专利名称：双腔共振装置及产生自同步飞秒脉冲和皮秒脉冲的方法
技术领域：
本发明属于超短激光技术领域，具体涉及一种双腔共振装置，本发明还涉及利用
该装置产生自同步飞秒脉冲和皮秒脉冲的方法。
背景技术：
目前，双波长超短脉冲激光器的研制取得了显著的进展，已经能够从单腔共振结 构和双腔共振结构产生两列同步输出的飞秒脉冲。但是，在超快光学及超快光谱学的研究 与应用中，为实现选择性泵浦_探测，往往需要同步输出的飞秒和皮秒光脉冲作为光源。现 有的双波长飞秒脉冲激光器已不能满足选择性泵浦-探测的研究与应用的需要。主要表现 在 1、光谱宽度的限制 选择性泵浦_探测要求采用窄光谱的激光脉冲进行激发或泵浦，用宽光谱的激光 脉冲进行探测。而现有的双波长飞秒脉冲激光器只能够输出两列宽光谱的飞秒激光脉冲， 因此无法进行选择性泵浦_探测。
2 、色散对脉冲特性的影响 在泵浦-探测实验中，样品材料、光路中的光学元件都会对激光脉冲产生影响，主
要表现为啁啾的产生。当激光脉冲宽度达到飞秒量级，这种影响尤为显著。现有的双波长飞
秒脉冲激光器输出的两列宽光谱的飞秒激光脉冲在泵浦_探测实验中都产生显著的啁啾，
直接影响到测量结果。 3 、脉冲调谐范围的限制 虽然，利用单腔共振结构已经获得了飞秒和皮秒脉冲的被动同步输出，但是，由于 单腔共振结构中飞秒和皮秒脉冲在激光晶体中耦合程度无法有效控制，飞秒和皮秒脉冲的 调谐范围相互制约，调谐范围受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种双腔共振装置，解决了现有的共振结构由于光谱宽度的 限制、色散对脉冲特性的影响以及脉冲调谐范围的限制无法满足产生自同步飞秒和皮秒脉 冲的问题。 本发明的另一 目的是提供一种利用上述装置产生自同步飞秒脉冲和皮秒脉冲的 方法。 本发明所采用的技术方案是，一种双腔共振装置，包括依次置于同一精密导轨上 的聚焦透镜、球面反射腔镜a、钛宝石激光晶体和球面反射腔镜b，聚焦透镜的入射光侧设 置有分束镜，球面反射腔镜b的反射光侧设置有输出耦合镜a和输出耦合镜b，输出耦合镜 b上设置有压电传感器a，球面反射腔镜a的反射光侧设置有两条反射光路，一路为依次设 置的平面反射腔镜b、声光调制器、狭缝a、平面反射腔镜a，另一路为依次设置的石英棱镜 a、石英棱镜b、狭缝b、平面反射腔镜c，平面反射腔镜c上设置有压电传感器b，球面反射腔镜a、球面反射腔镜b、石英棱镜a、石英棱镜b、平面反射腔镜c和输出耦合镜b构成飞秒激 光腔，球面反射腔镜a、球面反射腔镜b、平面反射腔镜b、平面反射腔镜a和输出耦合镜a构 成皮秒激光腔。 本发明所采用的另一技术方案是，一种利用双腔共振装置产生自同步飞秒脉冲和 皮秒脉冲的方法，具体按照以下步骤实施 步骤1 :打开氩离子激光器，将激光功率调至2-3W，入射的泵浦光束通过分束镜分 为平行的两束光； 步骤2 :设置聚焦透镜和钛宝石激光晶体表面之间的距离为99-99. 5mm，球面反射 腔镜a和球面反射腔镜b的间距为99. 8-100. 3mm，球面反射腔镜a的轴线和球面反射腔镜 b的轴线之间的夹角为16° -26° ，调整钛宝石激光晶体表面的法线方向，使步骤l得到的 两束平行光以布儒斯特角入射； 步骤3 :用两个光阑确定氩离子激光器的泵浦光线，关闭氩离子激光器，用一个 He-Ne激光器作准直光源，使其发出的光线与步骤1中氩离子激光器发出的泵浦光束重合；
步骤4:拿掉He-Ne激光器，打开氩离子激光器，功率调至7-8W，在平面反射腔镜 b、平面反射腔镜c及输出耦合镜a、输出耦合镜b表面上得到暗红色荧光；
