用于超短激光脉冲表征的光学系统和方法与流程

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用于超短激光脉冲表征的光学系统和方法与流程
本发明一般涉及激光系统和激光脉冲表征方法。特别地,本发明涉及通过检测在非线性光学介质中产生的横向非线性信号(例如,二次谐波产生信号)的单发超短激光脉冲表征的光学系统和方法,其中穿过非线性光学介质传播所述超短激光脉冲。

背景技术:
自从Maiman在1960年第一次建设激光器[1],该领域的一个重要科学技术目标是增加激光束传递的功率,并且探索仅在这样高的电磁场强度下才发生的新现象。该解决方案伴随着在锁模状态下操作的脉冲激光器,其中脉冲的能量在非常短的时间事件中发射。如今,具有飞秒(1fs=10-15s)脉冲持续时间的激光器可以产生拍瓦(1PW=1015W)级的峰值功率。具有从几个光周期到数百飞秒的持续时间的光脉冲非常短,使得不存在对它们进行测量的直接方法。为此,通常会实现基于非线性光学相互作用(自动校正或互相关诊断)的技术。尽管这些方法可以提供对脉冲持续时间的良好的测量,但是它们通常不提供关于最终确定脉冲形状和持续时间的脉冲的光谱相位的完整信息。因此,这种短期事件的完整表征是非常重要的,并且经常是具有挑战性的。已经提出了组合自相关和光谱测量的几种方法来克服这个问题并获得脉冲的振幅和相位重构[2-4]。现在最常用的方法是用于直接电场重构(SPIDER)的频率分辨光学门(FROG)或光谱相位干涉法的不同版本。FROG方法依赖于频谱地分辨时间选通信号,并通过频谱地分辨自相关信号产生类光谱图的曲线(trace),并通过应用于曲线的迭代算法的方式来实现给定脉冲的完整表征[5、6]。另一方面,SPIDER方法依赖于光谱域中的干涉测量:使给定脉冲的频谱干扰其自身的时间和频移复制,并且记录所得到的光谱干涉图[7-9]。两种方法均可以为20-200fs范围内的脉冲提供非常好的结果。然而,标准FROG和SPIDER设备通常对对齐和相位匹配带宽要求非常敏感。即使最近与SPIDER相关的方法部分地克服了这个问题,在上述所有技术中,很少周期的激光脉冲的表征仍然是有挑战性的,并且通常需要特定的调谐和材料以适应脉冲的相关宽带宽。最近引入基于相位扫描的脉冲表征的另一种方法,被称为多光子脉间干涉相位扫描(MIIPS)[10]。大多通常通过有源脉冲整形装置,将一组已知的频谱相位应用于要表征的脉冲,并且测量所产生的二次谐波产生(SHG)信号。通过发现局部引入的群延迟色散(GDD)量导致给定波长的压缩,直接从轮廓图获得脉冲初始GDD的近似值,而不需要任何数学检索程序[11-13]。然后将脉冲整形装置编程以引入与测量的GDD相对的GDD,并且必须重复整个实验和数值处理,直到达到给定的光谱相位。最近的一种方法是自参考光谱干涉测量(SRSI),其中从在非线性晶体中通过交叉极化波产生(XPW)的输入脉冲共线地产生具有平坦光谱相位的参考脉冲。由输入脉冲和参考脉冲的组合产生的光谱干涉模式允许直接检索光谱相位和强度。然而,该方法仅能测量具有非常接近傅立叶极限且不超过该极限2倍的持续时间的脉冲。因此,与大多数其他技术相比,SRSI具有对输入脉冲啁啾声的受限的容限和具有小的测量范围。另一方面,它只能测量放大的激光脉冲,因为XPW是三阶非线性过程,其需要每脉冲几微焦耳的能量来工作。最近提出的称为色散扫描(d-扫描)的方法可以通过在啁啾反射镜和楔形对压缩器内逐渐插入楔形物并且测量非线性信号的相应光谱来使用一组已知的光谱相位以检索超短激光脉冲的相位,例如,非线性信号为在相位匹配的非线性晶体中产生的二次谐波。脉冲检索是通过整体迭代算法进行[14-16]。在色散扫描方法中,脉冲压缩器被用作诊断工具本身的一部分。与FROG或SPIDER相比,该方法是非常简单和稳健的。然而,基于啁啾反射镜和楔形压缩器的实施方案需要通过逐渐移动其中一个楔形物来扫描该组所施加的色散值的相位。