压缩短或超短光脉冲的系统和方法以及关联的光脉冲激光系统与流程

本发明一般地涉及用于产生高功率和/或高能量超短光脉冲的激光系统的领域。

具体地，本发明涉及在时间上压缩光脉冲的光脉冲压缩系统或光脉冲压缩器的领域。

更具体地，本发明涉及用于压缩短或超短光脉冲的系统和方法。

它还涉及一种包括光脉冲压缩系统的激光系统。

背景技术：

非线性压缩系统的使用是指定期地用于减少光脉冲持续时间的方法，此方法一般在时间色散和放大之后进行。已知有许多非线性压缩系统，这些压缩系统实质上基于具有非线性光学特性的固体或气体介质中的入射光脉冲的自相位调制(spm)频谱展宽。

一种已知的压缩系统涉及使用实芯光纤。此装置的透射效率通常为80％左右，但是光脉冲的入射能量被限制为几微焦耳(μj)。

另一压缩系统涉及使用填充有气体的空心光纤。空心光纤用作波导，其结构可确保以低损耗(理想地没有损耗)引导光脉冲。为此，空心光纤包层具有微结构，以便具有这些引导特性。因此，此装置的透射效率在数十微焦耳的能量下非常高，通常为90％左右。但是，这些空心光纤在激光参数的鲁棒性(例如指向稳定性)或入射偏振的保持方面受到限制。

又一压缩系统涉及使用材料板。这些材料板包括对光源发射的波长透明的所有材料类型。例如，它是熔融石英、钇铝石榴石晶体(yag晶体)、氟化钙(caf2)或磷酸钛氧钾(ktp)。此装置允许实现强透射，但是必须限制压缩因子(通常低于5)，以保持光束的空间和时空质量。

又一压缩系统涉及使用填充有气体的毛细管。强压缩因子(通常大于10)可以使用高能量脉冲(例如，大于1mj)获得。但是，填充有气体的毛细管不充当波导，因此光脉冲的传播无损耗地发生。这样，为了限制此装置的损耗，必须在所使用的毛细管的长度和直径之间找到折衷。

最后，另一压缩系统涉及使用多通池(multi-passcell)，该多通池包含具有非线性光学特性的气体或固体元素，其中光束进行多次往返。此装置通过确保强透射效率(通常高于90％)来实现低于10的压缩因子。此外，保留了光束的空间质量。但是，用于多通池的反射镜的光学特性限制了此装置的性能。

最终，没有一种已知的压缩系统能够获得短或超短光脉冲，例如具有若干光周期(例如，低于10个光周期)的光脉冲，同时具有很高的效率(通常高于50％)和高压缩率(通常介于10到400之间)。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的上述缺点，本发明提出了一种用于压缩短或超短光脉冲的系统。

更具体地，根据本发明提出了一种用于压缩由光源发射的短或超短光脉冲的系统。根据本发明，所述压缩系统包括：

-第一非线性光脉冲压缩模块，其包括多通池，所述多通池包括第一非线性光学介质，以及

-第二非线性光脉冲压缩模块，其包括填充有第二气态非线性光学介质的毛细管和布置在所述毛细管的输出端的压缩器，

所述第一非线性压缩模块和所述第二非线性压缩模块串联地布置在源光脉冲的源光束的路径上，所述第一非线性压缩模块布置在所述第二非线性压缩模块的上游。

有利地，使用包括多通池的第一压缩模块和包括毛细管的第二压缩模块允许实现短或超短光脉冲(一般具有小于或等于若干光周期的持续时间)的强能量透射。在这些光脉冲持续时间内，在压缩系统输出端传输的平均功率非常高。而且，本发明的配置在紧凑的压缩系统中提供了很大的光束稳定性。