步骤5 :调节平面反射腔镜b的位置及轴线方向，使步骤4得到的暗红色荧光射在 平面反射腔镜a的表面上，然后调节平面反射腔镜a的位置及轴线方向，使暗红色荧光沿着 原光路返回；调节输出耦合镜a的位置及轴线方向，使暗红色荧光沿着原光路返回；进一步 交替调节平面反射腔镜a和输出耦合镜a的轴线方向，使暗红色荧光在平面反射腔镜a和 输出耦合镜a上都沿着原光路返回，在皮秒激光腔内产生连续激光的输出；继续调节平面 反射腔镜a和输出耦合镜a的轴线方向，同时调节聚焦透镜、钛宝石激光晶体、球面反射腔 镜a、球面反射腔镜b的位置和方向，使皮秒激光腔输出功率最大；调节石英棱镜a、石英棱 镜b的位置及顶角方向，使步骤4得到的暗红色荧光射在平面反射腔镜c的表面上，然后调 节平面反射腔镜c的位置及轴线方向，使暗红色荧光沿着原光路返回；调节输出耦合镜b的 位置及轴线方向，使暗红色的荧光沿着原光路返回；进一步交替调节平面反射腔镜c和输 出耦合镜b的轴线方向，使暗红色荧光在平面反射腔镜c和输出耦合镜b上都沿着原光路 返回，在飞秒激光腔内产生连续激光的输出，继续调节平面反射腔镜c和输出耦合镜b的轴 线方向，使飞秒激光腔输出功率最大； 步骤6 :关闭氩离子激光器，将激光功率调为9-10W，打开声光调制器，将声光调制 器的调制频率调到78-80MHz，调节皮秒激光腔腔长，达到锁模，关闭声光调制器，皮秒激光 腔维持在自锁模状态；振动石英棱镜b使得飞秒激光腔达到自锁模； 步骤7 :用频率计数器测量皮秒激光腔输出脉冲的重复频率以及飞秒激光腔输出 脉冲的重复频率，调节飞秒激光腔腔长，使飞秒激光腔与皮秒激光腔输出脉冲的重复频率 一致； 步骤8 :沿轴向移动聚焦透镜、平面反射腔镜c和输出耦合镜b，同时，保持飞秒激 光腔输出脉冲的重复频率不变，直至飞秒激光腔与皮秒激光腔输出脉冲的光谱发生变化；
步骤9 :打开压电传感器a和压电传感器b，调节电压，微调平面反射腔镜c和输出 耦合镜b的前后位置，使皮秒激光腔输出脉冲的光谱展宽最大； 步骤10 :沿垂直于光传播的方向移动狭缝a和狭缝b，调节狭缝a和狭缝b的缝宽，使得皮秒脉冲和飞秒脉冲的波长调谐； 步骤11 :沿轴向移动聚焦透镜、反射腔镜c和输出耦合镜b，使得皮秒激光腔和飞 秒激光腔的腔长精确匹配，达到皮秒脉冲和飞秒脉冲的波长调谐范围一致并同步输出。
本发明的特点还在于，其中的分束镜的上表面一半镀有金属膜，对450-540nm的 光半反射；上表面另一半镀有金属膜，对450-540nm的光全部透射；下表面镀有金属膜，对 450-540nm的光全部反射。 本发明的有益效果是，利用不同的色散补偿及精确的腔长匹配，采用合理的增益 分配，在双腔共振结构中产生自同步输出的飞秒和皮秒脉冲；在激光晶体表面控制飞秒和 皮秒脉冲之间相互耦合程度，拓宽了飞秒和皮秒脉冲的调谐范围。其中，皮秒激光脉冲通过 样品材料、光路中的光学元件后产生的啁啾比较小，对实验结果的影响较小。自同步输出的 飞秒和皮秒脉冲非常适合于选择性泵浦_探测实验的研究与应用。
图1是本发明双腔共振装置的结构示意图； 图2是本发明双腔共振装置中泵浦光束分束镜的结构示意图； 图3是利用本发明装置产生的飞秒脉冲和皮秒脉冲耦合区域的示意图； 图4是本发明实施例1中独立自锁模时皮秒脉冲的二阶自相关曲线； 图5是本发明实施例1中独立自锁模时皮秒脉冲的光谱图； 图6是本发明实施例1中独立自锁模时飞秒脉冲的二阶自相关曲线； 图7是本发明实施例1中独立自锁模时飞秒脉冲的光谱图； 图8是本发明实施例1中交叉锁模时皮秒脉冲的二阶自相关曲线； 图9是本发明实施例1中交叉锁模时皮秒脉冲的光谱图； 图10是本发明实施例1中交叉锁模时飞秒脉冲的二阶自相关曲线； 图11是本发明实施例1中交叉锁模时飞秒脉冲的光谱图； 图12是本发明实施例1中交叉锁模时皮秒和飞秒脉冲的交叉相关曲线； 图13是本发明实施例1中交叉锁模时皮秒和飞秒脉冲的总光谱图； 图14为本发明实施例1双腔共振装置的结构示意图。 图中，l.分束镜，2.聚焦透镜，3.球面反射腔镜a，4.钛宝石激光晶体，5.球面反 射腔镜b，6.输出耦合镜a，7.压电传感器a，8.输出耦合镜b，9.平面反射腔镜a， 10.狭缝 a，ll.声光调制器，12.平面反射腔镜b，13.石英棱镜a，14.石英棱镜b，15.狭缝b，16.平 面反射腔镜c， 17.