CN116171515A - 短脉冲激光*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学***，该光学***包括：激光源(1)，其生成由输入激光波束(EL)中的激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射；分光元件(2)，其沿波束路线在激光源(1)之后，并将激光脉冲中的每一个分光成在空间上和/或时间上彼此分离的激光脉冲副本；组合元件(4)，其沿波束路线在分光元件(2)之后，并将激光脉冲副本叠加在输出激光波束中的各自激光脉冲中。本发明解决的问题是提供相对于现有技术有所改进的光学***。本发明是为了让光学***能够生成特别短且因此具有光谱宽带的高功率激光脉冲。根据本发明，沿波束路径在分光元件(2)和组合元件(4)之间布置至少一个多程单元(3)，激光脉冲副本传播通过该多程单元(3)，其中，多程单元(3)包含介质，激光脉冲副本在该介质中经历非线性光谱展宽。

Description

短脉冲激光***
技术领域
本发明涉及光学***，包括：
-产生脉冲激光辐射的激光源，脉冲激光辐射由输入激光波束中的激光脉冲的时间序列组成，
-沿波束路径在激光源之后的分光元件，分光元件将激光脉冲分别分光成空间上和/或时间上分离的激光脉冲副本；以及
-沿波束路径在分离元件之后的组合元件，组合元件将激光脉冲副本叠加在输出激光波束中的相应激光脉冲中。
背景技术
多年来，用于产生皮秒和飞秒范围内超短激光脉冲的激光***已受到极大的关注。
这种***的各种应用需要比激光***的增益介质所支持的脉冲持续时间更短的脉冲持续时间。此外，光学放大器中的效应(例如饱和或增益窄化)可能导致激光辐射的光谱带宽降低，这导致激光***输出处脉冲持续时间的不期望的增加。
众所周知的缩短脉冲持续时间的方法是利用非线性效应相干地生成新的光谱分量。相应的非线性相互作用可以发生在放大介质(非线性放大)中或沿波束路径发生在光学放大器下游的单独部件(非线性脉冲压缩)中。为了增加光谱带宽，激光辐射与介质之间最常用的非线性相互作用是自相调制(self-phase modulation,SPM)。SPM引起的光谱展宽可以在各种几何形状的介质中(例如在光学波导中(例如在光学纤维中))实现。
SPM是强度依赖效应，这意味着在高强度相互作用区域比在低强度区域发生更强的光谱展宽。因此，具有典型高斯波束轮廓的激光波束在通过非线性介质(例如，玻璃板)传播期间经历空间上不均匀的光谱展宽。与远离波束轴的边缘区域相比，波束轴附近的光谱展宽更为明显。然而，许多应用要求激光脉冲的光谱带宽在波束轮廓上是均匀的。
众所周知的实现空间上均匀的光谱展宽的方法是激光脉冲在波导中的传播。这些可以是例如传统的玻璃纤维、光子晶体纤维或空芯纤维。在空芯纤维中，气体(稀有气体、氮气或其他气体)通常被用作非线性介质。在这些纤维中，激光辐射的传播本征解(横向模式，优选为横向基本模式)在其整体上压印有非线性相，从而导致光谱展宽(参见S.