该第一压缩模块和该第二压缩模块的组合允许获得高于50％的能效，但是不会表现出时间或空间频谱退化。

单独地或根据所有技术上可能的组合使用的根据本发明的用于压缩短或超短光脉冲的系统的其他非限制性有利特征是以下项：

-所述第一非线性压缩模块包括布置在所述多通池的输出端的另一压缩器；

-所述多通池包括至少两个反射镜，所述源光束的传播区域限定在所述两个反射镜之间；

-所述两个反射镜是色散的，并且所述多通池引入了负色散；

-所述多通池的所述第一非线性光学介质包括具有非线性光学特性的流体介质；

-所述多通池的所述第一非线性光学介质包括固体非线性光学元件；

-所述第一非线性压缩模块包括用于聚焦所述源光束的第一聚焦光学系统，所述第一聚焦光学系统布置在所述第一非线性压缩模块的输入端，所述第一聚焦光学系统被设计为将传播模式耦合到所述多通池的聚焦区域中的所述源光束的尺寸；

-所述第二非线性压缩模块包括第二聚焦光学系统，所述第二聚焦光学系统布置在所述第二非线性压缩模块的输入端，所述第二聚焦光学系统被设计为将从所述第一非线性压缩模块发射的第一压缩光束聚焦到所述毛细管的输入端；

-所述第二非线性压缩模块包括用于调节第二压缩光束的色散的光学装置，所述光学装置布置在所述第二非线性光束压缩模块的输出端；

-所述另一压缩器包括至少一个色散镜和/或衍射光栅和/或棱镜和/或gires-tournoi干涉仪，并且所述压缩器包括至少一个色散镜和/或衍射光栅和/或棱镜和/或gires-tournoi干涉仪；以及

-所述第一非线性压缩模块的输出端的所述光脉冲的时间压缩的第一因子大于1且小于或等于20，优选地在5到20之间，并且其中所述第二非线性压缩模块的输出端的所述光脉冲的时间压缩的第二因子大于1且小于或等于20，优选地在5到20之间。

有利地，该第一压缩模块和该第二压缩模块的组合允许获得大于10且易于达到400的整体时间压缩因子。

本发明还提出了一种光脉冲激光系统，包括：

-光源，其被设计为产生短或超短光脉冲，以及

-如上文定义的光脉冲压缩系统。

本发明还提出了一种用于对由光源发射的短或超短光脉冲进行时间压缩的方法。

根据本发明，所述方法依次包括：

-通过第一非线性光脉冲压缩模块进行非线性光脉冲压缩的第一步骤，所述第一模块包括多通池，所述多通池包括第一非线性光学介质，以及

-通过第二非线性光脉冲压缩模块进行非线性光脉冲压缩的第二步骤，所述第二模块包括填充有第二气态非线性光学介质的毛细管和布置在所述毛细管的输出端的压缩器，

所述第一非线性压缩模块和所述第二非线性压缩模块串联地布置在源光脉冲的源光束的路径上，所述第一非线性压缩模块布置在所述第二非线性压缩模块的上游。

附图说明

通过非限制性示例给出的以下与附图相关的描述将使人们更好地理解本发明的内容及其实现方式。

在附图中：

-图1提出了根据本发明的激光系统的不同元件的示意图；以及

-图2提出了根据本发明的激光系统的不同元件的另一示意图。

具体实施方式

图1提出了根据示例性实施例的光脉冲激光系统1的不同元件的第一示意性表示。图2提出了根据本发明的光脉冲激光系统的不同元件的另一示意性表示。在下文中将同时描述这两个图的共同元件。

光脉冲激光系统1包括光源2和光脉冲压缩系统4。

光源2被设计为产生短或超短光脉冲。在本文中，“短或超短光脉冲”表示持续时间在几飞秒(fs)到100ps之间的光脉冲。由光源2发射的光脉冲的持续时间例如在200fs到400fs之间。光源2在此具有大约1030纳米(nm)的中心波长，以及7nm的半高频谱宽度。或者，光源的中心波长可以在可见光范围内或近红外光范围内，也可以在平均红外光范围内。

在此，实际上光源2产生高能量光脉冲。在本文中，“高能量光脉冲”是指能量高于10μj(例如在10μj到500mj之间)的光脉冲。高能量光脉冲例如在此具有100μj到1mj之间的能量。实际上，光源2例如是amplitudesystèmes公司的tangerine激光源、掺镱光纤激光器和放大器。在这种情况下，光源2产生的脉冲的持续时间约为330fs，每个光脉冲的能量约为225μj，重复频率约为150khz。相应的平均功率约为34w。