压电传感器b。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明双腔共振装置的结构，如图1所示，包括依次置于同一精密导轨上的聚焦 透镜2、球面反射腔镜a3、钛宝石激光晶体4和球面反射腔镜b5，聚焦透镜2的入射光侧设 置有分束镜1，球面反射腔镜b5的反射光侧设置有输出耦合镜a6和输出耦合镜b8，输出耦 合镜b8上设置有压电传感器a7，球面反射腔镜a3的反射光侧设置有两条反射光路， 一路为 依次设置的平面反射腔镜bl2、声光调制器ll、狭缝al0、平面反射腔镜a9，另一路为依次设
6置的石英棱镜al3、石英棱镜bl4、狭缝bl5、平面反射腔镜c16，平面反射腔镜c16上设置有 压电传感器b17。球面反射腔镜a3、球面反射腔镜b5、石英棱镜al3、石英棱镜bl4、平面反 射腔镜c16和输出耦合镜b8构成一个激光腔，称为飞秒激光腔，球面反射腔镜a3、球面反射 腔镜b5、平面反射腔镜bl2、平面反射腔镜a9和输出耦合镜a6构成另一个激光腔，称为皮 秒激光腔。 分束镜l，用于将一束激光泵浦光束分裂为平行的两束泵浦光束；
聚焦透镜2，用于将两束激光泵浦光束聚焦在钛宝石激光晶体4上；
钛宝石激光晶体4 ，用于产生激光脉冲； 球面反射腔镜a3和球面反射腔镜b5，用于构建稳定的激光振荡腔； 平面反射腔镜a9、平面反射腔镜bl2和平面反射腔镜cl6，用于激光振荡腔内激光
的反射； 输出耦合镜a6和输出耦合镜b8，用于激光振荡腔的耦合输出； 狭缝a10和狭缝b 15，用于调谐激光振荡腔内脉冲的波长； 石英棱镜a13和石英棱镜bl4，用于补偿激光振荡腔内激光脉冲的色散； 声光调制器ll，用于皮秒激光器锁模的启动； 压电传感器a7和压电传感器bl7，用于调节激光振荡腔的腔长。 分束镜1的结构如图2所示，分束镜1正面为直径为2英寸的圆形，厚度为4mm。
上表面一半镀有金属膜(AE部分)，对450-540nm的光半反射，另一半也镀有金属膜(ED部
分)，对450-540nm的光全部透射；下表面镀有金属膜(BC部分)，对450-540nm的光全部反
射。泵浦光入射角为45° ，经分束镜1后泵浦光被分为平行的两束光，两束光的功率比可以
通过改变金属膜的反射率加以控制，两束光之间的距离可以通过改变分束镜1的厚度加以控制。 飞秒脉冲和皮秒脉冲耦合区域如图3所示，两列锁模激光脉冲形成后，当两个激
光腔的长度精确匹配时，两列锁模激光脉冲会在激光晶体内相遇，其耦合强度与它们相
互作用的距离有关，改变激光晶体的位置，使它们相互作用的区域在激光晶体的表面下
0. 1-0. 5mm，就能够控制其耦合强度，进一步达到控制激光脉冲调谐范围的目的。 本发明利用双腔共振装置产生自同步飞秒脉冲和皮秒脉冲的方法，具体按照以下
步骤实施 步骤1 :打开氩离子激光器，将激光功率调至2-3W，入射的泵浦光束通过分束镜1 分为平行的两束光； 步骤2 :设置聚焦透镜2和钛宝石激光晶体4表面之间的距离为99-99. 5mm，球面 反射腔镜a3和球面反射腔镜b5的间距为99. 8-100. 3mm，球面反射腔镜a3和球面反射腔 镜b5的轴线之间的锐夹角在16° -26°之间，调整钛宝石激光晶体4表面的法线方向，使 步骤1得到的两束平行光以布儒斯特角入射； 步骤3 :用两个光阑确定氩离子激光器的泵浦光线，关闭氩离子激光器，用一个 He-Ne激光器作准直光源，使其发出的光线与步骤1中氩离子激光器发出的泵浦光束重合。 氩离子激光亮度高、强度大，容易对眼睛造成伤害。所以，采用亮度低、强度低的He-Ne激光 器作准直光源，使光路的调节变得相对容易一些。另外，He-Ne激光器的波长与钛宝石激光 波长接近，有利于光路的调节和准直；
步骤4 :拿掉He-Ne激光器，将氩离子激光器打开，功率调至7_8W。在平面反射腔 镜bl2、平面反射腔镜c16以及输出耦合镜a6、输出耦合镜b8表面上得到暗红色的荧光；
