稳定的飞秒脉冲激光器以及稳定方法
【专利摘要】本发明涉及一种高功率飞秒脉冲激光器，所述激光器包括：能够产生具有包络频率和载波频率的一串输入激光脉冲的源；啁啾脉冲放大装置；以及用于控制在输出激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相漂移的装置。根据本发明，所述用于控制在包络频率与载波频率之间的相漂移的装置包括电光相位调制装置，该电光相位调制装置放置在啁啾脉冲放大装置的光路上以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。
【专利说明】稳定的飞秒脉冲激光器以及稳定方法
【技术领域】
[0001]本发明的领域涉及超短脉冲激光器(飞秒(毫微微秒，femtosecond)时段)。更确切地，本发明涉及飞秒(fs)脉冲激光，其由载波频率和包络频率表征。更加确切地，本发明涉及用于稳定在飞秒激光脉冲串的载波频率和包络频率之间的相漂移的装置。
【背景技术】
[0002]大约20年以来，短脉冲激光器的研究和发展经历了显著的进步。当前，所获得的脉冲持续时间属于飞秒域。并行地，啁啾(chirped)脉冲放大技术的发展(D.Strickland, G.Mourou-Compression of amplifiedchirped optical pulses〃Optics communications, vol.55，issue6，150ctoberl985，p.447_449&0ptics communications,vol.56，issue3，lDecemberl985，p219_221)允许研究非常高的、拍它瓦(petaWatt)量级的峰值功率。
[0003]关于这种类型的源的研究轴之一涉及在图1中示意性示出的包络与载波之间的所谓的相漂移现象。来自激光器的光波是电磁波，其电场可以用给定频率的波——载波
(50)与包络函数(60)的乘积表示。载波(50)的频率直接与激光的波长相关，而包络(60)允许表征脉冲的持续时间以及脉冲重复频率(f_)。包络(60)的传播速度被称为群速度并且对应于能量的传播速度。载波频率(50)的速度称为相速度。在分散介质中，群速度和相速度通常彼此不同，这会引起包络内的载波震荡的时间漂移(比较图1)。
[0004]对于相对“长”的脉冲持续时间，即，例如纳秒量级的脉冲持续时间，每个脉冲包含非常高数量的光学周期(在可见光谱内为3.1O5个周期的量级)，并且在载波频率与包络频率之间的漂移没有显著的结果。在超短激光脉冲的情况下，相反，光学周期的数量不是很高(比较图1)，并且包络中载波的时间位置可能对某些对电场敏感但是对场包络不敏感的物理现象具有显著的结果(A.Baltuska 等 “Attosecond control of electronic processesby intense light fields”Nature421_2003)。
[0005]如果对于给定脉冲，电场的最大值与包络的最大值的位置一致，则在后面的脉冲处可能不会这样。这种时移对应于载波的相移Λ φ并且其也由首字母缩拼词CEP (载波包络相位)指定。该相移△ Φ可以根据激光的光路上的各种来源的微扰(振动、材料的折射率的变化)的发生随时间改变。作为时间的函数的该相移△ Φ的变化，即-CEP变化，被称为“包络频率与载波频率之间的相位漂移”。这在例如Nisoli等的出版物中说明，该出版物描述了对于持续时间包含在5-7fs之间的脉冲，逐个脉动地(shotby shot)测量 CEP 的随机变化("Effects of Carrier-Envelope Phase Differencesof Few-Optical-Cycle Light Pulses in Single-Shot High-Order-HarmonicSpectra〃Phys.Rev.Letters, Vol.91，n ° 21，2003)。在 Z.Chang 的出版物中描述了另一个例子(〃Carrier_envelope phase shift caused by grating-based stretchers andcompressors〃Applied Optics, vol.45，n° 32，2006)，其中评估了基于衍射格栅的扩展器或压缩器对CEP漂移的影响。[0006]此处考虑的技术问题总体上涉及超短激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相位漂移的稳定和控制。