源光束100由在光源2的输出端产生的脉冲形成。实际上，光源2的输出端的源光束100的品质因子m²小于2。光源2的输出端的源光束100的品质因子m²例如等于1.4×1.2。

如图1和2所示，源光束100然后被导向光脉冲压缩系统4，在下文中也称为压缩系统4。

压缩系统4包括第一非线性光脉冲压缩模块10，在下文中也称为第一压缩模块10，以及第二非线性光脉冲压缩模块20，在下文中也称为第二压缩模块20。

第一非线性压缩模块10包括源光束100的第一聚焦光学系统12、多通池14。在所示的示例中，第一非线性压缩模块10进一步包括第一压缩器16。在本文中，第一压缩器16也称为另一压缩器。

第一聚焦光学系统12布置在第一压缩模块10的输入端。第一聚焦光学系统12在第一非线性压缩模块10中位于多通池14的上游。在本描述中，根据从光源2中的源光束100的产生到激光系统1的输出的光束传播方向使用术语“上游”和“下游”。

第一聚焦光学系统12被设计为将源光束100引导到多通池14的输入端。具体地，第一聚焦光学系统12被设计为将传播模式耦合到多通池14的聚焦区域中的源光束100的尺寸(也称为“腰”)。实际上，第一聚焦光学系统12例如包括三透镜布置。

多通池14包括至少两个反射镜30。实际上，两个反射镜30是凹面的。实际上，由两个反射镜30引起的色散为零，该色散相对于布置在多通池14中的第一非线性光学介质的色散(在下文中进行描述)具有相同或相反的符号。例如，反射镜30具有大约5cm的直径和大约300mm的曲率半径。两个反射镜30彼此相对地布置，并且以小于反射镜30的曲率半径的两倍的距离间隔开。实际上，多通池14例如由两个间隔约450mm的凹面反射镜形成。在多通池14中传播的光束102的传播区域限定在两个反射镜30之间。

多通池14还包括至少一个光学元件31，用于将源光束100引入传播区域。引入光学元件31布置在多通池14的输入端。引入光学元件31被设计为使源光束100朝着反射镜30取向。如图2所示，多通池14还可选地包括偏转镜32，该偏转镜32被设计为减小多通池14的体积。

实际上，引入光学元件31包括平面镜，例如尺寸为3mm×10mm的矩形平面镜。

对称地，多通池14包括至少一个提取光学元件35，用于从两个反射镜30之间的传播区域中提取光束102。提取光学元件35布置在多通池14的输出端，位于反射镜30的下游。提取光学元件35被设计为提取从多通池14射出的，具体地是从传播区域发射的光束105，并且将光束105引向多通池14的输出端。如图2所示，多通池14进一步可选地包括另一偏转镜34。

实际上，提取光学元件35包括平面镜，例如尺寸为3mm×10mm的矩形平面镜。

引入光学元件31和提取光学元件35以允许光束105在传播区域中，在两个反射镜30之间行进预定距离的方式耦合。例如，在这里，光束105的总传播距离约为24m，相当于在两个反射镜30之间的传播区域中往返27次。

多通池14包括第一非线性光学介质。该第一非线性光学介质有利于获得自相位调制所必需的3阶非线性磁化率。光脉冲与该第一非线性介质的相互作用允许这些光脉冲的频谱展宽。

实际上，第一非线性光学介质在两个反射镜30之间观察到的整个距离上延伸。作为替代，第一非线性光学介质可以覆盖两个反射镜30之间的距离的一部分。

第一非线性光学介质例如是流体介质。流体介质是指气体介质或液体介质。该流体介质具有非线性光学特性。

例如，第一非线性光学介质是气体介质。气体例如是压力为5bar的氩气。作为替代，气体介质例如包括任何稀有气体，例如氙气、氪气、氖气或氦气，或任何分子气体，例如空气。然后，多通池14包括至少一个气体传输元件36。气体传输元件36允许向多通池14注入气体和/或从多通池14提取气体。