步骤5 :调节平面反射腔镜b12的位置及轴线方向，使步骤4得到的暗红色荧光射 在平面反射腔镜a9的表面上，然后调节平面反射腔镜a9的位置及轴线方向，使暗红色荧光 沿着原光路返回。调节输出耦合镜a6的位置及轴线方向，使暗红色荧光沿着原光路返回。 进一步交替调节平面反射腔镜a9和输出耦合镜a6的轴线方向，使暗红色荧光在两个镜面 上都沿着原光路返回。多次调节后，就能够在皮秒激光腔内产生连续激光的输出。继续调 节平面反射腔镜a9和输出耦合镜a6的轴线方向，同时调节聚焦透镜2、钛宝石激光晶体4、 球面反射腔镜a3、球面反射腔镜b5的位置和方向，使皮秒激光腔输出功率最大；调节石英 棱镜al3、石英棱镜b14的位置及顶角方向，使步骤4得到的暗红色荧光射在平面反射腔镜 c16的表面上，然后调节平面反射腔镜c16的位置及轴线方向，使暗红色荧光沿着原光路返 回。调节输出耦合镜b8的位置及轴线方向，使暗红色的荧光沿着原光路返回。进一步交替 调节平面反射腔镜c16和输出耦合镜b8的轴线方向，使暗红色荧光在两个镜面上都沿着原 光路返回。多次调节后，就能够在飞秒激光腔内产生连续激光的输出。继续调节平面反射 腔镜c16和输出耦合镜b8的轴线方向，使飞秒激光腔输出功率最大； 步骤6 :关闭氩离子激光器，将激光功率调为9-10W。打开声光调制器ll，将声光调 制器11的调制频率调到78-80MHz，调节皮秒激光腔腔长，达到锁模，关闭声光调制器ll，皮 秒激光腔能够维持在自锁模(克尔透镜锁模)状态，此时，测量皮秒脉冲的自相关和光谱； 同时振动石英棱镜bl4使得飞秒激光腔达到自锁模(克尔透镜锁模)，测量飞秒脉冲的自相 关和光谱； 步骤7 :用频率计数器测量皮秒激光腔输出脉冲的重复频率以及飞秒激光腔输出 脉冲的重复频率。调节飞秒激光腔腔长，使飞秒激光腔与皮秒激光腔输出脉冲的重复频率 一致； 步骤8 :沿轴向移动聚焦透镜2、平面反射腔镜cl6和输出耦合镜b8，同时，保持飞 秒激光腔输出脉冲的重复频率不变，直至飞秒激光腔与皮秒激光腔输出脉冲的光谱发生变 化； 步骤9 :打开压电传感器a7和压电传感器bl7，调节电压，微调平面反射腔镜c16 和输出耦合镜b8的前后位置，使皮秒激光腔输出脉冲的光谱展宽最大；再次测量皮秒脉冲 的自相关和光谱以及飞秒脉冲的自相关和光谱；测量皮秒脉冲和飞秒脉冲的交叉相关，同 时，测量皮秒脉冲和飞秒脉冲的总光谱； 步骤10 :沿垂直于光传播的方向移动狭缝a10和狭缝bl5，调节狭缝a10和狭缝 b15的缝宽，实现皮秒脉冲和飞秒脉冲的波长调谐； 步骤11 :沿轴向移动聚焦透镜2、反射腔镜c16和输出耦合镜b8，使得皮秒激光 腔和飞秒激光腔的腔长精确匹配，达到皮秒脉冲和飞秒脉冲的波长调谐范围一致并同步输 出。 本发明双腔共振装置及自同步产生飞秒和皮秒脉冲的方法的理论依据及有益效 果是 1、理论依据 交叉锁模涉及到两束或两束以上的激光，每一束激光不仅受到增益和损耗、自相用，而且相互之间还存在耦合。耦合作用加强了自聚焦效应，因而增 强了相位调制，也就是说，产生了交叉相位调制。在双波长超短脉冲激光器中，两束激光在 自相位调制、群速弥散、增益和损耗、交叉耦合的共同作用下形成交叉锁模，其中每一种作 用对超短脉冲的形成都至关重要。 双波长交叉锁模飞秒激光器的经典锁模方程为
4a^，x—(g^2-z与)4rO,(w)+4o〖"x)o〖";c)
《 2汰 2
十/,0))(z，x)(D2(z，x)^(z，x) + (" —"0)!(z，x)
要O2(z，x)-(g"F22-/^")4j0)2(z，:0 + !冬a);(z,x)O"z，x) & 2 汰 2
+ z' 5 O, ;jc)①,O, jc)<I)2 (z， jc) + (a -力02 (z， x)
(1)
(2) 其中①(z， x)为时域中的光场包络算符，A- 、， 1血、Y1 = A
!^、 |32分别是光腔中两个光束回路中的总群速弥散，^、 ￡2分别