Figure BDA0004113415600000021
H.Carstens、J.Rothhardt、J.Limpert和A.Tünnermann，“两级非线性压缩产生的高重复率和平均功率的数十亿瓦特超短脉冲(Multi-gigawatt ultrashort pulses at highrepetition rate and average power from two-stage nonlinear compression)”，Opt.Express 19,7546-7552,2011)。
根据所使用的纤维类型(玻璃纤维或空芯纤维)，对可传播并因此压缩的脉冲能量产生了不同的限制。在具有玻璃芯的纤维中，脉冲峰值功率受到自聚焦的限制，而在充气空芯纤维中，电离效应通常确定了可以耦合的脉冲能量。因此，玻璃纤维适用于低至几μJ脉冲能量范围的非线性脉冲压缩，而空芯纤维允许在脉冲能量在mJ范围的情况下进行下游脉冲压缩。由于可忽略的色散，基于空芯纤维的方法适用于压缩到激光辐射电磁场的几个振荡周期的范围内的脉冲，这对应于仅由巨大的光谱带宽支持的脉冲持续时间。传统空芯纤维的纤芯直径为几百微米，纤维长度在一米或更短的范围内。通过所谓的拉伸空芯纤维可以将由于电离效应引起的限制提高到一定程度。纤芯直径的增加(高达1毫米)允许在不干扰电离的情况下耦合更高的脉冲能量，并减少固有的传播损耗。随着纤维长度的延长(高达>10米)，可以实现足够强的非线性相互作用。为了使弯曲损失最小化，长纤维保持拉伸(参见DE 10 2007 048 769 B3)。光谱上加宽的脉冲能量的当前记录值在20mJ的范围内(参见Vincent Cardin、Nicolas Thiré、Samuel Beaulieu、Vincent Wanie、
Figure BDA0004113415600000022
Légaré和Bruno E.Schmidt，“通过空芯光纤压缩在1.8μm处产生0.42TW 2周期脉冲(0.42TW 2-cyclepulses at 1.8μm via hollow-core fiber compression),”Appl.Opt.Phys Lett.107,181101,2015)。
用于在空间上均匀脉冲激光辐射的光谱展宽的另一种众所周知的方法(参见Nenad Milosevic、Gabriel Tempea和Thomas Brabec，“光学脉冲压缩：体介质与空心波导(Optical pulse compression:bulk media versus hollow waveguides),”Opt.Lett.25,672-674,2000)利用的事实是：在成像反射镜阵列(称为多程单元，被设计为稳定谐振器)中，介质中的光谱展宽在空间上均匀化。
多程单元包括聚焦反射镜布置，该聚焦反射镜布置在每个反射点处对耦合到多程单元的激光波束进行重新定向，使得波束传播被限制在沿多程单元中受控传播路径的预定义体积内，直到激光波束在多次反射之后通过多程单元的体积离开多程单元。多程单元的已知设计被称为例如怀特池(White cell)或赫里奥特池(Herriott cell)。
使用多程单元进行空间上的均匀光谱展宽需要整形和布置多程单元的反射镜，使得多程单元形成稳定的光学谐振腔表征存在高斯波束作为谐振器的横向本征解，谐振器的横向本征解以与非线性波导中的横向本征解相同的方式经历期望的光谱展宽的空间均匀化。
介电材料(例如，玻璃板)甚至气体(例如，稀有气体)可以被用作位于多程单元中的非线性介质。
用于实现多程单元的反射镜的破坏阈值限制了可压缩脉冲能量或可耦合到单元中的峰值脉冲功率。破坏阈值取决于激光辐射的强度。原则上，可以通过增加反射镜间隔来降低反射镜表面上的强度。此外，可以接近同心反射镜布置工作，这在所有对称配置中的反射镜表面上产生最大的波束半径。然而，这种配置导致小的激光辐射焦点，又必须在关于介质中的非线性相互作用的设计中考虑这一点。一方面，必须避免介质的破坏或过度电离，另一方面，每转累积的非线性相位不得超过某个极限值，以便避免波束质量下降以及不均匀的光谱展宽。