该方法的工作原理非常好,只要激光器发射的脉冲串具有稳定的光谱和光谱相位,但不能在单发(single-shot)配置中工作,其中必须在单个测量和单脉冲中记录脉冲重构所需的所有数据的测量。色散扫描方法需要几个连续的对应于不同的楔形插入的实验步骤,以记录相位重构所需的所有数据。单发方法对于以低重复率的大功率激光器提供的脉冲进行表征至关重要。因此,与现有技术相比,引入紧凑、稳健、对对准和波长较不敏感的、更便宜的新系统(和方法),同时能够通过记录单发配置的脉冲重构所需的所有数据来表征超短激光脉冲,对超短激光脉冲的发展和应用具有很高的要求。

技术实现要素:
本发明的实施例通过提供用于测量超短激光脉冲的系统和方法来解决这些和/或其它需求。它是单发方法,因此可以测量单个脉冲。单发操作对于测量低重复率的激光器,例如高能量和高功率激光放大器,是非常重要的。它也提供视频速率的跟踪,其可使激光脉冲的实时可视化和优化。可以使用色散扫描(或等效的)算法来检索超短激光脉冲的整个电场(振幅和相位)。为此,根据第一方面,提供了用于超短激光脉冲表征的光学系统,包括:-用于将受控的负或正啁啾(或等效地一受控光谱相位)引入到进入的要表征的超短激光脉冲的装置(要注意的是,如果脉冲的瞬时频率是时变的话,则脉冲被称为经过啁啾的);-具有正常或异常色散的非线性光学介质,通过该非线性光学介质传播所述(负或正)啁啾超短激光脉冲,所述非线性光学介质具有从啁啾超短激光脉冲产生非线性信号并将其横向发射到超短脉冲传播方向的属性;作为所述传播的结果,通过在沿着非线性光学介质的不同传播距离处的超短激光脉冲的非线性光学介质的色散引入不同的啁啾值,并且从色散的超短激光脉冲产生垂直于传播轴的方向的横向非线性信号,色散的超短激光脉冲具有由非线性光学介质内的相应传播距离引入的不同啁啾值;-分析装置,被配置为记录在垂直于所述传播轴的方向上产生的所述横向非线性信号的单发光谱图像,和-处理模块,包括一个或多个处理器,该一个或多个处理器配置为对所述记录的单发光谱图像执行诸如色散扫描算法等数值迭代算法,例如多光子脉间干涉相位扫描(MIIPS)算法或啁啾反转技术(CRT),以检索超短激光脉冲的电场、振幅和相位。光学系统可以进一步包括耦合模块,其布置在非线性光学介质之后并且在分析装置之前,耦合模块配置为将所产生的横向非线性信号耦合到所述分析装置。优选地,分析装置包括但不限于成像光谱仪,作为分析装置可以包含能够测量作为位置的函数的光谱的任何其它系统。成像光谱仪可以进一步包括诸如CCD或CMOS照相机的成像系统。根据优选实施例,横向非线性信号是横向二次谐波产生信号。在典型的自相关方法中,由要表征的脉冲产生的二次谐波信号的效率主要取决于相位匹配条件(这使得基波和二次谐波波长处的相位速度必须相同)。相位匹配通常仅在非线性光学介质内的特定传播方向上实现,并且仅在窄光谱带宽上实现。当激光脉冲是超短的并且因此具有宽的频率带宽时,这变成了一个问题。为了解决这些问题,在典型的自相关器中使用需要临界对准的非常薄的非线性晶体。为此,根据优选实施例,非线性光学介质特别地包括具有多个有着二阶非线性的反向符号(invertedsign)以及随机的尺寸和位置的反平行铁电畴的一类非线性晶体。关于在其他激光脉冲表征方法中使用的所有典型晶体,本发明中使用的非线性晶体消除了临界对准和相位匹配带宽的两个问题。由于非线性反转畴的随机尺寸和分布,二次谐波信号在宽带波长范围(400-2500nm)中产生,这使得能够使用长晶体。此外,当在垂直于基本传播的方向上产生二次谐波信号时,非线性晶体允许在宽的角度范围内从典型的正向(平行于基波束)直到90度的方向产生二次谐波信号。最近的情况对应于横向二次谐波产生,这是不可能使用双折射非线性晶体(例如BBO、LBO或KTP)或准相位匹配晶体获得的。此外,非线性晶体不需要临界角度对准或温度调谐,以在非常宽的光谱范围内获得相同的相位匹配效率。