为其Kerr作用系数，k为耦合系数，a为单程增益，Y为单程腔内总损耗，g为增益带宽，
z为以腔长为单位的归一化的长度。 方程右边的第三项表示交叉相位调制。如果公式(1)和(2)分别表示飞秒和皮秒 激光腔的锁模方程，那么公式(1)中右边的第二项z',^'(;力Of(z，x)表示飞秒激光腔内的
自相位调制，右边的第三项z'f^(z,"①2(z,X)0,"x)表示飞秒激光腔内的交叉相位调制。
由于飞秒激光脉冲的光场幅度远远大于皮秒激光脉冲的光场幅度，因此，飞秒腔内的交叉 相位调制远远小于自相位调制，交叉相位调制导致的交叉锁模对飞秒腔内脉冲时域和频域
特性的影响较小。公式(2)中右边的第二项z',0^，力0^，x)表示皮秒激光腔内的自相 位调制，右边的第三项z'f。〖0,"^"x冲2(z，JC)表示皮秒激光腔内的交叉相位调制。由于
飞秒激光脉冲的光场幅度远远大于皮秒激光脉冲的光场幅度，因此，皮秒腔内的交叉相位 调制远远大于自相位调制，交叉相位调制导致的交叉锁模对飞秒腔内脉冲时域和频域特性 的影响非常显著。 交叉锁模发生时，激光腔内总的相位调制由自相位调制和交叉相位调制两部分组 成。由于交叉相位调制导致的交叉锁模对皮秒腔内脉冲时域和频域特性的影响非常显著， 因此，我们在这种情况下观察到皮秒脉冲光谱的显著展宽。并且，以此为依据表明飞秒和皮 秒脉冲发生交叉锁模。
2、有益效果
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利用不同的色散补偿及精确的腔长匹配，采用合理的增益分配，在双腔共振结构 中产生自同步输出的飞秒脉冲和皮秒脉冲，在激光晶体表面控制飞秒脉冲和皮秒脉冲之间 相互耦合程度，拓宽了飞秒脉冲和皮秒脉冲的调谐范围。而且，皮秒激光脉冲通过样品材 料、光路中的光学元件后产生的啁啾比较小，对实验结果的影响较小。自同步输出的飞秒脉 冲和皮秒脉冲非常适合于选择性泵浦_探测实验的研究与应用。
实施例1 如图14所示，设置氩离子激光输出功率为10W，光束直径为3mm，以45。角入射 在分束镜M1上。分束镜M1上表面一半镀有金属膜，对450-540nm的光具有65X的反射 率，另一半也镀有金属膜，对450-540nm的光具有99%的透过率；下表面镀有金属膜，对 450-540nm的光具有99%的反射率。光束1的功率为6. 5W，光束2的功率为3. 5W，两束光边 缘的距离为2mm。通过焦距为100mm的透镜L(CVI，BICX-25. 4-102. 4-UV)聚焦在钛宝石激光 晶体棒中(EKSMA OPTICS)，钛宝石激光晶体按布儒斯特角切割，光轴C垂直于棒轴，参杂浓 度O. 12wt^，长4mm，直径5mm。泵浦光的波矢垂直于钛宝石激光晶体光轴C，泵浦光的电矢 量平行于光轴C，形成Ji偏振泵浦，入射角60. 4° 。腔镜M2和M3 (CVI， LPK-12. 5-25. 9-C) 的曲率半径是100mm，对740-860nm波长的光的反射率大于99%。平面腔镜M4至M6 (CVI， TLMB-800-0-2506M)对740-860nm波长的光的反射率大于99% 。 M7和M8是透过率为3% 的平面输出耦合镜。Pl和P2为石英棱镜(IB-12. 4-69. l-UV)，间距56cm。 P3和P4为压电 传感器(17BPC102)。 AOM为声光调制器(12080-3-BR-TE)。聚焦透镜L、钛宝石激光晶体 Ti:S、反射腔镜M4和输出耦合镜M7置于精密导轨上(GCM-72114M) 。 M2、M3、M4、M7以及石 英棱镜Pl和P2构成一个激光腔，称为飞秒腔，其泵浦功率为3. 5W。 M2、M3、M5、M6、M8构成 另一个激光腔，称为皮秒腔，腔长为1906mm，其泵浦功率为6. 5W。飞秒和皮秒光脉冲的自相 关曲线分别通过脉冲在BBO晶体中的倍频信号来测量，交叉相关通过飞秒脉冲和皮秒脉冲 在BBO晶体中的和频信号来测量。脉冲的光谱由光谱仪来记录。
实验结果