从现有技术中已知，通过将输入激光波束的每个激光脉冲分光成空间上分离的传播激光脉冲副本来规避激光***中强度相关的限制，之后，空间上分离的部分波束通过激光***的强度受限部件进行传播，部分波束中的每一个具有比输入激光波束相应更低的功率。随后，空间上分离的部分波束的相干或非相干组合发生在高功率的输出激光波束中。在光学放大器***(尤其是基于纤维的放大器***)中，空间上分离的放大已实现对新参数范围的渗透(参见Marco Kienei、Michael Müller、Arno Klenke、Jens Limpert和Andreas Tünnermann，“采用多维相干脉冲附加的12mJ kW级超快光纤激光***(12mJ kW-classultrafast fiber laser system using multidimensional coherent pulseaddition),”Opt.Lett.41,3343-3346,2016)。类似地，单个激光脉冲可以被分光成时间上分离的激光脉冲副本，通过激光***的强度受限部件在时间上分离地传播，然后相干地叠加回输出激光波束中的激光脉冲。这两种方法也可以结合使用。
发明内容
在此背景下，本发明的任务是提供与现有技术相比有所改进的光学***。特别是，应该可以用光学***生成特别短的、因而具有高功率和脉冲能量的光谱宽带激光脉冲。
本发明基于开头所示类型的光学***通过提供沿波束路径布置在分光元件和组合元件之间的至少一个多程单元传播激光脉冲副本解决了该问题。其中，多程单元包含介质，激光脉冲副本在该介质中经历非线性光谱展宽。
通过非线性光谱展宽，本发明通常意味着通过非线性相互作用在新的光谱区域中产生光学功率。
本发明基于应用波束分光概念的基本思想，即结合均匀光谱展宽在多程单元中生成空间上和/或时间上分离的传播激光脉冲副本。
为了避免达到多程单元的反射镜的破坏阈值，并且为了在不急剧增加反射镜间隔以及用于光谱展宽的元件的大小的情况下避免达到破坏阈值，根据本发明，每个激光脉冲被转换为多个(两个或更多个)激光脉冲副本，这些副本然后被耦合到空间上和/或时间上彼此分离的多程单元中，通过其中包含的介质(多次)传播，从而经历光谱展宽。随后，与原始激光脉冲关联的激光脉冲副本被再次叠加，以在输出激光波束中形成激光脉冲。
在激光脉冲副本的相干叠加中，各个激光脉冲副本的相位位置关系具有决定性的重要性。在叠加点处，相位位置在每种情况下都必须使得在时间上很大程度上不变并且很大程度上发生相长干涉；从而相位位置可以是被动稳定的或主动稳定的。这里可以使用已知的方法，例如通过使用Sagnac干涉仪(参见Florent Guichard、Yoann Zaouter、MarcHanna、Franck Morin、Clemens
Figure BDA0004113415600000041
Eric Mottay、Frédéric Druon和PatrickGeorges，“使用无源相干合成的非线性压缩设置的能量标度(Energy scaling of anonlinear compression setup using passive coherent combining),”Opt.Lett.38,4437-4440,2013)以用于被动地稳定叠加，或多通道Mach-Zehnder干涉仪，以用于相对于激光脉冲副本的数量可扩展的主动地稳定相干叠加(参见Arno Klenke、Marco Kienei、TinoEidam、Steffen/>
Figure BDA0004113415600000042
Jens Limpert和Andreas Tünnermann，“分脉冲非线性压缩(Divided-pulse nonlinear compression)”，Opt.Lett.38,4593-4596,2013和ArnoKlenke、Steffen/>
Figure BDA0004113415600000043
Marco Kienei、Tino Eidam、Jens Limpert和Andreas Tünnermann，“用于非线性压缩的光谱上加宽的飞秒脉冲的相干组合(Coherent combinationof spectrally broadened femtosecond pulses for nonlinear compression),”Opt.Lett.38,3520-3522.2014)。
优选地，空间上和/或时间上分离的激光脉冲副本传播通过单个多程单元。还可以设想，空间上分离的部分波束传播通过空间上分离的多程单元，其中，波束在多程单元处各自经历(几乎)相同的光谱展宽，并且随后在空间上叠加在输出激光波束中。
压印在激光脉冲上的啁啾可以通过合适的色散元件(例如，啁啾反射镜)被很大程度地移除，最终导致期望的脉冲持续时间减少。
