基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生系统及方法

本发明涉及超强超短激光，具体涉及一种基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生系统及方法。

背景技术：

1、随着激光技术的发展，相对论强度涡旋光在激光与物质相互作用和宇宙物理学等领域均具有重要应用前景。为了微观粒子在超高时间分辨测量和控制等应用提供新的自由度，就需要孤立阿秒涡旋光，其产生可由单周期相对论强度涡旋光与固体箔相互作用来实现。但是目前常规的激光技术仅能获得多周期相对论强度涡旋光，因此如何产生单周期相对论强度涡旋光仍是一个十分重要且具有挑战的研究内容。

2、目前涡旋光可由腔内直接激发和腔外调控这两种方式产生，前者主要通过设计谐振腔使其以涡旋光作为本征模振荡输出涡旋光，但由于谐振腔内增益介质所支持的谱宽无法达到单周期且谐振腔输出的激光脉冲能量小，因此无法实现直接输出单周期相对论强度涡旋光。后者主要是将激光器输出的基模高斯脉冲通过螺旋相位板、超表面元件等进行模式转换，从而获得涡旋光，但是受限于光学元件的损伤阈值和带宽，无法直接从单周期相对论强度基模高斯光束得到单周期相对论强度涡旋光。涡旋光能量的提高，可以通过激光放大或光参量放大来实现，但这两种方法均由于晶体增益带宽无法达到单周期脉宽，最终只能产生多周期相对论强度涡旋光。

3、为了进一步获得单周期相对论强度涡旋光，可由等离子体的光子减速机理或三阶非线性光学效应来实现。前者由于等离子控制难度较大，通过该机理来获得单周期相对论强度涡旋光十分困难且复杂。后者实现方法主要利用空芯光纤、多程腔或多薄片，利用空芯光纤产生单周期相对论强度涡旋光需要复杂的光束耦合系统，且光束在空芯光纤中传播时会损失相当大的能量，且多程腔产生单周期相对论强度涡旋光需要复杂的腔室来提供气体环境，并且对腔内光学元件的调试精度要求非常高。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有激光技术仅能获得多周期相对论强度涡旋光，借助等离子体的光子减速机理或三阶非线性光学效应获得单周期相对论强度涡旋光时，存在所需光学系统和条件十分困难且复杂和调试精度要求非常高的技术问题，而提供一种基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生系统及方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生系统，其特殊之处在于：包括光源以及沿光源出射光路依次设置的涡旋光产生单元，n个级联的光谱展宽单元和色散调控单元；n≥1，且为整数；

4、所述光源为多周期相对论强度飞秒脉冲激光器；

5、所述涡旋光产生单元用于将光源出射的多周期相对论强度飞秒脉冲激光转化为多周期相对论强度基模高斯光，再滤除其中的激光高阶模式，得到提纯后的多周期相对论强度涡旋光；

6、所述光谱展宽单元包括依次设置的第二凹面反射镜和多个薄片；所述薄片位于第二凹面反射镜的焦点前后两侧且若干个薄片与第二凹面反射镜反射后的多周期相对论强度涡旋光的光轴呈布儒斯特角对称设置；

7、所述提纯后的多周期相对论强度涡旋光入射至第二凹面反射镜进行聚焦，经过多个薄片的三阶非线性光学效应对入射的多周期相对论强度涡旋光进行光谱展宽后，得到展宽后的多周期相对论强度涡旋光；

8、所述色散调控单元用于对展宽后的多周期相对论强度涡旋光进行压缩和色散补偿，得到单周期相对论强度涡旋光。

9、进一步地，所述涡旋光产生单元包括沿光路依次设置的半波片、薄膜偏振片、光阑、螺旋相位板、第一凹面反射镜和小孔；

10、所述薄膜偏振片与入射光的夹角为45°；所述小孔位于第一凹面反射镜的焦点处；

11、所述光源出射的多周期相对论强度飞秒脉冲激光入射至半波片和薄膜偏振片，得到反射的偏振s光和透射的偏振p光；透射的偏振p光入射至光阑调节光束的口径，再入射至螺旋相位板的中心且光束的奇点位于光斑中心，得到多周期相对论强度涡旋光；

