专利名称：高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高能量飞秒激光，特别是一种高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置，主要适用于微焦至百毫焦量级飞秒激光脉冲通过固体介质进行外腔压缩，适用于不同波段的激光脉冲，应用于高强度超快激光技术及物理研究领域。
背景技术：
超强超短激光脉冲是许多基础研究中的重要工具，在激光物理研究领域有着不可替代的作用，比如高次谐波，等离子体通道，阿秒脉冲的产生等都需要高强度的超短激光脉冲作为光源。虽然钛宝石(Ti:sapphire)激光振荡器直接输出的脉冲可短至5fs，但是放大系统中的增益窄化效应使得放大后的脉冲宽度往往在20fs以上。而外腔压缩技术正是一种获得更短脉冲的有效手段，到目前为止，外腔压缩技术基本上都是基于以下原理通过非线性介质中的自相位调制(SPM)效应展宽光谱，然后经过色散补偿元件补偿频谱中的频率啁啾，从而达到压缩脉冲宽度的目的。
目前为止，充惰性气体空心光纤技术已经成为产生周期量级超短脉冲较为成熟的一种脉冲压缩技术，人们利用这种技术已获得亚4fs的周期量级超短脉冲。然而这种技术也存在其局限性，首先，惰性气体的电离阈值使得入射脉冲能量限制在mJ量级；其次，实验装置复杂，对实验条件敏感，操作难度较大。最近，人们提出了一种更为简单的方法来代替空心光纤技术，即通过飞秒激光脉冲在惰性气体中的成丝传输过程展宽光谱，大大降低了实验难度和对实验条件的敏感度。然而这种技术仍然存在对入射脉冲能量的局限，单丝内脉冲能量局限在1mJ左右。
固体材料外腔压缩技术是另一种吸引人的获得超短脉冲的方法，即用固体材料代替空心光纤和惰性气体作为非线性介质展宽光谱。这种技术的优越性在于对入射脉冲能量没有基本的限制，适用于压缩更高能量(至百mJ量级)的激光脉冲。然而由于入射光束并非理想的高斯分布，光束经过固体介质后光束横截面强度分布会变得不太均匀，即存在空间啁啾，以往人们是采用在透镜焦点处加小孔的方法改善光束空间模式，但是这样会带来较大的能量损失，并且在较大能量脉冲入射时焦点处的小孔滤波器很容易遭到破坏。典型的光路布置参见图1，从激光放大系统1输出的激光脉冲经薄透镜2聚焦后穿过固体材料3，在空气中形成一个焦点，焦点处放置小孔光阑4进行空间滤波降低空间啁啾，然后光束经镀银凹面镜5准直成平行光束，再由镀银平面反射镜6引入色散补偿元件7中进行色散补偿，压缩后的光束用第一宽带分束片8分一小部分到光谱仪9中测量光谱，透过的光束再用第二宽带分束片10分一小部分光束到脉冲测量仪器11测量脉冲宽度和位相。入射脉冲能量较大时会在透镜焦点处击穿空气从而影响波面和脉冲形状，为了避免不利影响还需将焦点放在真空管内。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述在先技术中所存在的不足，提供一种高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置，该装置可避免大能量脉冲入射情况下对滤波器造成的损伤，适用于较大范围能量的飞秒激光脉冲压缩，能量效率高，适用于不同波段入射脉冲情况，也适用于线偏振和圆偏振入射脉冲，而且简单实用。
本实用新型的技术解决方案如下一种高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置，包括一激光放大系统，在该激光放大系统的输出光路上依次为薄透镜、脉冲压缩单元、镀银凹面镜、镀银平面反射镜、色散补偿元件、第一宽带分束片、第二宽带分束片，在所述的第一宽带分束片的反射光方向是光谱仪，在第二宽带分束片的反射光方向是脉冲测量仪器，其特征在于所述的脉冲压缩单元由固体材料和真空管构成，所述的固体材料作为真空管的后窗片形成一体，所述的真空管的侧壁有充气口。