(l)独立自锁模 在皮秒腔内实现激光锁模。关闭声光调制器，皮秒腔内锁模仍能维持，表明自锁模 (克尔透镜锁模)已经完成。测量皮秒脉冲的自相关和光谱，如图4及图5所示。皮秒腔内 脉冲二阶自相关曲线的半高全宽为7.31ps，脉冲光谱的中心波长为786. 7nm，半高全宽为 0. 23nm，输出功率为373mW。使飞秒激光器达到自锁模。测量飞秒脉冲的自相关和光谱，如 图6及图7所示，飞秒腔内脉冲二阶自相关曲线的半高全宽为47fs，脉冲光谱的中心波长为 801nm，半高全宽为34nm，输出功率为238mW。
(2)交叉锁模 用频率计数器测量皮秒激光器输出脉冲的重复频率，结果为78696116Hz。利用精 密导轨调节飞秒激光腔腔长，使飞秒激光器与皮秒激光器输出脉冲的重复频率一致。利用 精密导轨沿轴向移动聚焦透镜L、反射腔镜M4和输出耦合镜M7，同时，保持飞秒激光器输出 脉冲的重复频率不变，直至飞秒激光器与皮秒激光器输出脉冲的光谱发生变化。打开压电 传感器P3和P4，调节电压，微调反射腔镜M4和输出耦合镜M7的前后位置，使皮秒激光器输 出脉冲的光谱展宽最大。再次测量皮秒脉冲的自相关和光谱，如图8及图9所示。脉冲二 阶自相关曲线的半高全宽为1. 26ps，脉冲光谱的中心波长为781. 3nm，半高全宽为1. 24nm，输出功率为319mW。同时，再次测量飞秒脉冲的自相关和光谱，如图IO及图ll所示。脉冲 二阶自相关曲线的半高全宽为53fs，脉冲光谱的中心波长为800nm，半高全宽为33nm，输出 功率为212mW。图8、图9、图10和图11表明，两个激光腔内脉冲的时域和频域特性都发生 改变。测量皮秒脉冲和飞秒脉冲的交叉相关，同时，测量皮秒脉冲和飞秒脉冲的总光谱，如 图12、图13所示。沿垂直于光传播的方向移动狭缝Sl和S2，同时，控制狭缝Sl和S2的缝 宽，能够实现激光脉冲的波长调谐。当皮秒脉冲和飞秒脉冲的耦合区域在激光晶体的表面 下0. 18mm时，同步输出的皮秒脉冲和飞秒脉冲的调谐范围达到最大，分别为38nm和46nm。
比较图4、图5、图8和图9，图6、图7、图10和图11，可以发现交叉锁模工作模式 下脉冲特性发生了显著变化。飞秒和皮秒腔内脉冲的频谱和时间宽度发生了变化。飞秒腔 内飞秒脉冲的时间宽度略微变大，光谱宽度略微变小，而皮秒腔内皮秒脉冲的时间宽度明 显减小，光谱宽度显著增加。飞秒和皮秒脉冲特性的变化起因于群速弥散，自相位调制，交 叉相位调制和增益竞争的综合作用。交叉锁模发生时，激光腔内总的相位调制由自相位调 制和交叉相位调制两部分组成。飞秒腔内的交叉相位调制远远小于自相位调制，因此交叉 相位调制导致的交叉锁模对飞秒腔内脉冲时域和频域特性的影响较小。然而，皮秒腔内的 交叉相位调制远远大于自相位调制，因此交叉相位调制导致的交叉锁模对皮秒腔内脉冲时 域和频域特性的影响就非常显著。
(3)时间抖动 时间抖动是衡量双波长超短脉冲激光器质量的重要指标，当双脉冲分别作为泵浦 和探测光时，时间抖动在很大程度上决定了泵浦_探测装置的时间分辨率。我们通过测量 飞秒和皮秒脉冲的交叉相关曲线来计算飞秒和皮秒脉冲之间的时间抖动。利用非线性光学 晶体BBO测量两列脉冲的和频信号，得到交叉相关曲线，然后与两列脉冲各自的自相关曲 线进行对比，从而计算出结果。图12给出了两列交叉锁模脉冲的强度交叉相关曲线，图13 为飞秒和皮秒脉冲的总光谱。 对时域内为高斯强度分布的激光脉冲，时间抖动可表示为fy-[—-(^+ "22)〗1/2 (3) 其中t是交叉相关曲线的半高全宽，、是一个脉冲的半高全宽，^是另一个脉 冲的半高全宽。假设实验中测量的脉冲为高斯脉冲，根据图8、图9、图IO和图ll，交叉相关 曲线的半高全宽t = 1.031ps，飞秒脉冲半高全宽、=53X0. 707 = 37. 5fs，皮秒脉冲 半高全宽t 2 = 1. 26X0. 707 = 0. 891ps。计算得到时间抖动为t = 517fs。
1权利要求
