量放大器中，经过第一光学参量放大器中的延时装置和扩(缩)束装置，与所述的透射信号光同时进入第一光学参量放大器的非线性晶体中相互作用产生闲置光I_i1；所述的透射泵浦光束进入第二光学参量放大器中，经过第二光学参量放大器中的延时装置扩(缩)束装置，与透射信号光同时进入第二光学参量放大器的非线性晶体中相互作用，产生闲置光I_i2；所述的闲置光束I_i1经过第三反射镜后，与由第二光学参量放大器输出的闲置光束I_i2一起经双色镜合束，合束光经第三透镜耦合进入空心光纤中进行光谱展宽，经色散补偿***进行压缩，最终输出CEP稳定的具有超宽光谱带宽的飞秒超短激光脉冲。

所述的第一光学参量放大器和第二光学参量放大器中的非线性晶体为β-偏硼酸钡晶体(BBO)，三硼酸锂晶体(LBO)或磷酸钛氧钾晶体(KTP)。

所述第一光学参量放大器和第二光学参量放大器中的非线性晶体为BBO晶体、LBO晶体或KTP晶体，相位匹配采用I类或II类匹配技术，切割角度按匹配角度进行选取。

所述的空心光纤为放置在充有惰性气体的密封装置中的空心光纤。

所述的色散补偿***为啁啾镜或石英片。

本发明的优点和创新点为：

1.本装置设计简单，易操作，输出光束CEP稳定。

2.本装置采用非CEP稳定的光源，具有更广泛的应用。

3.本装置中各个参量放大过程是独立的，可进行多级级联，得到更高的能量及更宽的光谱带宽。

4.本装置利用空心光纤把不同波段的光进行光谱展宽叠加，避免了光谱的“断裂”，可获得具有连续的超宽光谱带宽的近单周期量级激光脉冲，为极端超快科学中种子源的产生提供了一种新的途径。

5.本装置中的脉冲合束部分基于空心光纤中的模式耦合，消除了光路指向性等造成的抖动影响，以及双光束空间合束的空间不匹配和抖动的影响，可以获得更佳的相干组束效果。

附图说明

图1为本发明实载波包络相位稳定的宽光谱带宽红外飞秒激光脉冲种子源实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中得到的此飞秒激光脉冲种子源***的光谱展宽示意图。

图3为本发明实施例中得到的压缩后的脉冲电场包络示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对装置作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参照图1，图1为本发明实载波包络相位稳定的宽光谱带宽红外飞秒激光脉冲种子源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宽光谱带宽超短激光脉冲种子源实施例，包括泵浦源1，在所述的泵浦源1输出的泵浦光路上依次是第一分束片2、第一透镜3、白宝石4、第二透镜5、第二分束片6和第一反射镜7，在所述的第一分束片2的反射光束方向依次是第三分束片8和第二反射镜9；在所述的第三分束片8的反射光束方向和第一反射镜7的反射光束方向的交点位置是第一光学参量放大器10；在所述的第二反射镜9的反射光束方向和第二分束片6的反射光束方向的交点位置设有第二光学参量放大器11；在所述的第一光学参量放大器10的输出光方向是第三反射镜12，在第二光学参量放大器11的输出光方向和第三反射镜12的反射光的交点位置是双色镜13，沿该双色镜13的输出光方向依次经第四反射镜14、第五反射镜15、第三透镜16、空心光纤17和色散补偿***18，泵浦源1输出的泵浦光束G经过第一分束片2被分成透射光束G[T]和反射光束G[R]，该透射光束G[T]经过第一透镜3聚焦进入非线性晶体白宝石4内产生白光超连续谱WLC，通过在光路中第一分束片2和第一透镜3之间***小孔光阑和可调密度衰减片来控制光束密度，以产生稳定的单丝白光超连续谱WLC，该白光超连续谱WLC经过第二透镜5进行聚焦。聚焦后的白光超连续谱WLC被作为信号光，经过第二分束片6被分成信号透射光束S[T]和信号反射光束S[R]，该信号透射光束S[T]经第一反射镜7进入第一光学参量放大器10中，所述的信号反射光束S[R]直接进入第二光学参量放大器11中，其中第一光学参量放大器10和第二光学参量放大器11中均包含有非线性晶体，信号光的焦点均在各自的非线性晶体内。经过第一分束片2反射的泵浦光束G[R]，经过第三分束片8被分成透射泵浦光束G[RT]和反射泵浦光束G[RR]：所述的反射泵浦光束G[RR]直接进入第一光学参量放大器10，经过第一光学参量放大器10内的延时装置和扩(缩)束装置，与所述的透射信号光S[T]同时进入第一光学参量放大器10中的非线性晶体内；透射泵浦光束G[RT]经过第二反射镜9进入第二光学参量放大器11，经过第二光学参量放大器11内的延时装置扩(缩)束装置，与所述的反射信号光S[R]同时进入第二光学参量放大器11中非线性晶体中。信号光与泵浦光分别在第一光学参量放大器和第二光学参量放大器内非线性晶体中相互作用，信号光被放大并产生闲置光I_i1、I_i2，实验证明，产生的两束闲置光均为CEP稳定的。闲置光束I_i1、I_i2通过双色镜13进行光束合束，经第四反射镜14，第五反射镜15，第三透镜16耦合进入空心光纤17中进行光谱展宽，再经色散补偿***18进行压缩，最终得到了CEP稳定的具有连续超宽光谱带宽的飞秒超短激光脉冲。