作为替代，多通池可以容纳气流，该气流通过传输元件36传播。作为替代，多通池14内存在静态气压，静态气压可低于或高于大气压力，例如低于20bar。

作为又一替代，第一非线性光学介质可以是具有非线性光学特性的液体介质。实际上，液体介质可以包括任何液体类型，例如水、丙酮或甲醇。

作为又一替代，第一非线性光学介质可以是布置在两个镜30之间的传播区域中的固体非线性光学元件。固体非线性光学元件例如包括熔融石英或蓝宝石或钇铝石榴石(yag晶体)。

作为又一替代，第一非线性介质可以包括部分地覆盖两个反射镜30之间的距离的固体非线性光学元件和流体介质的组合。

在图1和图2所示的示例性实施例中，第一压缩器16布置在第一压缩模块10的输出端。第一压缩器16在第一压缩模块10中位于多通池14的下游。

在这样的压缩系统中产生超短脉冲需要精确地控制在多通池14中积聚的色散效应，特别是在频谱支持具有若干光周期(例如，小于10个光周期)的脉冲的情况下。

第一压缩器16被设计为对从多通池14发射的光束105的光脉冲进行时间压缩。在第一压缩器16中实现的压缩是线性压缩。例如(图2)，第一压缩器16包括两个色散镜40，这两个色散镜引入例如大约-4900fs²的总群延迟色散。作为替代，第一压缩器16可以包括单个色散镜。作为替代，第一压缩器16例如包括gires-tournoi干涉仪(gti)或所谓的“啁啾(chirped)”色散镜。

作为替代，第一压缩器16可以包括一个或多个衍射光栅和/或一个或多个棱镜。作为又一变型，第一压缩器16可以包括衍射光栅和棱镜的组合。

作为又一替代，多通池14的反射镜是色散镜，例如gires-tournoi干涉仪(gti)或所谓的“啁啾”镜类型的反射镜，这样，包括反射镜30和第一非线性光学介质的多通池便具有负的净色散。在这种情况下，多通池然后同时向光脉冲施加频谱展宽和第一时间压缩。接着在多通池14中发生自压缩现象。作为替代，在这种情况下，第一非线性压缩模块10可以不包括第一压缩器16，压缩仅在多通池14中发生。

如上所述，压缩装置4还包括第二压缩模块20。该第二压缩模块20与第一压缩模块10串联地布置在光束路径上。第二压缩模块20布置在先前已介绍的第一压缩模块10的下游。

第二压缩模块20包括第二聚焦光学系统22、毛细管24、准直光学系统26、第二压缩器28和用于调节光束色散的光学装置60。在本文中，第二压缩器28也称为压缩器。

第二聚焦光学系统22布置在第二压缩模块20的输入端。第二聚焦光学系统22在第二压缩模块20中位于毛细管24的上游。该第二聚焦光学系统22被设计为对将从第一压缩模块10发射的第一压缩光束110聚焦到毛细管24的输入端。在示例性实施例中，该第二聚焦光学系统22确保第一压缩光束110的指向稳定性，并能够实现光脉冲的短期和长期的稳定性。实际上，第二聚焦光学系统22包括例如焦距约为f＝400mm的透镜。

然后，第一压缩光束110在毛细管24中传播。毛细管24在预定长度(例如大约1米)上延伸。毛细管24的直径在50μm到10mm之间，例如大约400μm。毛细管24包括第二非线性光学介质。该第二非线性光学介质有利于实现自相位调制所必需的3阶非线性磁化率。光脉冲与该第二非线性介质的相互作用允许这些光脉冲的频谱展宽。

该第二非线性光学介质是气体介质。该气体介质例如包括任何稀有气体，例如氩气、氙气、氪气、氖气或氦气，或任何分子气体，例如空气或氮气。例如在此，毛细管24在500mbar的压力下由氙气填充。作为替代，填充气体可以与多通池14中存在的气体相同。毛细管24还包括至少另一气体传输元件27。另一气体传输元件27允许毛细管24注入气体和/或从毛细管24提取气体。