本实用新型的基本原理是采用小段成丝空间滤波方法的高能量飞秒激光脉冲在固体介质中的外腔压缩的，用薄透镜将待压缩光束聚焦，在聚焦透镜几何焦点附近放置一段真空管，在真空管内充入适量惰性气体，于是在焦点附近形成一小段成丝，成丝也叫自波导传输，是以下两种物理机制的动态平衡过程，即三阶非线性作用引起的自聚焦效应与多光子电离产生的等离子体引起的自散焦效应的动态平衡过程，这一小段自波导传输过程相当于一个空间滤波器，可以大大改善光束的空间模式。空间模式改善后的光束通过一个薄的固体材料，如熔融石英玻璃或BK7玻璃，光束在材料中传输时的自相位调制效应会使脉冲光谱大大展宽，然后经过色散补偿元件补偿光束中的频率啁啾即可获得压缩脉冲。
本实用新型的特点是在聚焦透镜焦点附近插入一段真空管，使作为非线性介质的固体材料以后窗片的形式放置的光路中，根据入射脉冲能量的大小在真空管内充入适量的惰性气体，如氩气或氪气，使透镜焦点附近形成一小段成丝。惰性气体不同于空气，惰性气体具有瞬态非线性特性和稳定的化学性质，并且在真空管内可以根据入射脉冲能量的大小方便的调节气压。这一小段成丝传输不仅可以作为空间滤波器改善光束空间模式，还有利于展宽光谱，这种惰性气体内小段成丝的空间滤波方式避免了大能量入射时对滤波器的损伤问题，能量损失也非常小。
与先技术相比，本实用新型具有以下显著的特点(1)在惰性气体中小段成丝的方法进行空间滤波完全避免了大能量脉冲入射情况下对滤波器造成损伤的可能性。
(2)可根据入射脉冲能量的大小方便的调节惰性气体气压来控制空间滤波效果，即适用于较大范围能量的飞秒激光脉冲压缩。
(3)能量损失小，能量效率在90％以上。
(4)小段的成丝传输过程有贡献于光谱展宽，可以得到更宽的光谱。
(5)适用于不同波段入射脉冲情况。
(6)对于线偏振和圆偏振入射脉冲均适用。
图1为在先飞秒激光脉冲采用小孔空间滤波方法在固体材料中进行外腔压缩装置框图。
图2为本实用新型高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置框图。
图3采用本实用新型实施例所获得的压缩脉冲的时域形状、光谱及频域相位示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。先请参阅图2，图2为本实用新型高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置框图。由图可见，本实用新型高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置，包括一激光放大系统1，在该激光放大系统1的输出光路上依次为薄透镜2、脉冲压缩单元、镀银凹面镜5、镀银平面反射镜6、色散补偿元件7、第一宽带分束片8和第二宽带分束片10，在所述的第一宽带分束片8的反射光方向是光谱仪9，在第二宽带分束片10的反射光方向是脉冲测量仪器11，其特征在于所述的脉冲压缩单元由固体材料3和真空管12构成，所述的固体材料3作为真空管12的后窗片形成一体，所述的真空管12的侧壁有充气口121。
激光放大系统1为初始脉冲光源；薄透镜2用于聚焦光束；固体材料3为用于展宽光谱的非线性介质，作为真空管12的后窗片放于薄透镜2的几何焦点之后一段距离(具体具体根据入射脉冲能量不同而定)；真空管12和充气口121分别用于容纳和充入惰性气体，整个真空管12可在平行于光路的方向上前后移动；镀银凹面反射镜5与薄透镜2同一高度，间距约为两者焦距之和，可根据实际情况前后调整，用于准直聚焦光束；镀银平面反射镜6，用来改变光路方向；色散补偿元件7用来补偿非线性传输过程中带来的频率啁啾；第一宽带分束片8和第二宽带分束片10用于分出一小部分光进入光谱测量仪器9和脉冲测量仪器11。注光束经过非线性材料以后光谱会展的很宽，用镀银光学元件不会带来带宽限制。
本实用新型高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置的具体调试和使用步骤如下(1)首先调整激光放大系统1输出的光束使其平行于光学平台表面。
(2)将薄透镜2安放在精密xz二维平移调整架上，同时镜片架可二维角度调整，然后放置于光路中，并按传统方法将薄透镜2的入射面调整至与光束垂直。