在一个可能的实施例中，分光元件和/或组合元件各自被设计为衍射分束器。
分光元件和/或组合元件优选地各自包括具有不同反射率的区域的反射元件。特别优选地，分光元件和组合元件各自具有两个元件对，每个元件对由连续地反射元件和具有不同反射率的区域的反射元件组成，在元件对处激光辐射被连续多次反射，部分波束在垂直于传播方向的平面中形成二维矩阵。这使得可以实现空间上分离的部分波束的紧凑平行波束路径，激光脉冲副本沿紧凑平行波束路径传播。在这种情况下，部分波束的数量不必对应于不同反射率的区域的数量。有利的是，分光元件和组合元件具有相同的设计，从而在分光和组合期间补偿光学路径长度差异。
为了生成时间上分离的激光脉冲副本，有利的是提供分光元件和组合元件，分光元件和组合元件各自具有至少一个分束器和至少一个光学延迟路径。在不同长度的光学延迟路径上引导激光脉冲，从而导致激光脉冲副本的相应不同的时间延迟。
在另一优选实施例中，提供了从激光波束导出误差信号的误差信号检测器，以及控制器，该控制器从误差信号导出至少一个控制信号，用于控制沿波束路径布置的至少一个光学调制器。该控制回路可以有利地用于主动地控制沿输出激光波束的相干叠加。可以例如根据众所周知的LOCSET原理或通过顺序相位稳定来执行该控制(参见A.Klenke、M.Müller、H.Stark、A.Tünnermann和J.Limpert，“填充孔径强度相干组合光束阵列的顺序锁相方案(Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensity coherentcombination of beam arrays),”Opt.Express 9,12072-12080,2018)。由此，光学调制器可以具有例如与空间上分离的部分波束的阵列对应的相位调制器阵列，相位调制器与部分波束中的每一个关联。因此，并非必须控制阵列中的所有元件。通过控制部分波束的相位位置，部分波束的光学路径长度差异可能发生，并且如果适用的话，可以主动地补偿由于外部影响而引起的波动。
在另一个有利的实施例中，沿波束路径提供功率设置元件的布置，每个部分波束被分配功率控制元件，该功率控制元件沿此部分波束影响激光脉冲的功率。由于激光脉冲分光的缺陷，各个部分波束可能具有不同的强度。这可以通过功率设置元件(例如光学衰减器)来补偿。
有利的是，多程单元具有至少两个反射镜，选择反射镜的形状和布置使得多程单元形成稳定的光学谐振器。如上所述，在稳定的光学谐振器中，高斯模式被发现为横向本征解，从而发生期望的光谱展宽的空间均匀化。单元的反射镜可以具有在优选为宽光谱带宽上具有最小色散的介电层。替代地，金属反射镜可以形成多程单元，以增加反射带宽并在更宽的范围内最小化色散。然而，多程单元也有可能具有介电反射镜，介质和介电反射镜具有总体反常的色散。通过这种方式，多程单元可以生成激光脉冲副本的光谱展宽和时间压缩(孤子自压缩(soliton self-compression))。
附图说明
下面参考附图解释了本发明实施例的示例。它们示出了：
图1作为框图的根据本发明的光学***的示意性表示；
图2基于多反射的分离或组合元件；
图3作为框图的根据第二实施例中本发明的光学***的示意性表示；
图4作为框图的根据第三实施例中本发明的光学***的示意性表示。
具体实施方式
在图1的实施例示例中，来自激光源1(例如包括具有下游放大器的锁模振荡器)的脉冲激光辐射的输入激光波束通过分光元件2被分光成多个空间上分离的(优选为平行的)部分波束。分光元件2的功能有利地基于级联布置中的部分反射的反射镜或偏振分束器的布置、衍射元件或具有不同反射率的区域的反射镜的布置(参见下文)。空间上分离的部分波束被耦合到多程单元3中。它具有至少两个反射镜，根据稳定的谐振器配置选择这两个反射镜的间隔和形状。多程单元包含非线性介质(例如透明固体或气体)，该介质(在大多数情况下)通过SPM将相位压印到沿部分波束传播的激光脉冲副本，从而导致光谱展宽。同样，其他非线性过程也可以生成新的光谱分量。在这种情况下，在所有激光脉冲副本上都印上了近似相同的非线性相位。空间上分离的部分波束不表现出比光谱上展宽的激光脉冲副本的相干长度更大的光学路径差异。光谱上展宽的激光脉冲副本被耦合出多程单元3(例如通过其中一个反射镜的孔)，随后由组合元件4叠加并在空间上相干地组合。随后可以是脉冲压缩级5，例如使用合适的啁啾反射镜。同样地，多程单元3的反射镜以及其中包含的非线性介质可以具有反常总色散，并因此导致多程单元3中所有部分波束或激光脉冲副本的基本相同的孤子自压缩。