作为替代，毛细管24可以容纳气流，该气流通过另一传输元件27传播。在这种情况下，毛细管24内存在压差。通过使用另一传输元件27注入和提取气体获得毛细管中的该压差。

作为另一替代，毛细管24内存在静态气压。

实际上，毛细管24例如包括输入窗口23和输出窗口25，光束分别通过这些窗口进入毛细管24和从毛细管24射出。

如图1和图2所示，第二压缩模块20还包括准直光学系统26。准直光学系统26在从毛细管24发射的光束115的路径上布置在毛细管24的下游。该准直光学系统26被设计为准直从毛细管24发射的光束115。实际上，准直光学系统26是透镜或离轴抛物面镜或球面镜。例如，准直光学系统26可以是直径约为10mm和/或曲率半径约为800mm的球面镜。

作为替代，可以在第二压缩模块20中省略该准直光学系统26。

然后，第二压缩器28布置在第二压缩模块20的输出端。第二压缩器28在第二压缩模块20中位于准直光学系统26的下游。

第二压缩器28被设计为对从毛细管24和准直光学系统26发射的光束115的光脉冲进行时间压缩。在第二压缩器28中实现的压缩是线性压缩。在图2的示例中，第二压缩器28包括至少两个色散镜50，这两个色散镜引入例如大约-300fs²的总群延迟色散。作为替代，第二压缩器28可以包括单个色散镜。作为替代，第二压缩器28包括gires-tournoi干涉仪(gti)或所谓的“啁啾”色散镜。

第二压缩器28接收从毛细管24发射的光束115，并产生压缩光束120。

如图1所示，用于调节压缩光束120的色散的光学装置60布置在第二压缩模块20的输出端。色散调节光学装置60位于第二压缩器28的下游。色散调节光学装置60被设计为在第二压缩模块20的输出端微调第二压缩光束120的色散。实际上，色散调节光学装置60包括两个厚度可变的材料板。这些板沿着第二压缩光束120的传播的插入允许引入可变量的群速度色散，该量取决于所通过的材料的厚度。例如，色散调节光学装置60可以包括至少一个棱镜，优选地为一对caf2棱镜。通过放置这对棱镜，不再对第二压缩光束120引入角度色散。

作为替代，可以在第二压缩模块20中省略色散调节光学装置60。

上述光束激光系统1允许实现以下光脉冲压缩方法。该方法特别适用于压缩短或超短光脉冲。

根据本发明的方法，光源2产生多个短或超短光脉冲以及高能量光脉冲。如上面的示例中所示，光源2在此具有大约1030nm的中心波长，以及7nm的半高频谱宽度。在此，光源2产生的脉冲的持续时间等于330fs，每个光脉冲的能量约为225μj，重复频率在1hz到100mhz之间，例如约为150khz。相应的平均功率约为34w。

根据本发明的方法允许在激光系统1的输出端获得持续时间更短，同时保持能量透射效率的脉冲。

就此而言，该方法包括两个连续的压缩步骤：第一非线性压缩步骤和第二非线性压缩步骤。

第一非线性压缩步骤在第一非线性压缩模块10中执行。由光源2产生的光脉冲形成的源光束100被第一聚焦光学系统12引导到朝向通池14。

然后，通过引入光学元件31和偏转光学元件32将源光束100引入多通池14的两个反射镜30之间的传播区域。

如上所述，光束102在两个反射镜30之间包含氩气的传播区域中进行确定的往返次数，这里为27次。进一步调节气体压力以通过非线性光学效应获得所需的频谱展宽。然后，提取光学元件35和偏转光学元件34提取从传播区域的多通池14发射的光束105，以将其引导到多通池14的输出端。多通池14允许从多通池14发射的光束105的频谱展宽。例如，-10db处的频谱宽度约为65nm。

