基于切伦科夫辐射实现亚飞秒级超短脉冲合成的方法与流程

本发明属于光学领域，特别涉及到一种基于切伦科夫辐射实现亚飞秒级超短脉冲合成的方法。

背景技术：

超短脉冲激光技术的飞速发展极大地推进了激光与物质相互作用的研究，从早期的纳秒脉冲、皮秒脉冲到现在飞秒脉冲甚至到阿秒脉冲，这些不断缩短的脉冲光源为物理、化学、生物、医疗等领域的研究提供了强有力的工具，同时为更短时间尺度、更高时间分辨的激光与物质相互作用新现象新规律的发现和探索提供了可能。超短脉冲光波形合成技术是实现在亚飞秒到阿秒尺度下操控电子微观行为的重要手段之一。其中，产生高效率宽频谱且相位相干、频率相称的频率梳是实现超快光波形合成的前提和难点。

目前，国内外产生适用于超快光场合成的频率梳主要有分子调制法【参见science,2011.331(6021):p.1165-1168】和高次谐波法【参见nature,2004.427(6977):p.817-821】。然而高效的分子调制需要靠近分子拉曼跃迁共振区，因此有效的输出频率范围只限于ghz量级。人们对高次谐波产生方案在理论和实验上开展了大量的探索，但其主要不足在于能量转换效率比较低，一般小于10^-6量级。这两种方法对驱动激光器参数和系统稳定性具有较高要求，并且实验装置庞大复杂，且合成脉冲输出效率距离实际应用仍有较大距离。

利用双折射或准相位匹配法可以实现高效率的高阶谐波产生，并自动满足频率相称的要求。该方案使用全固态光学装置，大大减小了整个实验装置体积和复杂程度，为日后研制稳定可靠的可集成器件提供了可能性【参见opticsletters,2012.37(14):p.2805-2807】。然而，基于双折射相位匹配及准位相匹配产生高阶谐波的过程面临相位抖动，晶体精密切割，极化制备困难等问题，对制备集成商业化的光函数发生器提出了巨大的挑战。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于切伦科夫辐射实现亚飞秒级超短脉冲合成的方法，本发明的超短脉冲合成方法利用全固态的光学装置，创新性地利用非线性切伦科夫型高阶谐波，降低了对非线性晶体取向切割及结构的制备要求，谐波频率范围从红外及可见光波段拓展到紫外波段。实现亚飞秒级光波形合成过程，完成高效率、高保真度的超快光场波形合成。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于切伦科夫辐射实现亚飞秒级超短脉冲合成的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，建立基准光路，所述基准光路包括六维旋转平移台、非线性晶体、第一色散棱镜、振幅型液晶光调制器、相位型液晶光调制器、第二色散棱镜、第三色散棱镜，

所述非线性晶体置于六维旋转平移台上，入射激光在非线性晶体内偏振沿非线性晶体光轴方向，入射激光在非线性晶体的内表面发生全内反射，旋转六维旋转平移台调节非线性晶体的角度，使非线性切伦科夫辐射在非线性晶体内表面发生，

步骤2，根据入射激光在非线性晶体内表面反射的角度确定各阶倍频光在晶体中的非线性切伦科夫辐射角，利用所得数据设计光路及各光学元件参数，保证各阶光波的时间同步，所述的各阶倍频光在非线性晶体中的非线性切伦科夫辐射方向与基频光反射面法线方向的夹角为θm，所述θm满足关系式nmsinθm＝n1sinα，其中所述的m为倍频光的阶数，均为正整数，基频光取m＝1；nm为各阶光波的折射率；α为入射激光在非线性晶体内表面入射方向与反射面法线方向的夹角，θm为各阶光波的切伦科夫辐射角；

步骤3，入射激光产生的基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光及更高阶倍频光沿各自的辐射角出射，在空间中依次排列，经第一色散棱镜后水平传输，根据最终所需超短脉冲的波形，经过傅立叶光谱合成算法得到各光束的相对振幅am及相位所述的傅立叶光谱合成算法为其中e为合成脉冲的电场；am为各阶光波的电场振幅；ω为基频光的角频率；为相邻阶数倍频光相位差，利用振幅型液晶光调制器及相位型液晶光调制器调节各光束的振幅am及相位保证相邻阶数倍频光相位差相等，所述基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光依次经过振幅型液晶光调制器、相位型液晶光调制器调制后，经过第二色散棱镜，各阶光波传输方向由平行变为汇聚，经第三色散棱镜后，合成为一束亚飞秒级超短脉冲，所述基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光经过第一色散棱镜、第二色散棱镜、第三色散棱镜后各光束的光程相同，满足各阶光波在第三色散棱镜合成时的时间同步要求。

所述非线性晶体为铌酸锂、偏磷酸钡、磷酸二氢钾,包括但不限于以上三种。

所述更高阶倍频光为六倍频光、七倍频光及七倍频以上的倍频光。

所述第一色散棱镜、第二色散棱镜、第三色散棱镜之间构成色散补偿棱镜对。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

