基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生装置及方法

本发明涉及超快激光，具体涉及一种基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生装置及其产生方法。

背景技术：

1、超短脉冲激光在材料加工、医疗技术和超快科学等方面具有广泛的应用前景。重要的超快科学研究成果非常依赖于先进的超短脉冲激光技术，因此也促进了超快激光技术的发展。传统的钛宝石激光器以峰值功率高，脉冲宽度短的优势，在过去三十多年得到了广泛应用。近年来，在极紫外光和光电子能谱系统的相关应用中，钛宝石激光器正在逐渐被高重复频率，高平均功率掺镱光纤飞秒激光器取代。然而，掺镱光纤飞秒激光器带宽窄，相应的脉冲宽度长，这些带来了后脉冲压缩技术的挑战。

2、现有飞秒激光器输出的激光脉冲宽度在四十到百飞秒范围。为了进一步获得更短脉冲宽度的超短脉冲，再将激光脉冲输入到单独的后脉冲压缩装置。脉冲压缩装置通常使用的两种基本技术方法是使用充气空芯光纤或者固态熔融石英片在非线性光克尔效应下展宽光谱然后进行色散补偿。相比之下，固态熔融石英片的技术方法可以应用在高于千瓦级平均功率的激光，并且对输入的激光光束稳定度要求较低。但是，在高光强下，固态熔融石英片会出现锥发射，从而使得光束空间模式变差并且输出效率下降。另一方面，激光光束需要多次通过熔融石英片，在此持续展宽光谱的过程中同时会引起时间上的脉冲分裂。并且，现有的多通腔内放置的是平板形材料，只能针对一种特定的脉冲功率，模式匹配仅对多通腔的本征模式匹配而没有考虑腔内材料非线性的模式匹配。

技术实现思路

1、为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生装置及其产生方法，以减小超短脉冲激光脉宽，提高脉冲激光光束模式稳定性，将高功率长脉宽的飞秒激光器提升为脉冲时间宽度小于四十飞秒的超短脉冲激光。

2、本发明的一个目的在于提出一种基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生装置。

3、本发明的基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生装置包括：飞秒光纤激光器、预啁啾调控模块、光束模式匹配模块、非线性光谱展宽模块和色散补偿模块；其中，非线性光谱展宽模块包括多通腔耦合镜、两个多通腔腔镜和一对自相位调制介质，多通腔耦合镜位于多通腔腔镜前，两个多通腔腔镜凹面相向且相隔设定的距离构成多通腔，一对自相位调制介质采用固态凹球面体非线性材料，自相位调制介质的中心位于多通腔中心轴上，自相位调制介质的形状为凹球面体，在自身中心处的厚度最薄且越远离自身中心位置的厚度越厚，材料采用透明的具有光克尔效应的非线性材料，一对自相位调制介质对称放置于多通腔中心两侧，并且关于多通腔的中心对称，并且分别放置在平移台上，平移台能够带动一对自相位调制介质对称地远离或者靠近中心；

4、飞秒激光器发出激光脉冲光束至预啁啾调控模块，激光脉冲光束为准直光束；预啁啾调控模块使得激光脉冲光束的偏振方向位于水平面内，并且为激光脉冲光束引入负色散，使得经过自相位调制介质的光谱展宽效果更好，形成预啁啾脉冲光束输入至光束模式匹配模块；光束模式匹配模块将预啁啾脉冲光束束腰在非线性条件下模式匹配为多通腔的本征束腰模式，并使得经变换后的光束束腰的位置位于多通腔的中心；预啁啾脉冲光束经多通腔耦合镜导入至多通腔中；多通腔腔镜在稳定腔条件下形成闭合循环多通光路；一对自相位调制介质作为非线性媒介，在光克尔效应的自相位调制下展宽激光脉冲光谱，并且形状为凹球面体能够抵消光克尔效应的自聚焦效果；在多通腔内，光束的光斑大小从中心向外逐渐变大，每一通光路透过自相位调制介质的光程与透过自相位调制介质的位置有关，而每一通光路透过自相位调制介质的位置与自相位调制介质所处的位置相关，自相位调制介质远离多通腔中心则每一通光路透过自相位调制介质的光程增加，透过自相位调制介质的光程增加使得非线性相位移增加，并且非线性相位移与输出的光束空间模式的大小有关系，因此通过调节一对自相位调制介质的相对位置，同时对称靠近或远离中心，使得光束进入至自相位调制介质的位置不同，来调节光束经过自相位调制介质的光程，从而改变多通腔内的非线性相位移，使得激光脉冲光束相对于设定的入射脉冲能量下，多通腔输出的光束空间模式稳定；经过色散补偿模块对光束进行准直，调节光束偏振方向位于水平面，并对激光脉冲光束进行色散补偿，获得在脉冲光谱宽度范围内的傅里叶极限短脉冲。

5、预啁啾调控模块采用声光可编程色散滤波器；或者，预啁啾调控模块依次包括：第一半波片、脉冲啁啾调控器件和回射镜，脉冲啁啾调控器件放置在平移台上，脉冲啁啾调控器件采用光栅对或色散棱镜对。