非线性晶体可以是生长的多畴铌酸锶钡(SBN)晶体。可替换地,非线性晶体也可以是多畴铌酸钙钡(CBN)晶体或四硼酸锶(SBO)晶体,以及具有随机分布和反向二阶非线性域的大小的任何其他多畴晶体。这些晶体可以具有正常或异常色散,这取决于使用它们的波长范围。在这两种情况下,在进入非线性光学介质之前,必须将与晶体色散相对的受控色散应用于由衍射光栅、棱镜、啁啾镜、大容量光学介质(bulkopticalmedia)或光纤布拉格网络提供的超短激光脉冲(通过脉冲压缩器或展宽器模块)。根据第二方面的本发明的实施例还提供了一种用于超短激光脉冲表征的方法,该方法包括:-对进入的要表征的超短激光脉冲引入负或正的受控啁啾(或等效的受控光谱相位);-通过可以具有正常或异常色散的非线性光学介质传播(负或正)啁啾超短激光脉冲,非线性光学介质并且具有通过非线性处理从啁啾超短激光脉冲产生非线性信号(例如,二次或三次谐波产生以及和频或差频产生)并将非线性信号横向于超短激光脉冲传播方向进行发射的属性;作为所述传播的结果,通过在沿着非线性光学介质的不同传播距离处的超短激光脉冲的非线性光学介质的色散引入不同的啁啾值,并且从具有由非线性光学介质内的相应传播距离引入的不同啁啾值的色散的超短激光脉冲产生垂直于传播轴的方向的横向非线性信号(例如,二次谐波产生信号);-通过分析装置记录在所述传播轴的垂直方向上产生的所述横向非线性信号的单发光谱图像;和-通过处理模块对所述记录的单发光谱图像执行数字迭代算法以检索超短激光脉冲的电场。(检索超短激光脉冲的电场意味着获得/确定这种超短激光脉冲的振幅和相位)。通过测量从激光脉冲中不同啁啾值的超短激光脉冲的生成的横向非线性信号的频谱,所提出的方法可以生成例如在单发配置中的色散扫描方法[14-16]所需的所有数据,其中超短激光脉冲通过非线性光学介质进行传播时,通过非线性光学介质本身的色散将啁啾引入,而不需要楔形扫描或使用其他逐步移动部件以完成色散扫描。此外,由于非线性光学介质特性,所提出的方法消除了相位匹配要求。因此,激光脉冲重构可以在不同的中心波长处进行相同的设置,而激光脉冲持续时间范围从几个周期制(few-cycleregimes)延伸到数百飞秒。附图说明以上和其他优点和特征将从以下参考附图的实施例的详细描述中得到更充分的理解,附图必须以说明性和非限制性的方式来考虑,其中:图1是示出本发明提供的用于表征超短激光脉冲的设置的示意图;图2示出了使用SBN非线性晶体获得的飞秒激光脉冲的所测量的波长-位置曲线,以及从单发测量中获得的相应激光脉冲;顶部:光谱和光谱相位(左)和时域中的激光脉冲强度(右),底部:测量的(左)和检索的(右)单发色散扫描曲线;在左轴中所示的术语“插入”是指沿着传播方向(OX)的非线性晶体内的位置,该位置对应于输入的超短激光脉冲的相应施加色散量,零(0)插入定义为获得最大激光脉冲压缩的非线性晶体内的位置。具体实施方式图1示出了所提出的光学系统的优选实施例,光学系统包括:用于将受控的可以是负的或正的啁啾(或光谱相位)引入到要被表征/测量的输入超短激光脉冲101的装置110;穿过具有正常或异常色散的非线性光学介质120,垂直于晶体的光轴传播啁啾的超短激光脉冲(在Ox方向上),并产生横向非线性信号125(TNS),例如横向二次谐波产生信号(TSHG);将生成的横向非线性信号125耦合到分析单元/装置130的耦合模块127;分析装置130,优选地包括成像光谱仪;以及处理模块140,其包括执行数字迭代算法的一个或多个处理器,例如执行色散扫描算法[13-15]。在非线性光学介质120具有正常色散的情况下,将受控啁啾引入要测量的输入超短激光脉冲101的装置110包括引入异常色散的元件,例如啁啾反射镜、棱镜、衍射光栅、光纤等。可替换地,在非线性光学介质120具有异常色散的情况下,装置110包括具有正常色散的元件,例如大容量光学介质、光纤等。色散扫描(d-扫描)[14-16]是用于同时测量和飞秒激光脉冲压缩的强大技术。