一种双腔共振装置，其特征在于，包括依次置于同一精密导轨上的聚焦透镜(2)、球面反射腔镜a(3)、钛宝石激光晶体(4)和球面反射腔镜b(5)，聚焦透镜(2)的入射光侧设置有分束镜(1)，球面反射腔镜b(5)的反射光侧设置有输出耦合镜a(6)和输出耦合镜b(8)，输出耦合镜b(8)上设置有压电传感器a(7)，球面反射腔镜a(3)的反射光侧设置有两条反射光路，一路为依次设置的平面反射腔镜b(12)、声光调制器(11)、狭缝a(10)、平面反射腔镜a(9)，另一路为依次设置的石英棱镜a(13)、石英棱镜b(14)、狭缝b(15)、平面反射腔镜c(16)，平面反射腔镜c(16)上设置有压电传感器b(17)，球面反射腔镜a(3)、球面反射腔镜b(5)、石英棱镜a(13)、石英棱镜b(14)、平面反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)构成飞秒激光腔，球面反射腔镜a(3)、球面反射腔镜b(5)、平面反射腔镜b(12)、平面反射腔镜a(9)和输出耦合镜a(6)构成皮秒激光腔。
2. 根据权利要求l所述的双腔共振装置，其特征在于，所述的分束镜(1)的上表面一半 镀有金属膜，对450-540nm的光半反射；上表面另一半镀有金属膜，对450-540nm的光全部 透射；下表面镀有金属膜，对450-540nm的光全部反射。
3. —种利用权利要求1所述的双腔共振装置产生自同步飞秒脉冲和皮秒脉冲的方法， 其特征在于，采用一种双腔共振装置，包括依次置于同一精密导轨上的聚焦透镜(2)、球面 反射腔镜a(3)、钛宝石激光晶体(4)和球面反射腔镜b(5)，聚焦透镜(2)的入射光侧设置 有分束镜(1)，球面反射腔镜b(5)的反射光侧设置有输出耦合镜a(6)和输出耦合镜b(8)， 输出耦合镜b(8)上设置有压电传感器a(7)，球面反射腔镜a(3)的反射光侧设置有两条反 射光路， 一路为依次设置的平面反射腔镜b (12)、声光调制器(11)、狭缝a(10)、平面反射腔 镜a(9)，另一路为依次设置的石英棱镜a(13)、石英棱镜b (14)、狭缝b (15)、平面反射腔镜 c (16)，平面反射腔镜c (16)上设置有压电传感器b (17)，球面反射腔镜a (3)、球面反射腔镜 b(5)、石英棱镜a(13)、石英棱镜b(14)、平面反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)构成飞秒 激光腔，球面反射腔镜a(3)、球面反射腔镜b(5)、平面反射腔镜b(12)、平面反射腔镜a(9) 和输出耦合镜a(6)构成皮秒激光腔，具体按照以下步骤实施步骤1 :打开氩离子激光器，将激光功率调至2-3W，入射的泵浦光束通过分束镜(1)分 为平行的两束光；步骤2 :设置聚焦透镜(2)和钛宝石激光晶体(4)表面之间的距离为99-99. 5mm，球面 反射腔镜a(3)和球面反射腔镜b(5)的间距为99. 8-100. 3mm，球面反射腔镜a (3)的轴线和 球面反射腔镜b(5)的轴线之间的夹角为16。 -26° ，调整钛宝石激光晶体(4)表面的法线 方向，使步骤1得到的两束平行光以布儒斯特角入射；步骤3 :用两个光阑确定氩离子激光器的泵浦光线，关闭氩离子激光器，用一个He-Ne 激光器作准直光源，使其发出的光线与步骤1中氩离子激光器发出的泵浦光束重合；步骤4 :拿掉He-Ne激光器，打开氩离子激光器，功率调至7_8W，在平面反射腔镜 b(12)、平面反射腔镜c(16)及输出耦合镜a(6)、输出耦合镜b(8)表面上得到暗红色荧光；步骤5 :调节平面反射腔镜b(12)的位置及轴线方向，使步骤4得到的暗红色荧光射在 平面反射腔镜a(9)的表面上，然后调节平面反射腔镜a(9)的位置及轴线方向，使暗红色荧 光沿着原光路返回；调节输出耦合镜a(6)的位置及轴线方向，使暗红色荧光沿着原光路返 