[0007]除了在某些特定条件下(A.Baltuska等"ControllingtheCarrier-Enve1pePhase of Ultrashort Light Pulses with OpticalParametricAmplifiers-Physical Review Letters, Vol.88, n° 13，lApril2002.)允许极好地免于CEP漂移的光学参数振荡器的特定情况之外，还存在各种CEP校正的技术，它们基于包含 f-2f 干涉计的慢反馈环(Kakehata 等，"Measurements of carrier-envelope phasechanges ofIOO-Hz amplifiedlaser pulses"Applied Physics B.74, S43-S502002)。它们可以分成两类。
[0008]第一类涉及锁模振荡器并且通过作用于腔的某些参数进行校正(Jones等，"Carrier Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and DirectOptical Frequency Synthesis〃Science288, 635，2000)。注意，这种方法不允许使用单个控制环来校正腔下游的CEP的可能波动，该波动例如与激光束的随后路径上的微扰有关。
[0009]假设振荡器的先前稳定的第二类对应于在振荡器下游、通常在放大之前作出的校正。在所使用的主要技术中，可能提及的是:
[0010]-在分散材料中成对棱镜板的使用。所述板的机械位移允许修改CEP(C.Grebing 等，“Isochronic and isodispersive carrier-envelope phase-shiftcompensators”, Applied Physics B97, p.575-581，2009)。然而，机械运动的必要性仅允许校正相对慢的相位漂移；
[0011]-压缩器的或扩展器的参数的修改，其中该参数可以是两个格栅之间的或者两个棱镜之间的距离(Chang, 〃Carrier_envelope phase shift caused by grating-basedstretchers and compressors"Applied Optics, vol.45, n° 32，2006，p.8350-8353)。此夕卜，干涉计精度的机械运动必要性限制了设备的速度。
[0012]-声-光可编程波散滤波器(OAPDF)的使用(P.Tournois〃Acousto_opticprogrammable dispersive filter for adaptive compensation of group delay timedispersion in laser systems〃0ptics communicationsl40245-249( 1997))。这种声-光波散滤波器允许以快速响应时间(kHz)引入可编程相移，但是这种设备的成本高；
[0013]-具有液晶矩阵(空间光调制器)的4f系统的使用(M.Kakehata等，"Use ofa4f pulse shaper as an active carrier-envelope phase shifter-Conferencepaper, CLE02004, CTuP, ·CTuP31)。响应时间是重要的并且不允许逐个脉动地校正CEP漂移。
【发明内容】
[0014]本发明的一个目的是提供一种稳定CEP的设备和方法，所述设备和方法能够应用于工作于高重复频率(kHz到MHz的量级)的高能啁啾脉冲放大激光器并且具有降低的成本。
[0015]在本申请文件中，“高能激光脉冲”是指具有高于纳焦的能量的激光脉冲。
[0016]更确切地，本发明涉及一种高能飞秒脉冲激光器，该激光器关于包络频率和载波频率之间的相位漂移被稳定，所述激光器包括:待放大的激光脉冲源，所述源适于产生具有包络频率和载波频率的一串输入激光脉冲；啁啾脉冲放大装置，其包括适于时间扩展所述输入激光脉冲的扩展装置、适于放大被扩展的激光脉冲的光学放大装置、以及适于对所放大的激光脉冲进行时间压缩的压缩装置，以及用于控制输出激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相漂移的装置。根据本发明，所述用于控制在包络频率与载波频率之间的相漂移的装置包括电光调制装置，该电光调制装置放置在所述激光脉冲的光路上以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。
[0017]根据本发明的第一实施例，所述电光调制装置包括横向普克尔斯效应电光相位调制器。