通过d-扫描的激光脉冲表征是基于事实:当脉冲经历非线性频率转换过程,例如二次谐波产生,所得到的光谱强度对输入光谱相位具有明确的依赖性。通过测量在最大激光脉冲压缩点周围的不同输入相位的非线性信号的频谱,可以获得二维d-扫描曲线,这样可以通过多个步骤迭代算法完全检索激光脉冲的光谱相位。d-扫描具有完全内联和稳健的设置,无需任何精确的光束分离或精确的干涉测量。d-扫描算法允许通过测量作为色散(测量的d-扫描曲线)的函数的非线性信号光谱和随后使定义的误差函数最小化来检索要表征的超短激光脉冲101的电场。色散扫描的迭代算法基本上与两组不同的输入参数一块起作用:(a)迭代算法具有作为输入的测量的d-扫描曲线和超短激光脉冲的线性谱;或(b)迭代算法具有作为输入的测量的d-扫描曲线。在(a)的情况下,该算法找到使误差函数最小化的每个波长的相位值,而在(b)的情况下,找到使误差函数最小化的每个波长的相位和线性谱。误差函数是从模拟相位和线性谱(测量或模拟)获得的测量d-扫描曲线和模拟d-扫描曲线之间的RMS误差。针对每个迭代步骤更新该模拟d-扫描曲线,直到误差函数最小化为止。也可以针对所有波长(全局误差)将该误差函数写成最小化,或者可以针对每个波长(局部误差)将误差函数写成最小化。根据图1的优选实施例,在这种特定情况下,要被表征或测量的超短激光脉冲101是通过脉冲压缩器110来(负或正地)预啁啾,以便引入受控的负色散,然后通过非线性光学介质120进行传播。根据该优选实施例,非线性光学介质120是具有有着随机的尺寸和位置及二阶非线性的反向符号的反平行铁电畴的非线性晶体(例如SBN、CBN、SBO等),非线性晶体提供在非常宽的光谱范围内(仅限于晶体透明度窗口)的相位匹配的二次谐波信号。由于非线性晶体的这种特殊属性,对超短激光脉冲111的所有光谱频率以相同的效率产生横向非线性信号125,并且横向非线性信号125不需要任何角度对准或温度调谐。与典型地使用的二次非线性晶体相比,这具有极大的优点,其中相位匹配条件严格依赖于波长,需要非常灵敏的对准和使用非常薄的晶体(厚度在几微米范围内)。另一方面,当基波束(fundamentalbeam)垂直于非线性晶体的光轴(图1中的Ox方向)传播时,在垂直于非线性晶体的光轴的整个平面中产生二次谐波信号,包括垂直于超短激光脉冲传播方向(或横向非线性信号125)的方向,这是本发明特别感兴趣的。同时,由于非线性晶体的固有色散,当超短激光脉冲111沿非线性晶体传播时,将不同的啁啾值(负或正的预啁啾)引入在超短激光脉冲111中。因此,如在标准d-扫描实现中那样,非线性晶体产生色散相关的横向非线性信号125,而不需要通过使用玻璃楔形物(或其他色散光学元件)来扫描色散。一旦沿着非线性晶体生成横向的非线性信号125,则横向的非线性信号125通过耦合模块127(例如,光学模块)耦合到分析装置130,优选地包括如前所述的成像光谱仪,其可以进一步包括诸如CCD或CMOS相机(等任何其他类型的相机)的成像系统。分析装置130可以在单个光谱图像中记录作为非线性晶体内的传播距离的函数的横向非线性信号125光谱,给出作为色散的函数的二次谐波信号的演变。通过记录横向非线性信号125的单个光谱图像,本发明提出的方法有效地获得作为色散的函数的二次谐波光谱的单发测量。从该测量获得的单发2Dd-扫描曲线结合独立地测量的基本的输入的超短激光脉冲101的线性谱,或者可替换地仅使用单发d-扫描曲线,包含完全地重构超短激光脉冲101的振幅和相位所需要的所有信息。该重构是由处理模块140给出。应用相应的数值算法,可以在时域中完全重构超短激光脉冲101。如图2所示,其为使用该方法执行的脉冲检索的示例。所提出的关于d-扫描或其他脉冲表征方法的方法仅通过非线性介质120的固有色散以受控和公知的方式修改超短激光脉冲的光谱相位(啁啾)。此外,生成的横向非线性信号125允许二次谐波光谱的单发测量作为在非线性介质120内传播距离的函数,及由此施加的光谱相位。