6、光束模式匹配模块包括：透镜组、延时线和反射镜；透镜组包括凹透镜和凸透镜，在非线性条件下模式匹配为多通腔的本征束腰模式；通过反射镜改变光路，连接透镜组和延时线的激光脉冲光束；延时线包括直角面反射镜、平移台以及直角回射镜或者相互垂直放置的两个反射镜，直角回射镜或者相互垂直放置的两个反射镜放置在平移台上，使用延时线调节光程，使得经变换后的束腰的位置位于多通腔的中心。

7、非线性光谱展宽模块的多通腔耦合镜的前表面镀有高反膜，反射率为大于99％。多通腔腔镜为两个凹球面反射镜，两个凹球面反射镜的反射面朝向相对，根据多通腔腔镜的凹球面曲率，按照形成稳定腔条件设定的距离放置，形成稳定腔；多通腔腔镜具有宽光谱高反射率，光谱范围从900纳米到1200纳米，反射率大于99％。自相位调制介质的材料采用透明的晶体或玻璃。

8、色散补偿模块包括半波片和两片啁啾镜；两片啁啾镜平行放置于旋转台，通过旋转台带动啁啾镜旋转，以调节入射光进入到啁啾镜的角度；在色散补偿模块中，用透镜准直光束；准直后的光束入射到半波片；通过调节半波片，使得光束偏振方向位于水平面；从半波片出射的光束以设定的角度进入一对啁啾镜；采用啁啾镜多次反射激光脉冲光束补偿色散，获得在脉冲光谱范围内的傅里叶极限短脉冲。

9、本发明的另一个目的在于提出一种基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生方法。

10、本发明的基于凹球面体镜片与多通腔的超短脉冲产生方法，包括以下步骤：

11、1)飞秒激光器发出激光脉冲光束，激光脉冲为准直光束；

12、2)获得预啁啾脉冲光束：

13、将飞秒激光器发出的准直光束导入至预啁啾调控模块，预啁啾调控模块使得激光脉冲的偏振方向位于水平面内，并且为激光脉冲光束引入负色散，使得经过自相位调制介质的光谱展宽效果更好，形成预啁啾脉冲光束；

14、3)实现激光脉冲光束到多通腔的模式匹配：

15、预啁啾脉冲光束输入至光束模式匹配模块，光束模式匹配模块将预啁啾脉冲光束束腰在非线性条件下模式匹配为多通腔的本征束腰模式，并使得经变换后的光束束腰的位置位于多通腔的中心；

16、4)获得激光脉冲的非线性光谱展宽：

17、光束经多通腔耦合镜导入至多通腔中，多通腔腔镜在稳定腔条件下形成闭合循环多通光路；一对自相位调制介质作为非线性媒介，在光克尔效应的自相位调制下展宽激光脉冲光谱，并且形状为凹球面体能够抵消光克尔效应的自聚焦效果；在多通腔内，光束的光斑大小从中心向外逐渐变大，每一通光路透过自相位调制介质的光程与透过自相位调制介质的位置有关，而每一通光路透过自相位调制介质的位置与自相位调制介质所处的位置相关，自相位调制介质远离多通腔中心则每一通光路透过自相位调制介质的光程增加，透过自相位调制介质的光程增加使得非线性相位移增加，并且非线性相位移与输出的光束空间模式的大小有关系，因此通过调节一对自相位调制介质的相对位置，同时对称靠近或远离中心，使得光束进入至自相位调制介质的位置不同，来调节光束经过自相位调制介质的光程，从而改变多通腔内的非线性相位移，使得激光脉冲光束相对于设定的入射脉冲能量下，多通腔输出的光束空间模式稳定；

18、5)对激光脉冲进行色散补偿：

19、非线性光谱展宽模块输出的激光脉冲光束入射到色散补偿模块，色散补偿模块对光束进行准直，调节光束偏振方向位于水平面，并对激光脉冲光束进行色散补偿，获得在脉冲光谱范围内的傅里叶极限短脉冲。

20、本发明的优点：

21、(1)产生效率高，获得的激光脉冲光束空间模式稳定：激光脉冲光束空间模式与多通腔内非线性相位之间有一个平缓区，根据本发明，能够通过移动一对自相位调制介质的相对位置调节多通腔内非线性相位，使得装置工作在稳定模式；一对自相位调制介质的形状和厚度选择也能够避免激光光束的锥发射，使得激光脉冲能量保持在目标模式内，获得较高的超短脉冲产生效率；

22、(2)适用于脉冲峰值功率不同的飞秒激光脉冲光束：根据本发明，由于一对自相位调制介质能够移动调节，本发明能够对每一个脉冲能量有差别的飞秒激光器进行优化调试；

23、(3)降低了激光脉冲光束与多通腔之间的模式匹配难度：本发明的装置采用一对形状为凹球面体的自相位调制介质，相当于凹透镜，具有发散光束作用，能够抵消激光光束通过非线性介质时的聚焦效应，不必对多通腔进行非线性模式匹配处理也能够降低激光脉冲光束在非线性介质中的峰值功率波动；

24、(4)增强非线性光谱展宽效应，提高激光脉冲压缩比：本发明在多通腔的非线性光谱展宽模块设置了预啁啾模块，引入负色散，有利于防止激光脉冲光束在时间上分裂，获得更宽的光谱。