专利名称：激光脉冲展宽与压缩装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及强激光，特别是一种激光脉冲展宽与压缩装置。该装置可以应用于高强度超快激光技术、超短脉冲激光微加工和泵浦-探测技术等生物、物理和化学研究领域。
背景技术：
在过去的几十年里，飞秒脉冲激光技术获得了巨大的发展。利用锁模技术和啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，简称CPA)技术的掺钛蓝宝石(Tisapphire)激光器系统，已经可以获得几十飞秒、太瓦(TW)级台式化的超强超短激光脉冲。这种超强超短激光脉冲是高次谐波、等离子体通道和阿秒脉冲产生等许多强场激光物理基础研究中的重要工具。飞秒化学、生物医学、泵浦-探测和飞秒激光微加工等研究也需要这种高强度的超短激光脉冲作为光源。
我们知道，原子和分子的运动在皮秒和飞秒量级，但是不同的介质，不同的物理效应，介质响应时间的长短是不同的。因此对于不同的物理效应与不同的介质，存在最佳的作用激光脉冲宽度。实验研究表明在飞秒激光微加工中，不同脉冲宽度的激光入射对于微加工的结果影响很大。然而以往的实验所用的展宽脉冲仅仅通过调节光栅间距获得。获得的脉冲激光的光谱没有变窄，且脉冲带有啁啾，这会对实验的结果有影响。在锥形辐射和高次谐波等强激光物理研究中发现了脉冲宽度对于实验结果的影响。所以能够产生一种脉冲宽度可以调节的没有啁啾的强激光超短脉冲具有很大的意义。
在过去的几十年里，利用光纤、块状材料和空心光纤等介质展宽光谱与啁啾镜补偿色散的腔外压缩技术已经可以获得几倍压缩比的压缩脉冲。利用负啁啾脉冲在光纤中传输时的光谱压缩效应也已经可以获得几十倍的展宽脉冲。然而，由于光纤的限制，目前这种脉冲展宽只限于很低能量入射的激光脉冲[参考文献Opt.Lett.25，7(2000)445-447]。另外，有人也提出了利用非线性晶体频率转换的方法来压缩光谱和展宽脉冲[参考文献物理学报，53，1(2004)93-98]。但是，这种方法涉及非线性晶体的相位匹配和频率变换，从而转换效率很低，而且装置结构复杂。
最近已有利用充气盒和块状介质来展宽光谱并且通过色散补偿来压缩脉冲的报道。但是也只是压缩脉冲，而没有提供一种不仅可以展宽光谱与压缩脉冲而且可以压缩光谱与展宽脉冲的高能量超短脉冲激光装置。
发明内容
本发明的目的是要针对上述利用充气盒和块状介质只展宽光谱与压缩脉冲，利用非线性晶体只压缩光谱与展宽脉冲的不足，提供一种激光脉冲展宽与压缩装置，该装置应既可以展宽光谱与压缩脉冲，又可以压缩光谱与展宽脉冲的；可以解决利用非线性晶体展宽脉冲技术中的转换效率低下，结构复杂的不足；还解决了利用光纤入射脉冲能量低的限制。
本发明的技术解决方案如下一种激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于它由超短脉冲激光器、啁啾控制系统、能量控制系统、非线性作用系统、色散补偿系统和测试系统组成，沿所述的超短脉冲激光器的激光光束的输出方向依次是啁啾控制系统、能量控制系统、由聚焦透镜、非线性介质和凹面反射镜组成的非线性作用系统，所述的色散补偿系统包括一插入反射镜、楔形玻璃对和啁啾镜对，所述的楔形玻璃对位于插入反射镜插入光路时所述的插入反射镜的反射光方向；所述的啁啾镜对位于光路中；所述的测试系统的构成是在所述的凹面反射镜的输出光路中与光路成45°设置第一分束片，在该第一分束片的反射光方向有一光栅光谱仪，在所述的楔形玻璃对和所述的啁啾镜对的输出光路的交叉点设有第二分束片，在该第二分束片的非主激光脉冲输出方向有激光脉冲形状和位相测量装置。
所述的超短脉冲激光器为钛宝石飞秒激光器。