在多通池14的输出端，光束105的光脉冲在第一压缩器16中进行时间压缩。因此，在第一压缩模块10的输出端，光脉冲持续时间约为40fs，具有大约87％的时间斯特列尔比，时间斯特列尔比表示有效获得的峰值功率与理想压缩(即考虑整个频谱的频谱相位常数)可以达到的峰值功率之间的比率。该第一压缩模块10的第一压缩因子大于1，例如在1到20之间，例如大约为8。通常，第一压缩因子的最大值取决于由多通池14的反射镜反射的最大频谱带。考虑到聚焦光学系统12和第一压缩器16的色散镜，第一压缩模块10的透射率约为85％。在第一压缩模块10的输出端，光脉冲的能量约为190μj，对应于大约28.7w的平均功率。第一压缩模块10的输出端的第一压缩光束110的品质因子m²等于1.2×1.2。因此，多通池14可以在保持光脉冲的高能量透射的同时显著减少脉冲持续时间(在反射镜限定的可能极限内)。

然后，根据本发明的方法继续进行非线性压缩的第二步骤。

非线性压缩的第二步骤在第二非线性压缩模块20中执行。在第一压缩模块10的输出端，第一压缩光束110被引导到第二压缩模块20。实际上，第二聚焦光学系统22将第一压缩光束110引导朝向填充氙气的毛细管24。

毛细管24可传播来自高能量光脉冲的光束。毛细管24的直径相对较大，优选地约为400μm，这允许接收高能量光脉冲并增加压缩系统4的透射率。毛细管24允许被引导第一压缩光束110的传播，并且允许自相位调制(spm)频谱展宽。具体地，包含在毛细管24中的氙气允许800nm至1200nm的频谱展宽，其中-10db处的频谱宽度约为430nm。

在填充毛细管24的气体中传播之后，从毛细管24发射的光束115被准直光学系统26引导和准直，此后在第二压缩器28中进行时间压缩。例如包括色散镜50的第二压缩器28可通过引入负的群速度色散，对从毛细管115发射的光束115进行时间压缩。借助于色散调节光学装置60，可以进一步在第二压缩模块20的输出端对色散进行微调。

在第二压缩模块20的输出端，光脉冲持续时间约为6fs，具有大约69％的时间斯特列尔比。光脉冲持续时间特别有利，特别是对于所涉及的能量，因为它具有若干光周期。在此，该持续时间在1030nm处对应于两个光周期，考虑到第二聚焦光学系统22和第二压缩器28的色散镜50，第二压缩模块20的透射率约为72％。然后，该第二压缩模块20的第二压缩因子在2到20之间，例如大约为7。在第二压缩模块20的输出端，光脉冲的能量约为150μj，对应于大约23w的平均功率。第二压缩模块20的输出端的光束的品质因子m²等于1.2×1.2。毛细管24具有非常大的频谱带，因此它不限制光束频谱的透射，这与微结构的包层空心光纤相反，后者通过施加禁止的透射带来限制透射频谱带。毛细管24允许获得高压缩因子并产生持续时间小于或等于若干光周期的短或超短脉冲。此外，毛细管24能够为输出光束提供优良的空间品质。

最后，激光系统1的输出端的光脉冲的时间压缩因子在10到400之间。光脉冲压缩系统4的总透射率高于50％，通常约为61％，其中在输出端，光脉冲持续时间约为6fs，每个光脉冲的能量约为150μj，重复频率在1hz到100mhz之间，例如约为150khz。相应的平均功率约为24w。

因此，包括多通池的第一压缩模块和包括毛细管的第二压缩模块的组合允许获得高于50％的能量透射率(例如，使用两个毛细管不可能实现此目的)，从而产生持续时间小于或等于若干光周期的短或超短脉冲，无论入射光束的能量如何(例如，使用两个多通池或使用两个空心光纤不可能实现此目的)，并且产生高能量脉冲和/或具有良好的空间品质(例如，使用两个材料板或两个实芯光纤不可能是这种情况)。

本发明所述的激光系统1有利地适用于在系统中，每个光脉冲的光周期数较少的情况，特别是持续时间非常短(例如少于30fs)的情况。这特别适用于包括发射远紫外或x射线的光源的激光系统。