由单发测量给出的输出曲线与在使用标准d-扫描方法的几个步骤中获得的输出曲线相似,并且因此包含利用迭代数值算法重构脉冲的光谱相位(和电场)所需的所有数据。具有高色散的非线性介质120允许以相对较窄的光谱重构激光脉冲(例如:与脉冲持续时间为100飞秒的一致的在800nm处的宽度为10nm的光谱宽度FWHM)。另一方面,宽带二次谐波产生信号允许重构少周期激光脉冲或以不同波长为中心的激光脉冲(例如从非线性光学参数设备发射的)。必须注意的是,即使在本说明书中,仅描述了d-扫描算法用于执行对所有生成的数据进行处理(由于其对于其他表征算法的稳健性和简单性),以允许在单发配置中表征激光脉冲101。本发明也可以使用其他处理算法(例如MIIPS算法或Loriot、Gitzinger和Forget[17]的最新的啁啾反转技术(CRT))。虽然已经描述了某些实施例,但是这些实施例仅是作为示例提出的,并不旨在限制保护的范围。实际上,本文描述的新颖的方法和装置可以以各种其他形式来体现。所附权利要求及其等同物旨在涵盖落入保护范围和精神内的这些形式或修改。参考文献:[1]Th.Maiman,“Stimulatedopticalradiationinruby,”Nature187,493-494(1960)[2]K.Naganuma.;K.Mogi;Yamada;,"Generalmethodforultrashortlightpulsechirpmeasurement"QuantumElectronics,IEEEJournalof,vol.25,no.6,1225-1233,(1989).[3]A.Baltuska,Z.Wei,M.S.Pshenichnikov,D.A.Wiersma,andR.Szipocs,"All-solid-statecavity-dumpedsub-5-fslaser,"Appl.Phys.B65,175-188(1997)[4]J.W.Nicholson,J.Jasapara,W.Rudolph,F.G.Omenetto,andA.J.Taylor,"Full-fieldcharacterizationoffemtosecondpulsesbyspectrumandcross-correlationmeasurements,"Opt.Lett.24,1774-1776(1999).[5]D.J.Kane;R.Trebino;"Characterizationofarbitraryfemtosecondpulsesusingfrequency-resolvedopticalgating"QuantumElectronics,IEEEJournalof,vol.29,no.2,pp.571-579,Feb1993.[6]R.TrebinoandD.J.Kane,"Usingphaseretrievaltomeasuretheintensityandphaseofultrashortpulses:frequency-resolvedopticalgating,"J.Opt.Soc.Am.A10,1101-1111(1993).[7]C.IaconisandI.A.Walmsley,"Spectralphaseinterferometryfordirectelectric-fieldreconstructionofultrashortopticalpulses,"Opt.Lett.23,792-794(1998).[8]A.S.Wyatt,I.A.Walmsley,G.Stibenz,andG.Steinmeyer,"Sub-10fspulsecharacterizationusingspatiallyencodedarrangementforspectralphaseinterferometryfordirectelectricfieldreconstruction,"Opt.Lett.31,1914-1916(2006).