图2示出了基于多次反射的分光或组合元件，可用于根据本发明的***。该元件由四个子元件A、B、C、D组成。第一子元件A是反射率尽可能高的反射镜。第二子元件B(在所示示例中)示例性地包括具有不同反射率的四个区域。激光波束采用图2中所示的路径。可以选择子元件B的区域的反射率，使得入射的输入激光波束EL以特定比例被分成部分波束。示例是将所有部分波束分光成相等的部分。这通过将四个区域的反射率选择为75％、66％、50％和0％实现。出射的四个部分波束然后落在与两个子元件C和D的平面平行的表面上，这两个子元件朝向子元件A、B倾斜。子元件C也具有高度反射性。子元件D也具有不同反射率的四个区域(如前所述)。结果，如图所示，在垂直于波束路径的平面中生成了16个部分波束的二维阵列。根据期望的部分波束的数量(即根据分光比)，在每种情况下，子元件B和D处不同反射率的区域的数量可以是任意的。应当注意的是，区域的数量不一定必须等于部分波束的数量。区域也可以多次反射波束。分光元件2和组合元件4可以是相同的，并且以这样的方式布置：由此产生的16个部分波束的路径长度差异(理想为在相干长度内)几乎彼此抵消。
应当注意，多程单元3中平行的部分波束的焦点可能重叠。这可能导致部分波束的不期望的非线性相互作用。图2所示的分光/组合元件的特殊特征在于，平行的部分波束的激光脉冲副本在时间上彼此偏移，从而避免了激光脉冲副本之间的相互作用。时间偏移由高度反射到分离的反射镜的距离确定，并且可以根据沿输入激光波束的激光脉冲持续时间来选择。如有必要，空间上分离的部分波束之间的压印角可以减少或避免焦点的重叠。
分成具有尽可能相同功率的部分波束是重要的，因为多程单元3中的所有部分波束都应该经历几乎相同的非线性相互作用，这导致几乎相同的脉冲持续时间缩短，而且，这是组合元件4中用于生成输出激光波束的下游相干叠加的高组合效率的基础。为此，如图3所示，可以提供适用于部分波束阵列的功率致动器阵列6。在最简单的情况下，这可以例如通过可调衰减器阵列来实现。
在图3的实施例示例中，通过误差信号检测器7执行子波长范围中路径长度差异的检测。为此，可以使用已知的布置(参见例如Arno Klenke、Michael Müller、HenningStark、Andreas Tünnermann和Jens Limpert，“填充孔径强度相干组合光束阵列的顺序锁相方案(Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensitycoherent combination of beam arrays),”Opt.Express 26,12072-12080,2018)。组合元件4中干涉叠加的校正或稳定可以由相位调制器阵列8(例如，具有压电致动器的反射镜阵列)执行，该阵列又在其几何形状上适应于部分波束阵列。用于此目的的电子控制回路未在图3中示出。作为以上所描述主动稳定的替代方案，也可以使用被动方法。
在图4所示的示例中，分光元件2将输入激光脉冲分光成至少两个时间上分离的具有理想上相同脉冲能量的激光脉冲副本，在本示例中通过脉冲选择性功率控制9进行微调。在多程单元3中，激光脉冲副本的相应时间上分离的光谱展宽与随后在4处的相干组合一起执行，以生成输出激光波束。此外，随着激光脉冲的时间分光，激光脉冲副本的相对相位位置及其稳定性对于稳定发射至关重要，大部分脉冲能量被包含在输出激光波束中。这里也可以使用已知的用于检测和主动稳定的方法。在实施例示例中，用于检测相对相位位置10和用于相应主动控制11的元件被包括在为此目的的设置中。图4中也未示出电子控制部件。特别是对于激光脉冲副本的时间上分离的光谱展宽，可以使用无源方法(即不需要控制电子设备的方法)来设置激光脉冲副本在组合中正确的相对相位位置。
为了在13处将输入激光波束的单个激光脉冲分光成激光脉冲副本的时间序列，可以使用部分反射的反射镜、偏振元件(例如薄膜偏振器或偏振分束器)，例如，或者可以使用在不同偏振下具有不同渡越时间(transit time)的晶体(双折射晶体)。在4处相应的反向布置允许相干组合。
替代地(未示出)，在(例如通过结合高反射率的反射镜的法拉第旋转器)通过多程单元3之后，波束反转可以发生在***的输出处。反射后，激光脉冲副本沿相反方向传播通过多程单元3，使用分光元件2沿相反方向进行组合。