[0018]根据本发明的第一实施例的不同的特定方面:
[0019]-所述激光器还包括用于相对于所述激光脉冲的极化方向在角度上定向所述普克尔斯效应调制器的寻常和/或非寻常光轴的装置；
[0020]-所述普克尔斯调制器放置在所述啁啾脉冲放大装置的光路上。
[0021]根据本发明的第二实施例，所述扩展装置和/或所述压缩装置包括至少一个棱镜，并且所述电光调制装置包括:分别位于所述棱镜的面上的电极以及用于向所述电极的端子施加电场以引起所述棱镜的折射率的调制的装置。
[0022]根据本发明的第二实施例的特定方面:所述扩展装置和/或所述压缩装置分别包括布置以用于补偿光束的空间偏移的两个棱镜，并且所述电光调制装置包括分别位于所述两个棱镜的面上的电极以及用于向所述电极的端子施加电场以便调制所述两个棱镜的折射率的装置。
[0023]根据本发明的各种特定方面，
[0024]-所述电光调制装置具有包含在几Hz到几MHz之间的工作频率；
[0025]-所述激光器还包括用于测量作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的装置；和/或
[0026]-所述激光器还包括反馈环，以用于根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的测量值调整由所述电光装置引起的调制。
[0027]本发明也涉及一种稳定在高能(高于纳焦)飞秒脉冲激光的包络频率与载波频率之间的相漂移的方法，所述方法包括如下步骤:
[0028]-产生由包络频率和载波频率形成的一串输入激光脉冲；
[0029]-对所述输入激光脉冲进行包括如下步骤的啁啾脉冲放大:对所述输入激光脉冲进行时间扩展的步骤、对所述扩展的激光脉冲进行光学放大的步骤、以及对所述扩展且放大的激光脉冲进行时间压缩的步骤，以及
[0030]-所述啁啾脉冲放大的步骤包括稳定在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤。
[0031]根据本发明的方法，所述稳定在包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤包括:光学部件的电光调制，以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。
[0032]根据本发明方法的特定方面，所述方法还包括:
[0033]-测量作为时间的函数的输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤，以及
[0034]-根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的所述测量值调整反馈电光相位调制的步骤。
[0035]本发明也涉及从下面的描述中变得显而易见的并且必须单独或者以其任何技术上可能的组合被考虑的特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]参照附图，通过以非限制性实例给出的该描述将使得对如何实施本发明有更好的理解，在附图中:
[0037]-图1示意性示出了由载波频率和包络频率定义的电磁波；
[0038]-图2示意性示出了根据本发明第一实施例用于展示CEP校正的第一配置(光谱干涉测量);
[0039]-图3示出了在存在施加于LiNbO3晶体的电压(V=240伏特)以及没有电压时，通过光谱干涉测量观察到的条纹的例子；
[0040]-图4示出了通过光谱干涉测量测得的CEP变化与施加于晶体的电压的函数关系;
[0041]-图5示意性示出了根据本发明第一实施例用于展示CEP校正的啁啾脉冲放大激光器设备；
[0042]-图6示出了在本发明的实施例中使用的电光调制器的CEP响应的逐脉动测量；
[0043]-图7示出了对于施加于电光调制器的各种形式的电压调制，通过f_2f干涉测量进行的干涉条纹测量，所述各种形式的电压调制分别是:正弦电压(图7A)、锯齿电压(图7B)、矩形电压(图7C)；
[0044]-图8示出了CEP测量的各种曲线与各种调制频率之间的函数关系；
[0045]-图9A示意性示出了根据本发明第二实施例的CEP调制设备并且图9B示意性示出了在该第二实施例中使用的棱镜的透视图。
【具体实施方式】
[0046]第一实施例
[0047]第一实施例基于通过仅使用一个光电子部件进行的光学脉冲的CEP的调制。更确切地，第一实施例基于电光类型的调制器的使用，其原理将在下文中详细描述。让我们考虑
在分散的光学元件中传播的激光脉冲。分别通过以下的等式(1.a)和(l.b)定义相时间Τφ:
和群延迟时间Tg:
[0048]
【权利要求】
1.一种高能飞秒脉冲激光器，关于在包络频率和载波频率之间的相漂移被稳定，所述激光器包括: -待放大的激光脉冲源(1)，所述源(I)适于产生具有包络频率(60)和载波频率(50)的一串输入激光脉冲(10)； -啁啾脉冲放大装置，其包括适于时间扩展输入激光脉冲(10)的扩展装置(2)、适于放大被扩展的激光脉冲(20)的光学放大装置(3、3a、3b)、以及适于对所放大的激光脉冲(30)进行时间压缩的压缩装置(4)，以及 -用于控制在输出激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相漂移的装置， 该激光器的特征在于: -所述用于控制在包络频率与载波频率之间的相漂移的装置包括电光调制装置，该电光调制装置放置在激光脉冲的光路上以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲(40)的包络频率与载波频率之间的相漂移。
2.根据权利要求1的超短脉冲激光器，其特征在于:所述电光调制装置包括横向普克尔斯效应电光相位调制器(5 )。
3.根据权利要求1或2之一的超短脉冲激光器，其特征在于其还包括用于相对于激光脉冲的极化方向在角度上定向所述普克尔斯效应调制器(5)的寻常和/或非寻常光轴的装置。
4.根据权利要求2或3之一的超短脉冲激光器，其特征在于所述普克尔斯效应调制器`(5)放置在啁啾脉冲放大装置的光路上。
5.根据权利要求1的超短脉冲激光器，其特征在于:所述扩展装置(2)和/或所述压缩装置(4)包括至少一个棱镜(43、44)，并且所述电光调制装置包括:分别位于所述棱镜(43、44)的面上的电极(43a、43b、44a、44b)以及用于向所述电极的端子施加电场以便引起所述棱镜(43、44)的折射率的调制的装置。
6.根据权利要求5的超短脉冲激光器，其特征在于:所述扩展装置和/或所述压缩装置分别包括布置以便补偿光束的空间偏移的两个棱镜(43、44)，并且所述电光调制装置包括分别位于所述两个棱镜(43、44)的面上的电极(43a、43b、44a、44b)以及用于向两个棱镜(43,44)的电极的端子施加电场以便调制两个棱镜(43、44)的折射率的装置。
7.根据权利要求1至6中的一项的超短脉冲激光器，其特征在于所述电光调制装置具有包含在几Hz到几MHz之间的工作频率。
8.根据权利要求1至7中的一项的超短脉冲激光器，其特征在于其还包括: -用于测量作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率(60)与载波频率(50)之间的相漂移的装置； -反馈环，用于根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的测量值调整由所述电光装置引起的调制。
9.一种稳定在高能飞秒脉冲激光的包络频率(60)与载波频率(50)之间的相漂移的方法，所述方法包括如下步骤: -产生由包络频率(60)和载波频率(50)形成的一串输入激光脉冲(10); -对所述输入激光脉冲(10)进行包括如下步骤的啁啾脉冲放大:对所述输入激光脉冲进行时间扩展的步骤、对所述扩展的激光脉冲(20)进行光学放大的步骤、以及对所述扩展且放大的激光脉冲(30)进行时间压缩的步骤，以及 -所述啁啾脉冲放大的步骤包括稳定在输出激光脉冲(40)的包络频率(60)与载波频率(50)之间的相漂移的步骤， 该方法的特征在于: -所述稳定在包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤包括:光学部件的电光调制，以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。
10.根据权利要求9的稳定方法，其特征在于:所述方法还包括: -测量作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤，以及 -根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的所述测量值调整反馈电光相位调制的步骤。·
【文档编号】H01S3/13GK103444018SQ201180068134
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2011年12月21日 优先权日:2010年12月22日
【发明者】O·戈贝尔, M·孔泰, P-M·保罗, J-F·赫尔戈特 申请人:振幅科技, 原子能与替代能源委员会