在本实施例中所述的泵浦光束G为波长800nm，重复频率1KHz，能量4mJ，脉冲宽度为35fs的激光脉冲。所述的非线性晶体均为BBO晶体，尺寸为12mm*12mm*2mm，相位匹配均采用II类匹配技术。第一分束片2为表面镀有对800nm反射率为92％，透射率为8％膜层的镜片。第二分束片8为表面上镀有对800nm反射率为50％，透射率为50％膜层的镜片。第三分束片6为表面镀有对超连续谱反射率为50％，透射率为50％膜层的镜片。第二反射镜9为表面镀有对800nm具有反射率高于99％膜层的镜片。第一透镜3为表面镀有800nm增透膜的透镜，第二透镜5为在表面镀有对超连续谱增透的膜层的镜片。所述的第一光学参量放大器10和第二光学参量放大器11内延时装置和扩(缩)束装置内的反射镜均为表面上镀有对800nm具有反射率高于98％膜层的镜片。第三反射镜12为表面镀有对出射光束I_i1反射率高于98％膜层的镜片。所述的双色镜13为表面上镀有对出射光束I_i1反射率大于98％，而对出射光束I_i2透射率大于98％的膜层的镜片。所述的第四反射镜14，第五反射镜15均为表面镀有对光束I_i1和I_i2反射率大于98％的膜层的镜片。所述的第三透镜16为表面镀有对光束I_i1和I_i2增透膜层的透镜。空心光纤17放置在一个密封装置中，里面充有氩气。色散补偿***18对不同波段的光分别进行色散补偿。

在本实施例中，通过调节非线性晶体BBO的角度，可实现不同波长的相位匹配，从而输出不同波段的CEP稳定的闲置光束，经双色镜13进行光束合成后，经第三透镜16耦合进入空心光纤17中进行光谱展宽叠加，图2为本发明实施例中得到的此飞秒激光脉冲种子源***的光谱展宽示意图。再经色散补偿***18进行脉冲压缩，图3为本发明实施例中得到的压缩后的脉冲电场包络示意图。从而可得到具有连续超宽光谱带宽的近单周期量级超短激光脉冲。由于两束闲置光的载波包络相位是稳定的，得到的飞秒激光脉冲的载波包络相位也是稳定的。

通过此载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，通过采用非CEP稳定的光源，在输出两束波长可独立调谐、CEP稳定的激光脉冲的基础上，然后利用空心光纤进行光谱展宽叠加和色散补偿技术进行脉冲压缩，我们可以得到单周期乃至亚周期量级的飞秒超短激光脉冲种子源，为阿秒科学的进一步发展提供了有利条件。

Claims

1.一种载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，包括泵浦源（1），特征在于其构成：在所述的泵浦源（1）输出的泵浦光路上依次是第一分束片（2）、第一透镜（3）、白宝石（4）、第二透镜（5）、第二分束片（6）和第一反射镜（7），在所述的第一分束片（2）的反射光束方向依次是第三分束片（8）和第二反射镜（9）；在所述的第三分束片（8）的反射光束方向和第一反射镜（7）的反射光束方向的交点位置是第一光学参量放大器（10）；在所述的第二反射镜（9）的反射光束方向和第二分束片（6）的反射光束方向的交点位置设有第二光学参量放大器（11）；在所述的第一光学参量放大器（10）的输出光方向是第三反射镜（12），在第二光学参量放大器（11）的输出光方向和第三反射镜（12）的反射光的交点位置是双色镜（13），沿该双色镜（13）的输出光方向依次经第三透镜（16）、空心光纤（17）和色散补偿***（18），其工作过程如下：泵浦源（1）输出的泵浦光束经过第一分束片（2）后被分成透射光束和反射光束两部分，其中所述的透射光束经过第一透镜聚焦进入白宝石内产生白光超连续谱，该超连续谱经过第二透镜（5）进行聚焦，聚焦后的超连续谱被作为信号光，经过第二分束片（6）被分成透射信号光束和反射信号光束，该透射信号光束经第一反射镜（7）进入第一光学参量放大器（10）中的非线性晶体内，所述的反射信号光束直接进入第二光学参量放大器（11）中非线性晶体内；所述的反射光束，经过第三分束片（8）被分成透射泵浦光束和反射泵浦光束，所述的反射泵浦光束直接进入第一光学参量放大器（10）中，经过第一光学参量放大器（10）中的延时装置和扩缩束装置，与所述的透射信号光同时进入第一光学参量放大器（10）的非线性晶体中相互作用产生闲置光束I_i1；所述的透射泵浦光束进入第二光学参量放大器（11）中，经过第二光学参量放大器（11）中的延时装置扩缩束装置，与所述的反射信号光同时进入第二光学参量放大器（11）的非线性晶体中相互作用,产生闲置光束I_i2；所述的闲置光束I_i1经过第三反射镜（12）后，与由第二光学参量放大器（11）输出的闲置光束I_i2一起经双色镜（13）合束，合束后的光经第三透镜（16）耦合进入空心光纤（17）中进行光谱展宽，光谱展宽后的光束经色散补偿***（18）进行压缩，最终输出CEP稳定的具有超宽光谱带宽的飞秒超短激光脉冲。

2.根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的宽光谱带宽超短激光脉冲种子源，其特征在于所述的第一光学参量放大器（10）和第二光学参量放大器（11）中的非线性晶体为β-偏硼酸钡晶体（BBO），三硼酸锂晶体（LBO）或磷酸钛氧钾晶体（KTP）。