所述的啁啾控制系统为光栅对，或棱镜对，或可编程声光散射滤波器。
所述的能量控制系统为连续衰减片，或半波片和偏振片的组合。
所述的非线性介质为装入气体盒中的惰性气体，或液体，或块状介质。
所述的聚焦透镜和凹面反射镜之间的距离为该二者焦距之和。
所述的激光脉冲形状和位相测量装置为直接电场重建光谱相位干涉超短脉冲测量仪或频率分辨光学开关测试仪。
本发明的原理是我们知道，根据傅立叶转换公式，窄的激光脉冲对应于宽的激光光谱，相反宽的激光脉冲对应于窄的激光光谱。通常压缩与展宽脉冲就是根据这一思路，通过展宽与压缩激光脉冲光谱来实现的。本发明所基于的基本原理可利用以下公式来说明 此表达式为脉冲传输过程中影响激光光谱的自相位调制作用的表达式。其中NL表示激光在介质中传输时，介质引起的非线性相移。E(t)为激光脉冲的电场表示式。由上述公式可知，在脉冲前沿δω＜0，而在脉冲后沿δω＞0。一般而言，无啁啾和正啁啾脉冲在传输过程中，自相位调制(self-phasemodulation，简称SPM)的作用使激光的光谱展宽。对于负啁啾脉冲，激光脉冲前沿是高频分量，后沿是低频分量。因此SPM在前后沿的作用使光谱向中心压缩，从而使入射激光脉冲的光谱压缩变窄。
基于此原理，我们将一束强激光脉冲通过非线性介质，强激光脉冲在介质中产生SPM效应，通过控制入射强激光脉冲的啁啾，即通过调节压缩器光栅对间距等来控制出射激光脉冲的光谱是被展宽或是被压缩，再通过适当的色散补偿，就可以获得压缩或者展宽的激光脉冲。
所述激光脉冲可以采用钛宝石飞秒激光器等产生。所述啁啾脉冲控制系统，可以为压缩器的光栅对，或者棱镜对，或者是在展宽器前的商用可编程声光散射滤波器(acousto-optic programmable dispersive filter，简称AOPDF)。可通过调节光栅对的间距或者AOPDF的二阶色散量等参数来控制入射脉冲的啁啾量。能量控制系统可以采用连续衰减片或者半波片和偏振片组合来实现入射激光脉冲能量连续可调。
用于激光光谱的展宽或者压缩的介质，通常为气体或者块状介质，也可以为液体。气体通常是惰性气体放在气体盒中。块状介质通常为玻璃。
色散补偿部分可以为棱镜对或者啁啾镜。
测试系统可以用直接电场重建光谱相位干涉超短脉冲测量仪(spectralphase interferometry for direct electric-field reconstruction，简称SPIDER)或者频率分辨光学快门测量仪(frequency resolved optical grating，简称FROG)测量激光脉冲形状和位相，用光栅光谱仪测量激光光谱。
本发明通过控制入射脉冲的啁啾量，调节色散控制元件可以实现展宽或压缩脉冲。本发明具有以下一些特点(1)装置既可以压缩脉冲也可以展宽脉冲。通过控制入射脉冲啁啾量和调节色散控制元件的色散补偿量可以调节输出脉冲宽度。输出脉冲无啁啾。脉冲宽度从十几飞秒到几百飞秒，以至皮秒均可以调节。
(2)相对于光纤，由于玻璃材料和气体的高损伤阈值。装置适用于微焦耳量级低能量激光脉冲，也适用于百毫焦耳量级的高能量的激光脉冲入射。
(3)此方法既适用于线偏振光也适用于圆偏振光入射，且装置简单易操作。而利用非线性晶体方法需要相位匹配，所以只适用于偏振光入射。而且因为非线性晶体的相位匹配要求，入射激光的入射角有严格要求，从而使得操作困难。
(4)相对于非线性晶体展宽脉冲的方法，此方法中激光能量几乎没有损失，因而转换效率高，可以大于90％。
(5)相对于非线性晶体展宽脉冲方法，此方法的非线性作用使得输出激光空间模式好。
(6)可以将脉冲激光分成多束，并经过不同的非线性介质，从而可以同步输出不同脉冲宽度的激光脉冲。