重要的是，特别是在***的输出处，所使用的光学部件支持非线性展宽激光脉冲的光谱带宽。
应当注意的是，多维划分(即分成在空间上和时间上彼此分离的激光脉冲副本)是可能的。这对应于例如图3和图4的实施例的组合。
为了克服可能由多程单元3的反射镜色散以及在生成极宽带(少周期)激光脉冲方面的相关限制引起的问题，金属反射镜可以有利地用于多程单元3，该多程单元3可能由表征良好导热性的衬底(例如铜或蓝宝石)上的金属层组成。

Claims (15)

1.一种光学***，包括：
-激光源(1)，所述激光源(1)生成由输入激光波束(EL)中激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射，
-分光元件(2)，所述分光元件(2)沿波束路径在所述激光源(1)之后，所述分光元件(2)将所述激光脉冲中的每一个分光成在空间上和/或时间上彼此分离的激光脉冲副本，
-组合元件(4)，所述组合元件(4)沿所述波束路径在所述分光元件(2)之后，并且所述组合元件(4)将所述激光脉冲副本叠加在输出激光波束中的相应激光脉冲中。
其特征在于，至少一个多程单元(3)沿所述波束路径布置在所述分光元件(2)和所述组合元件(4)之间，并且所述激光脉冲副本传播通过所述多程单元(3)，所述多程单元(3)包含介质，所述激光脉冲副本在所述介质中经历非线性光谱展宽。
2.根据权利要求1所述的光学***，包括沿所述波束路径布置在所述多程单元(3)后面的反射器，在所述激光脉冲副本传播通过所述多程单元(3)之后，所述反射器反射所述激光脉冲副本，之后所述激光脉冲副本沿相反方向传播通过所述多程单元(3)，其中，所述组合元件(4)由所述分光元件(2)形成，因为所述分光元件(2)在所述激光脉冲副本传播通过所述多程单元(3)之后沿后向方向将所述激光脉冲副本叠加在相应激光脉冲中。
3.根据权利要求1或2所述的光学***，其中，所述分光元件(2)和/或所述组合元件(4)包括具有不同反射率的区域的反射元件。
4.根据权利要求3所述的光学***，其中，所述分光元件(2)和/或所述组合元件(4)各自包括两个或更多个反射元件(A、B、C、D)，在所述反射元件处，所述激光辐射被连续地反射一次或更多次。
5.根据权利要求3或4所述的光学***，其中，所述分光元件(2)和所述组合元件(4)具有相同的结构。
6.根据权利要求1或2所述的光学***，其中，所述分光元件(2)和所述组合元件(4)各自包括至少一个分束器和至少一个光学延迟路径。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学***，其中，所述激光脉冲副本沿空间上分离的部分波束传播通过所述多程单元(3)。
8.根据权利要求7所述的光学***，其中，所述部分波束在垂直于所述波束路径的平面中形成二维阵列。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学***，包括从所述激光辐射得到误差信号的误差信号检测器(7)以及控制器，所述控制器从所述误差信号得到至少一个致动信号，用于驱动沿所述波束路径布置的至少一个光学调制器(8)。
10.根据权利要求8和9所述的光学***，其中，所述光学调制器(8)包括对应于部分波束阵列的相位调制器阵列，所述部分波束中的每一个具有与其关联的相位调制器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学***，其中，沿所述波束路径布置功率致动器(6)，其中，与每个部分波束关联的功率致动器(6)影响所述激光脉冲副本所在部分波束中的功率。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学***，其中，所述多程单元(3)包括至少两个反射镜，选择所述反射镜的形状和布置，使得所述多程单元(3)形成稳定的光学谐振器。
13.根据权利要求12所述的光学***，其中，所述多程单元(3)包括同心布置的球面反射镜。
14.根据权利要求12或13所述的光学***，其中，所述多程单元(3)包括金属反射镜。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的光学***，其中，所述多程单元(3)包括介电反射镜，其中，所述介质和所述介电反射镜具有反常总色散。
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