一种紧凑型超快紫外激光产生装置

本发明涉及光学与激光光电子，具体涉及一种基于空芯毛细管光纤气体非线性的紧凑型超快紫外激光产生装置。

背景技术：

1、真空至近紫外波段的可调谐超快紫外激光已成为国内外激光技术乃至现代科学技术中一个非常重要的前沿领域，在超快泵浦探测光谱学、精密微加工、燃烧科学以及加速器物理等领域起着非常重要的推动作用。目前，该波段紫外激光产生的主要方式有四波混频、高次谐波、自由电子激光等。四波混频和高次谐波可以产生重复频率高、超快时间特性的紫外激光，并且激光装置具有紧凑、台式化的特点。然而，这两种方法只能产生特定波长的紫外激光脉冲，调谐能力差并且能量转换效率偏低。自由电子激光能产生高相干性、高单脉冲能量、波长连续调谐的紫外激光，但是该方法产生的紫外激光重复频率低、脉宽较宽，无法满足部分高重频与超快时间特性的光源需求，并且目前投入使用的自由电子激光装置普遍构造复杂、体积庞大、造价昂贵。2019年，j.c.travers等人用1.7米长空芯毛细管光纤进行脉冲压缩，然后通过3米长空芯毛细管光纤实现波长可连续调谐的真空紫外到近紫外波段色散波辐射。然而，使用长光纤会增加系统搭建和维护难度，光纤过长导致结构紧凑性和灵活性不足，在一定程度上限制了装置的使用场景，压缩优化空间。

技术实现思路

1、本发明主要解决上述现有技术产生的紫外激光不能同时满足波长调谐性、高重频、超快时间特性和装置小型化等缺陷，建立了一种基于空芯毛细管光纤气体非线性的紧凑型超快紫外激光产生装置。该装置在真空至近紫外波段可以产生高重频、高转换效率、波长连续可调谐以及超快时间特性的紫外光源，特别是激光装置具有紧凑、灵活和台式化的优点。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于空芯毛细管光纤气体非线性的紧凑型超快紫外激光产生装置，依次包括商用掺钛蓝宝石激光光源、第一半波片、第一线栅偏振片、第一聚焦透镜、第一光学窗口、第一气室、第一级空芯毛细管光纤、第一气体控制单元、第二光学窗口、凹面反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第二半波片、第二线栅偏振片、啁啾反射镜组、90°离轴抛物面反射镜、第三光学窗口、第二气室、第二级空芯毛细管光纤、第二气体控制单元、第二聚焦透镜、真空紫外光谱仪。

4、其中，激光光源输出初始激光脉冲，经过第一聚焦透镜聚焦并耦合进置于第一气室中的第一级空芯毛细管光纤。在惰性气体填充的空芯毛细管光纤中由于自相位调制效应实现光谱展宽，光谱展宽后的激光脉冲由凹面反射镜准直，再经过第一、第二反射镜折转光路后，通过啁啾反射镜组进行色散补偿，实现脉冲压缩。压缩后的脉冲经过90°离轴抛物面反射镜聚焦并耦合进置于第二气室中的第二级空芯毛细管光纤。在惰性气体填充的空芯毛细管光纤中，由于孤子时域自压缩和紫外色散波辐射效应，可实现150-400nm真空紫外至近紫外波段可调谐超快激光脉冲产生。输出的激光脉冲经过第二聚焦透镜聚焦到商用真空紫外光谱仪中进行光谱测量。

5、其中，惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等单原子气体。

6、其中，第一级空芯毛细管光纤和第二级空芯毛细管光纤长度均不大于1米。

7、其中，啁啾反射镜组提供负色散，用于补偿第一级出射的带有正啁啾的激光脉冲。具体补偿量由脉冲携带的正啁啾决定，补偿后的脉冲具有较干净的时域形状，其能量主要集中在脉冲主峰，并且脉冲前后沿基座较小。

8、其中，90°离轴抛物面反射镜可以对补偿后的脉冲进行聚焦或准直，与透镜相比，光束经过90°离轴抛物面反射镜不会产生球差、色差，且不会引入色散和吸收损耗。

9、其中，第一级压缩后的激光脉冲耦合进充有惰性气体的第二级空芯毛细管光纤，在自相位调制效应和空芯波导提供的负色散共同作用下实现孤子时域自压缩。孤子时域自压缩使得激光脉冲宽度缩短到周期量级，脉冲光谱得到极大展宽。宽谱的孤子在满足相位匹配条件的情况下，能量从激光脉冲转移到特定频率的线性波上，高效实现色散波辐射。改变气体种类及气压可以改变相位匹配条件，进而调控色散波波长。通过这种方法可以实现真空紫外至近紫外波段可调谐超快激光脉冲产生。