(7)在入射脉冲能量一定情况下，还可以通过微移滑轨来移动块状材料在光路中的位置或者改变气体盒内气体的气压，即可改变输出脉冲的展宽比或压缩比，达到微调出射脉冲宽度的目的。
图1为本发明的强激光脉冲展宽及压缩装置结构示意图。
图2为实施例中，使用本发明的强激光脉冲展宽与压缩装置，利用氩气盒做非线性介质获得的展宽与压缩激光光谱和其对应的压缩与展宽激光脉冲的波形。
图中，1—超短脉冲激光器，2—输出激光光束，3—啁啾控制系统，4—能量控制系统，5—聚焦透镜，6、7、12、15、18、19、20—反射镜，8—非线性介质，9—凹面反射镜，10—第一分束片，11—光谱仪，13—插入反射镜，14—楔形玻璃对，16、17—啁啾镜对，21—SPIDER，22—第二分束片。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明的强激光脉冲展宽及压缩装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于它由超短脉冲激光器1、啁啾控制系统3、能量控制系统4、非线性作用系统、色散补偿系统和测试系统组成，沿所述的超短脉冲激光器1的激光光束2的输出方向依次是啁啾控制系统3、能量控制系统4、由聚焦透镜5、非线性介质8和凹面反射镜9组成的非线性作用系统，所述的色散补偿系统包括一插入反射镜13、楔形玻璃对14和啁啾镜对16、17，所述的楔形玻璃对14位于插入反射镜13插入光路时所述的插入反射镜13的反射光方向；所述的啁啾镜对16、17位于光路中；所述的测试系统的构成是在所述的凹面反射镜9的输出光路中与光路成45°设置第一分束片10，在该第一分束片10的反射光方向有一光栅光谱仪11，在所述的楔形玻璃对14和所述的啁啾镜对16、17的输出光路的交叉点设有第二分束片22，在该第二分束片22的非主激光脉冲输出方向有激光脉冲形状和位相测量装置21。
在本实施例中入射激光脉冲2为光谱物理公司生产的型号为Spitfire的超短脉冲激光器1输出。激光脉冲2宽度约50fs，中心波长800nm，光谱半高全宽约21nm如图2(a)，重复频率1kHz，输出激光单脉冲能量约为0.7mJ。通过能量控制系统4，入射激光脉冲能量为0.5mJ。非线性作用介质为约90cm充有氩气的玻璃管8。激光经1.5m焦距的薄的聚焦透镜5聚焦在充氩气的玻璃管8的中心位置。当入射脉冲为无啁啾脉冲时，我们可以看到约7～8cm的丝。出射激光光谱经过1m焦距的凹面反射镜9准直后利用光栅光谱仪11测量得到，如图2(c)所示。激光光谱展宽到半高全宽约58nm。准直后的激光束经过一对啁啾镜16，17补偿色散可得到脉冲宽度为15fs的压缩脉冲，如图2(d)所示。通过调节氩气玻璃管8内的气压高低，可以调节压缩脉冲宽度，在气压为1350mbar左右，获得最佳压缩值15fs。实验光路及过程同前。当入射激光脉冲负啁啾展宽到约100fs时，我们得到压缩的激光光谱，激光半高全宽度约为9nm，如图2(e)所示。此时，经过楔形玻璃14补偿色散，我们得到约110fs的展宽脉冲，如图2(f)所示。输出激光单脉冲能量均大于0.35mJ，从而获得＞70％的转换效率。其中能量损耗主要是BK7玻璃未布鲁斯特角放置带来的镜面反射损耗，非线性作用过程的损耗很小。
该装置的使用按以下几个步骤来实现(一)光源采用钛宝石飞秒激光器等超短脉冲激光系统1，其输出几十飞秒，重复频率可以为1Hz到几KHz可调节脉冲2。