[9]J.R.Birge,HelderM.Crespo,andFranzX.Kartner,"Theoryanddesignoftwo-dimensionalspectralshearinginterferometryforfew-cyclepulsemeasurement,"J.Opt.Soc.Am.B27,1165-1173(2010).[10]V.V.Lozovoy,I.Pastirk,andM.Dantus,“Multiphotonintrapulseinterference.IV.Ultrashortlaserpulsespectralphasecharacterizationandcompensation,”OpticsLetters,Vol.29,pp.775-777(2004)[11]V.V.Lozovoy,I.Pastirk,andM.Dantus,“Multiphotonintrapulseinterference.IV.Ultrashortlaserpulsespectralphasecharacterizationandcompensation,”Opt.Lett.29(7),775–777(2004).[12]B.Xu,J.M.Gunn,J.M.D.Cruz,V.V.Lozovoy,andM.Dantus,“Quantitativeinvestigationofthemultiphotonintrapulseinterferencephasescanmethodforsimultaneousphasemeasurementandcompensationoffemtosecondlaserpulses,”J.Opt.Soc.Am.B23(4),750–759(2006).[13]Y.Coello,V.V.Lozovoy,T.C.Gunaratne,B.Xu,I.Borukhovich,C.-H.Tseng,T.Weinacht,andM.Dantus,“Interferencewithoutaninterferometer:adifferentapproachtomeasuring,compressing,andshapingultrashortlaserpulses,”J.Opt.Soc.Am.B25(6),A140–A150(2008).[14]M.Miranda,C.L.Arnold,ThomasFordell,F.Silva,B.Alonso,R.Weigand,A.L’Huillier,andH.Crespo,“Characterizationofbroadbandfew-cyclelaserpulseswiththed-scantechnique,”Opt.Express20,18732-18743(2012).[15]M.Miranda,T.Fordell,C.Arnold,A.L’Huillier,andH.Crespo,"Simultaneouscompressionandcharacterizationofultrashortlaserpulsesusingchirpedmirrorsandglasswedges,"Opt.Express20,688-697(2012).[16]PatentapplicationWO-A1-2013/054292[17]V.Loriot,G.Gitzinger,andN.Forget,“Self-referencedcharacterizationoffemtosecondlaserpulsesbychirpscan,”OpticsExpress,Vol.21,pp.24879-24893(2013)
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