10、本发明的有益效果：

11、本发明基于空芯毛细管光纤气体非线性的紧凑型超快紫外激光产生装置产生相干性好、转换效率高、重复频率高、输出功率稳定的紫外激光脉冲；通过改变驱动脉冲能量、气体种类和气压，针对每一个波长系统性优化，可以实现150-400nm真空紫外至近紫外波段可调谐超快激光脉冲输出；本发明装置可实现将1khz重复频率的激光光源通过脉冲压缩和色散波辐射效应实现宽带飞秒紫外光源的产生；本发明装置成本经济、使用简便，具有依托单张光学平台实现紧凑灵活运行的优点，通过科学合理的布局可增加装置使用场景；本装置兼顾了装置紧凑性与波长可调谐范围。

技术特征：

1.一种超快紫外激光产生装置，包括：脉冲激光光源(1)、第一半波片(2)、第一线栅偏振片(3)、第一聚焦透镜(4)、脉冲光谱展宽单元、凹面反射镜(10)、第二半波片(13)、第二线栅偏振片(14)、啁啾反射镜组(15)，其特征在于，还包括90°离轴抛物面反射镜(16)和色散波辐射单元；

2.如权利要求1所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述脉冲光谱展宽单元用于实现光谱展宽，包括由第一光学窗口(5)、第二光学窗口(9)和壳体密封而成的第一气室(6)、置于该第一气室(6)内的第一级空芯毛细管光纤(7)、以及控制该第二气室(6)内惰性气体充入、排出及压强的第一气体控制单元(8)。

3.如权利要求2所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述脉冲激光光源(1)经过第一聚焦透镜(4)聚焦并耦合，耦合光束焦斑1/e2处的直径为第一级空芯毛细管光纤(7)内径的0.5～0.8倍；所述压缩后的激光脉冲经过90°离轴抛物面反射镜(16)聚焦并耦合，耦合光束焦斑1/e2处的直径为第二级空芯毛细管光纤(19)内径的0.5～0.8倍。

4.如权利要求3所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述第一聚焦透镜(4)耦合光束焦斑1/e2处的直径为第一级空芯毛细管光纤(7)内径的0.64倍；所述90°离轴抛物面反射镜(16)耦合光束焦斑1/e2处的直径为第二级空芯毛细管(19)内径的0.64倍。

5.如权利要求2所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述第一气室(6)、所述第二气室(18)填充气体为惰性气体；所述的惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气单原子气体；所述第一气室(6)和第二气室(18)分别连接第一气体控制单元(8)和第二气体控制单元(20)，用于气室中惰性气体的充入、排出以及130mbar～1100mbar之间、1500mbar～6500mbar之间气压压力的调节控制。

6.如权利要求2所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述第一气室(6)为密闭容器；所述第一气室(6)前后分别由熔融石英材质第一光学窗口(5)和第二光学窗口(9)密封。

7.如权利要求1所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述第二气室(18)为密闭容器，第二气室(18)前后分别由熔融石英材质第三光学窗口(17)和第二聚焦透镜(21)密封，所述第二聚焦透镜(21)由caf2或mgf2材质构成。

8.如权利要求1所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述150-400nm激光脉冲经过第二聚焦透镜(21)聚焦到真空紫外光谱仪(22)中进行光谱测量。

9.如权利要求2所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，第一级空芯毛细管光纤(7)和第二级空芯毛细管光纤(19)长度均不大于1米。

10.如权利要求1所述一种超快紫外激光产生装置，其特征在于，所述脉冲激光光源(1)为1khz掺钛蓝宝石激光光源，脉冲功率20mw～200mw可调。

技术总结
本发明提供了一种基于空芯毛细管光纤气体非线性的紧凑型超快紫外激光产生装置。初始激光脉冲耦合进置于第一气室中的第一级空芯毛细管光纤，经自相位调制效应实现光谱展宽，展宽后的激光脉冲经色散补偿装置啁啾反射镜组实现脉冲压缩。压缩后的激光脉冲耦合进置于第二气室中的第二级空芯毛细管光纤，由于孤子时域自压缩和紫外色散波辐射效应，实现150‑400nm真空紫外至近紫外波段可调谐超快激光脉冲产生。

技术研发人员：余跃,黄志远,潘劲宇,陈天道,刘冬涵,王丁,庞盟,冷雨欣
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14