12、所述多周期相对论强度涡旋光入射至第一凹面反射镜的中心，反射后通过小孔滤除光束中的高阶模式，得到提纯后的多周期相对论强度涡旋光。

13、进一步地，所述色散调控单元包括沿光路依次设置的第三凹面反射镜、啁啾镜对和尖劈对；

14、所述展宽后的多周期相对论强度涡旋光入射至第三凹面反射镜，反射后入射至啁啾镜对进行压缩，压缩后入射至尖劈对进行色散补偿，通过调节尖劈对的插入深度来调节色散补偿量，得到单周期相对论强度涡旋光。

15、进一步地，所述薄片的厚度为100 -200μm，其材质为熔融石英或钇铝石榴石晶体。

16、进一步地，所述第二凹面反射镜为长焦距凹面反射镜。

17、本发明还提供了一种基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

18、步骤1)、开启光源，光源出射的多周期相对论强度飞秒脉冲激光经过涡旋光产生单元转化为多周期相对论强度基模高斯光，再滤除其中的激光高阶模式，得到提纯后的多周期相对论强度涡旋光；

19、步骤2)、多周期相对论强度涡旋光以布儒斯特角入射至若干个薄片上，基于三阶非线性光学效应进行光谱展宽；调整薄片的位置、间距、厚度和片数，得到展宽后的多周期相对论强度涡旋光；

20、步骤3)、对展宽后的多周期相对论强度涡旋光进行压缩和色散补偿，得到单周期相对论强度涡旋光。

21、进一步地，还包括步骤4)、当步骤3)得到的单周期相对论强度涡旋光未达到预设要求时，返回步骤2)，再经过下一个级联的光谱展宽和色散调控，直至得到的单周期相对论强度涡旋光满足预设要求。

22、进一步地，步骤1)具体为：

23、1.1、开启光源，光源出射的多周期相对论强度飞秒脉冲激光经过半波片和薄膜偏振片，得到反射的偏振s光和透射的偏振p光；

24、1.2、旋转半波片并观察偏振s光和偏振p光，直至出现消光现象；而后进一步旋转半波片使得透射的偏振p光的能量减小至毫焦水平，得到多周期相对论强度基模高斯光；

25、1.3、多周期相对论强度基模高斯光通过光阑调节光束的口径后入射至螺旋相位板的中心，调整螺旋相位板的位置，使出射的多周期相对论强度涡旋光的奇点位于光斑中心；

26、1.4、多周期相对论强度涡旋光入射至第一凹面反射镜的中心，经第一凹面反射镜反射后，在反射光焦点处得到涡旋光的远场图像；通过设置在第一凹面反射镜的焦点处小孔滤除光束中的高阶模式，得到提纯后的多周期相对论强度涡旋光。

27、进一步地，步骤2)具体为：

28、2.1、提纯后的多周期相对论强度涡旋光入射至第二凹面反射镜进行聚焦，而后使光束以布儒斯特角入射至若干个薄片上，通过三阶非线性光学效应来展宽光谱；

29、2.2、改变第二凹面反射镜的焦距，调整薄片相对于第二凹面反射镜焦点的位置、间距、厚度和片数，得到保持光谱展宽和和涡旋光模式的多周期相对论强度涡旋光。

30、进一步地，步骤3)具体为：

31、采用啁啾镜对对展宽后的相对论强度涡旋光进行压缩；采用尖劈对对压缩后的相对论强度涡旋光进行色散补偿，得到单周期相对论强度涡旋光。

32、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

33、1、本发明提供的基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生系统，首先利用螺旋相位板将多周期相对论强度基模高斯光束转换为多周期相对论强度涡旋光，然后通过三阶非线性光学效应对入射的多周期相对论强度涡旋光进行光谱展宽，最后利用啁啾镜进行脉冲压缩，压缩后入射至尖劈对进行色散补偿，得到单周期相对论强度涡旋光。相较于现有系统本发明基于全光学器件，系统结构简单，能量传输效率高。

34、2、本发明提供的基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生方法，无需搭建大带宽涡旋光放大系统和具备宽带螺旋相位片等光学元件，系统结构简单。薄片结构可以避免激光小尺度自聚焦对材料的损伤，通过薄片距离的调节可以保持光谱展宽的空间均匀性，避免时空耦合的同时获得高传输效率。相对于充气空芯光纤和多程腔技术，该系统结构简单，不需要光束的精确耦合，容易实现。

35、3、本发明提供的基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生方法，通过控制薄片材料厚度以及光谱展宽单元间的色散，连续调控脉冲时间形状，在提高光谱展宽效率的同时，抑制自陡峭效应导致的光谱不对称和高阶色散，从而能够抑制时间基底的产生，获得高时间对比度涡旋光。