(二)啁啾控制系统3调节光栅对间距，棱镜对间距或者AOPDF色散量控制选项来控制入射激光脉冲的啁啾与啁啾量。入射激光脉冲的啁啾量大小通过SPIDER或者FROG仪器21来测量，并从输出脉冲的相位来判断脉冲的啁啾状态。当激光的光谱相位向下弯曲，即为负啁啾，当激光的光谱相位比较平滑时即为无啁啾，当激光的光谱相位向上弯曲即为正啁啾。根据前面公式原理表达式可知当需要展宽光谱与压缩脉冲时，我们调节系统使入射激光脉冲为无啁啾或正啁啾；当需要压缩光谱与展宽脉冲时，我们调节系统使入射激光脉冲为负啁啾，并可通过AOPDF系统二阶色散值或者增加光栅对间距的方法来调节负啁啾量以控制光谱压缩与脉冲展宽的比例。值得说明的是利AOPDF系统可以更加精确，更加方便的控制系统的啁啾量。
(三)能量控制系统4经过啁啾控制系统3的激光脉冲2接着经过由一个半波片和一个偏振片组成能量控制系统，通过转动半波片可以控制输入激光脉冲能量。由基本原理公式可以看出，通过改变能量即改变E(t)的大小，从而也可以控制激光光谱压缩或展宽的比例。
(四)非线性作用系统从能量控制系统4出来激光进入非线性作用系统。在非线性作用系统中，激光光谱将会被展宽或被压缩。非线性作用系统由以下一些部件组成聚焦薄透镜5；块状介质或者气体盒8；准直的凹面反射镜9；反射镜6，7，12。能量控制系统4输出的一定能量的激光光束2首先经过一个聚焦薄透镜5，聚焦在非线性介质8——充有氩气的气体盒中并在气体盒中成丝。其中气体盒先经过抽真空再往里面充气体。激光的光谱在氩气中由于非线性作用而被展宽或者被压缩。若非线性介质为块状介质，我们将非线性材料固定于一个光学滑轨上，材料放于聚焦透镜5的几何焦点之后，可在平行于光路的方向上前后移动。需要说明的是利用块状材料可以提高入射激光脉冲的能量。经过非线性介质8后的激光再经过凹面反射镜9准直输出。凹面反射镜9与聚焦薄透镜5的间距约为两者焦距之和。平面反射镜6，7，12用来改变光路方向，使工作台面更紧凑。
(五)色散补偿系统准直后的激光束输入色散控制系统补偿色散。色散控制系统可以为棱镜对，啁啾镜对(16，17)或者楔形玻璃14。若入射脉冲为无啁啾或正啁啾脉冲，激光光谱因介质中的自相位调制等非线性作用被展宽，并引入正啁啾，此时我们需要调节棱镜对的间距或者啁啾镜(16，17)反射次数以补偿正啁啾。若入射脉冲为负啁啾脉冲，经过介质后，激光脉冲的啁啾可能为正可为负，此时通过将滑动反射镜片13插入光路或移出光路来选择色散控制系统补偿色散。若为正啁啾，则同前，将反射镜片13移开，让激光通过进入棱镜对或者啁啾镜16、17。若为负啁啾，此时插入镜片13，将激光反射进楔形玻璃14来补偿负啁啾，通过改变楔形玻璃14的插入深度来调节激光通过介质长度来调节补偿量。我们也可以调节入射激光脉冲啁啾控制系统改变入射脉冲啁啾量来优化输出。15，18，19和20为改变光路的平面反射镜。
(六)测量系统要获得色散补偿好的脉冲，需要结合测量系统来精细调节色散控制系统，以实现近无啁啾脉冲输出。测量系统可以用SPIDER或者FROG(21)来测量激光脉冲的形状和位相。通过测量输出脉冲相位来人工监测并调节色散控制系统来优化脉冲输出。激光的光谱利用光栅光谱仪11来测量。10和22为分束片。
综上所述，本发明通过控制入射脉冲的啁啾量，调节色散控制元件可以实现展宽或压缩脉冲。本发明具有以下一些特点(1)装置既可以压缩脉冲也可以展宽脉冲。通过控制入射脉冲啁啾量和调节色散控制元件的色散补偿量可以调节输出脉冲宽度。输出脉冲无啁啾。脉冲宽度从十几飞秒到几百飞秒，以至皮秒均可以调节。
(2)相对于光纤，由于玻璃材料和气体的高损伤阈值。装置适用于微焦耳量级低能量激光脉冲，也适用于百毫焦耳量级的高能量的激光脉冲入射。
(3)此方法既适用于线偏振光也适用于圆偏振光入射，且装置简单易操作。而利用非线性晶体方法需要相位匹配，所以只适用于偏振光入射。而且因为非线性晶体的相位匹配要求，入射激光的入射角有严格要求，从而使得操作困难。
(4)相对于非线性晶体展宽脉冲的方法，此方法中激光能量几乎没有损失，因而转换效率高，可以大于90％。