①本发明创新性地利用非线性切伦科夫型高阶谐波，降低了对非线性晶体取向切割及结构的制备要求，谐波频率范围从红外及可见光波段拓展到紫外波段；②本发明能够实现高效转化率，高保真度的亚飞秒级光场波形合成，五倍频转换效率达0.2％；③本发明实验装置结构简单、系统稳定性高、体积小、造价低，可用于制造商业化集成光函数发生器，具有重要的实用价值。

附图说明

图1是本发明中基准光路的整体结构示意图。

图2是原始基频飞秒脉冲信号电场强度随时间的变化的示意图。

图3是五阶谐波合成后产生的亚飞秒级脉冲信号电场强度随时间的变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明基于切伦科夫辐射实现亚飞秒级超短脉冲合成的方法作进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其具体结构和实现过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1-图3所示，本实施例基于切伦科夫辐射实现亚飞秒级超短脉冲合成的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，建立基准光路，所述基准光路包括六维旋转平移台1、非线性晶体2、第一色散棱镜3、振幅型液晶光调制器4、相位型液晶光调制器5、第二色散棱镜6、第三色散棱镜7，

所述非线性晶体2置于六维旋转平移台1上，入射激光8在非线性晶体2内偏振沿非线性晶体光轴方向，入射激光8在非线性晶体2的内表面发生全内反射，旋转六维旋转平移台1调节非线性晶体2的角度，使非线性切伦科夫辐射在非线性晶体2内表面发生，

步骤2，根据入射激光8在非线性晶体2内表面反射的角度确定各阶倍频光在晶体中的非线性切伦科夫辐射角，利用所得数据设计光路及各光学元件参数，保证各阶光波的时间同步，所述的各阶倍频光在非线性晶体2中的非线性切伦科夫辐射方向与基频光反射面法线方向的夹角为θm，所述θm满足关系式nmsinθm＝n1sinα，其中所述的m为倍频光的阶数，均为正整数，基频光取m＝1；nm为各阶光波的折射率；α为入射激光8在非线性晶体2内表面入射方向与反射面法线方向的夹角，θm为各阶光波的切伦科夫辐射角；

步骤3，入射激光8(即入射的基频光)产生的基频光9、二倍频光10、三倍频光11、四倍频光12、五倍频光13及更高阶倍频光沿各自的辐射角出射，在空间中依次排列，经第一色散棱镜3后水平传输，根据最终所需超短脉冲的波形，经过傅立叶光谱合成算法得到各光束的相对振幅am及相位所述的傅立叶光谱合成算法为其中e为合成脉冲的电场；am为各阶光波的电场振幅；ω为基频光的角频率；为相邻阶数倍频光相位差，利用振幅型液晶光调制器4及相位型液晶光调制器5调节各光束的振幅am及相位保证相邻阶数倍频光相位差相等，所述基频光9、二倍频光10、三倍频光11、四倍频光12、五倍频光13依次经过振幅型液晶光调制器4、相位型液晶光调制器5调制后，经过第二色散棱镜6，各阶光波传输方向由平行变为汇聚，经第三色散棱镜7后，合成为一束亚飞秒级超短脉冲14，所述基频光9、二倍频光10、三倍频光11、四倍频光12、五倍频光13经过第一色散棱镜3、第二色散棱镜6、第三色散棱镜7后各光束的光程相同，满足各阶光波在第三色散棱镜7合成时的时间同步要求。

作为优选，本实施例中所述非线性晶体为掺杂有质量百分比为5％氧化镁的铌酸锂晶体。

作为进一步优选，本实施例中更高阶倍频光为六倍频光、七倍频光及七倍频以上的倍频光。

作为更进一步优选，本实施例所述第一色散棱镜3、第二色散棱镜6、第三色散棱镜7之间构成色散补偿棱镜对。

本实施例中采用波长为2050nm、脉宽为10fs的超短脉冲作为入射激光，其电场强度随时间的变化如图2所示，该入射激光产生的基频光波长为2050nm、二倍频光波长为1025nm、三倍频光波长为684nm、四倍频光波长为513nm、五倍频光波长为410nm，各阶倍频光将沿各自的非线性切伦科夫辐射角出射，在空间中依次排列，本实施例中入射激光的入射角α＝70°时，基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光的切伦科夫角分别为67.7151°、65.6553°、63.0086°、59.6447°。

调节基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光经第一色散棱镜3后水平传输，为获得高斯型亚飞秒级超短脉冲(亦可是三角波、方波等任意形状的超短脉冲，本实施例仅以高斯型超短脉冲为例)，经过傅立叶光谱合成算法得到各光束的相对振幅am相等，相邻阶数之间的相位差固定，利用振幅型液晶光调制器4以及相位型液晶光调制器5调节各光束的振幅相等，保证相邻阶数倍频光相位差相同。调制后的基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光经过第二色散棱镜6传输方向由平行变为汇聚，经第三色散棱镜7后合成为最终所需的高斯型亚飞秒级超短脉冲。第一色散棱镜3、第二色散棱镜6、第三色散棱镜7的作用除了调节基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光、五倍频光的传输方向，还需要调节各光束的光程，满足各阶光波在第三色散棱镜合成时的时间同步要求。本实施例最终合成的高斯型亚飞秒级超短脉冲的电场随时间的变化如图3所示。基频光脉冲宽度为10fs，合成后为亚飞秒量级的脉冲尖峰序列。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。