回；进一步交替调节平面反射腔镜a(9)和输出耦合镜a(6)的轴线方向，使暗红色荧光在平面反射腔镜a(9)和输出耦合镜a(6)上都沿着原光路返回，在皮秒激光腔内产生连续激光 的输出；继续调节平面反射腔镜a(9)和输出耦合镜a(6)的轴线方向，同时调节聚焦透镜 (2)、钛宝石激光晶体(4)、球面反射腔镜a(3)、球面反射腔镜b(5)的位置和方向，使皮秒激 光腔输出功率最大；调节石英棱镜a(13)、石英棱镜b (14)的位置及顶角方向，使步骤4得 到的暗红色荧光射在平面反射腔镜c(16)的表面上，然后调节平面反射腔镜c(16)的位置 及轴线方向，使暗红色荧光沿着原光路返回；调节输出耦合镜b(8)的位置及轴线方向，使 暗红色的荧光沿着原光路返回；进一步交替调节平面反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)的 轴线方向，使暗红色荧光在平面反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)上都沿着原光路返回， 在飞秒激光腔内产生连续激光的输出，继续调节平面反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)的轴线方向，使飞秒激光腔输出功率最大；步骤6 :关闭氩离子激光器，将激光功率调为9-10W，打开声光调制器(ll)，将声光调制 器(11)的调制频率调到78-80MHz，调节皮秒激光腔腔长，达到锁模，关闭声光调制器(11)， 皮秒激光腔维持在自锁模状态；振动石英棱镜b (14)使得飞秒激光腔达到自锁模；步骤7 :用频率计数器测量皮秒激光腔输出脉冲的重复频率以及飞秒激光腔输出脉 冲的重复频率，调节飞秒激光腔腔长，使飞秒激光腔与皮秒激光腔输出脉冲的重复频率一 致；步骤8 :沿轴向移动聚焦透镜(2)、平面反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)，同时，保持 飞秒激光腔输出脉冲的重复频率不变，直至飞秒激光腔与皮秒激光腔输出脉冲的光谱发生 变化；步骤9:打开压电传感器a(7)和压电传感器b(17)，调节电压，微调平面反射腔镜 c(16)和输出耦合镜b(8)的前后位置，使皮秒激光腔输出脉冲的光谱展宽最大；步骤IO :沿垂直于光传播的方向移动狭缝a(10)和狭缝b(15)，调节狭缝a(10)和狭缝 b(15)的缝宽，使得皮秒脉冲和飞秒脉冲的波长调谐；步骤ll :沿轴向移动聚焦透镜(2)、反射腔镜c(16)和输出耦合镜b(8)，使得皮秒激光 腔和飞秒激光腔的腔长精确匹配，达到皮秒脉冲和飞秒脉冲的波长调谐范围一致并同步输 出。
4.根据权利要求3所述的利用双腔共振装置产生自同步飞秒脉冲和皮秒脉冲的方法， 其特征在于，所述的分束镜(1)的上表面一半镀有金属膜，对450-540nm的光半反射；上表 面另一半镀有金属膜，对450-540nm的光全部透射；下表面镀有金属膜，对450-540nm的光 全部反射。
全文摘要
本发明公开的一种双腔共振装置，包括聚焦透镜、球面反射腔镜a、钛宝石激光晶体和球面反射腔镜b，聚焦透镜的入射光侧设置有分束镜，球面反射腔镜b的反射光侧设置有输出耦合镜a和输出耦合镜b，输出耦合镜b上设置有压电传感器a，球面反射腔镜a的反射光侧设置有两条反射光路，一路为依次设置的平面反射腔镜b、声光调制器、狭缝a、平面反射腔镜a，另一路为依次设置的石英棱镜a、石英棱镜b、狭缝b、平面反射腔镜c，平面反射腔镜c上设置有压电传感器b。利用不同的色散补偿及精确的腔长匹配，可产生自同步输出的飞秒和皮秒脉冲。本发明装置及方法，自同步输出的飞秒和皮秒脉冲非常适合于选择性泵浦-探测实验的研究与应用。
文档编号H01S3/0943GK101752778SQ200910254489
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者张崇辉, 朱长军, 翟学军, 高宾 申请人:西安工程大学