(5)相对于非线性晶体展宽脉冲方法，此方法的非线性作用使得输出激光空间模式好。
(6)可以将脉冲激光分成多束，并经过不同的非线性介质，从而可以同步输出不同脉冲宽度的激光脉冲。
(7)在入射脉冲能量一定情况下，还可以通过微移滑轨来移动块状材料在光路中的位置或者改变气体盒内气体的气压，即可改变输出脉冲的展宽比或压缩比，达到微调出射脉冲宽度的目的。
权利要求
1.一种激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于它由超短脉冲激光器(1)、啁啾控制系统(3)、能量控制系统(4)、非线性作用系统、色散补偿系统和测试系统组成，沿所述的超短脉冲激光器(1)的激光光束(2)的输出方向依次是啁啾控制系统(3)、能量控制系统(4)、由聚焦透镜(5)、非线性介质(8)和凹面反射镜(9)组成的非线性作用系统，所述的色散补偿系统包括一插入反射镜(13)、楔形玻璃对(14)和啁啾镜对(16、17)，所述的楔形玻璃对(14)位于插入反射镜(13)插入光路时所述的插入反射镜(13)的反射光方向；所述的啁啾镜对(16、17)位于光路中；所述的测试系统的构成是在所述的凹面反射镜(9)的输出光路中与光路成45°设置第一分束片(10)，在该第一分束片(10)的反射光方向有一光栅光谱仪(11)，在所述的楔形玻璃对(14)和所述的啁啾镜对(16、17)的输出光路的交叉点设有第二分束片(22)，在该第二分束片(22)的非主激光脉冲输出方向有激光脉冲形状和位相测量装置(21)。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于所述的超短脉冲激光器(1)为钛宝石飞秒激光器。
3.根据权利要求1所述的激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于所述的啁啾控制系统(3)为光栅对，或棱镜对，或可编程声光散射滤波器。
4.根据权利要求1所述的激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于所述的能量控制系统(4)为连续衰减片，或半波片和偏振片的组合。
5.根据权利要求1所述的激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于所述的非线性介质(8)为装入气体盒中的惰性气体，或液体，或块状介质。
6.根据权利要求1所述的激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于所述的聚焦透镜(5)和凹面反射镜(9)之间的距离为该二者焦距之和。
7.根据权利要求1所述的激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于所述的激光脉冲形状和位相测量装置(21)为直接电场重建光谱相位干涉超短脉冲测量仪或频率分辨光学开关测试仪。
全文摘要
一种激光脉冲展宽与压缩装置，其特征在于它由超短脉冲激光器、啁啾控制系统、能量控制系统、非线性作用系统、色散补偿系统和测试系统组成，本发明装置既可以展宽光谱与压缩脉冲，又可以压缩光谱与展宽脉冲的；可以解决利用非线性晶体展宽脉冲技术中的转换效率低下，结构复杂的不足；还解决了利用光纤入射脉冲能量低的限制等问题。
文档编号G02F1/00GK1870359SQ20061002564
公开日2006年11月29日 申请日期2006年4月12日 优先权日2006年4月12日
发明者刘军, 陈晓伟, 李小芳, 曾志男, 李儒新, 戴君 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所