(3)沿光束方向距薄透镜2一段距离放置镀银凹面反射镜5，薄透镜2与镀银凹面反射镜5之间的间距约为两者的焦距之和，因为光束在玻璃材料3中有一定的自聚焦作用，所以将凹面反射镜5向远离薄透镜2的方向移动约2～3cm，使聚焦光束准直。镀银凹面反射镜5装在五维光学精密调整架上，包括三维平动和两维角动，中心高度与薄透镜2等高。聚焦光束经镀银凹面反射镜5准直为平行光束。
(4)真空管12放置与薄透镜2和镀银凹面反射镜5之间的光路中，真空管12的中心高度与薄透镜2和镀银凹面反射镜5等高，前窗片为0.5mm厚熔融石英玻璃，固体材料3为真空管12的后窗片。
(5)根据入射脉冲能量的大小移动真空管12在光路中的位置，以调节玻璃材料3到薄透镜2焦点的距离，使之放于产生锥形辐射之前的位置。
(6)通过真空管12的充气口121充入适量的惰性气体，观察输出光束，调节管内气压使光束空间模式最好。
(7)经镀银凹面反射镜5准直后的光束进入色散补偿元件7进行色散补偿，压缩后的脉冲分别被第一宽带分束片8和第二宽带分束片10分出一小部分光束到光谱仪9监测光谱和脉冲测量仪器11测量脉冲宽度和相位。
本实用新型的一个实施例入射激光脉冲光源1为光谱物理公司生产的型号为Spitfire--50fs的激光放大器，输出脉冲宽度～50fs，中心波长800nm，光谱宽度约21nm，重复频率1kHz，M2因子约为1.3，实验中在激光系统的振荡器与放大器之间加入可编程声光调制器，调制光谱并对色散进行预补偿，使得放大器输出脉冲宽度从50fs降低至32fs，光谱半极大全宽度增大至～40nm，单脉冲能量约0.55mJ。透镜2焦距为1.5m，真空管3长约90cm，通过充气口4充入氩气500mbar，固体材料5为3mm厚熔融石英玻璃片，实验中固体材料在透镜几何焦点后34.5cm处，用于准值的镀银凹面镜6焦距为1.5m，光谱测量仪器10为光栅光谱仪，脉冲测量仪器12为SPIDER，可测量脉冲时域形状和频域相位。色散补偿元件8为宽带啁啾介质镜对。图3是采用本实施例的惰性气体中小段成丝空间滤波方法飞秒激光脉冲固体材料外腔压缩所得压缩脉冲的时域形状、光谱和频域相位，压缩脉冲的时域形状如图3(a)所示，光谱如图3(b)中实线所示，频域相位如图3(b)中点线所示。
权利要求1.一种高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置，包括一激光放大系统(1)，在该激光放大系统(1)的输出光路上依次为薄透镜(2)、脉冲压缩单元、镀银凹面镜(5)、镀银平面反射镜(6)、色散补偿元件(7)、第一宽带分束片(8)、第二宽带分束片(10)，在所述的第一宽带分束片(8)的反射光方向是光谱仪(9)，在第二宽带分束片(10)的反射光方向是脉冲测量仪器(11)，其特征在于所述的脉冲压缩单元由固体材料(3)和真空管(12)构成，所述的固体材料(3)作为真空管(12)的后窗片形成一体，所述的真空管(12)的侧壁有充气口(121)。
专利摘要一种高能量飞秒激光脉冲外腔压缩装置，包括一激光放大系统，在该激光放大系统的输出光路上依次为薄透镜、脉冲压缩单元、镀银凹面镜、镀银平面反射镜、色散补偿元件、第一宽带分束片、第二宽带分束片，在所述的第一宽带分束片的反射光方向是光谱仪，在第二宽带分束片的反射光方向是脉冲测量仪器，其特征在于所述的脉冲压缩单元由固体材料和真空管构成，所述的固体材料作为真空管的后窗片形成一体，所述的真空管的侧壁有充气口。本实用新型装置可避免大能量脉冲入射情况下对滤波器造成的损伤，适用于较大范围能量的飞秒激光脉冲压缩，能量效率高，适用于不同波段入射脉冲情况，也适用于线偏振和圆偏振入射脉冲，而且简单实用。
文档编号G02F1/00GK2924865SQ20062004391
公开日2007年7月18日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者陈晓伟, 李小芳, 姜永亮, 刘军, 葛晓春, 李儒新 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所