非共線的高次諧波產生方法
2023-04-23 15:26:41
專利名稱：非共線的高次諧波產生方法
技術領域：
本發明涉及超快雷射技術方向，具體的講是涉及一種利用介質的非共線非線性轉換特性產生高次諧波的方法。
背景技術：
超強超短雷射科學研究以超強超短雷射的創新發展、超強超短雷射與物質的相互作用、以及在交叉學科與相關高技術領域中的前沿基礎為對象，是當前國際上現代物理學乃至現代科學中一個非常重要的科學前沿領域。在這一領域中精密光譜學的研究在近年取得了前所未有的突破。在相當長的時期，對時域和頻域的精密控制研究是分割在兩個不同的領域。直到20世紀末，科學家開始對飛秒雷射穩頻技術的研究突破了光場時域和頻域研究領域的隔閡，實現超快雷射的載波位相的精確控制，巧妙地將光學頻率精密控制、超短光脈衝產生和非線性光學結合起來，開拓了對光場時-頻域同時精密控制研究的新時代。Science Daily評述認為現在利用雷射，科學家能夠在超快時間尺度上更大程度地操控光子，開創了光子源超精密操控科學與技術這一全新前沿領域，使得光鍾、光學頻率合成與測量、超短光脈衝相干合成、物理常數精確測定等一些戰略高科技研究項目從夢想變成了可實現的目標。同時由於超精密授時系統的諸多潛在應用，包括通信、航天、衛星導航、空間探測器遙控跟蹤、地區救災，對地球表面以毫米精度成像，以及研究地球旋轉及脈衝周期等各種變化，對基礎研究的應用包括量子電動力學及基本物理常數的變化，因此對光場時域和頻域的精密控制研究愈來愈受到世界各國的高度重視。
對光場在時域-頻域同時實現精密控制的技術正在開始推進到極紫外(XUV)和軟X射線等超短波段。最近，T.W.Hansch小組等將光梳技術延伸到VUV和XUV區域，進一步探索在超快時間尺度與超短波段範疇更大程度地操控光子，將為精密雷射光譜學提供新概念與新方法，開闢出新學科前沿。例如，2005年的諾貝爾物理學獎公告評論認為可以用極紫外光學頻率梳技術測量He+的1s-2s躍遷的高分辨雷射光譜，最終可能產生X射線區域產生原子鐘。在光學頻率梳技術基礎上發展的新一代原子鐘由於以高頻光波而非微波輻射為基礎將促使更精確的時間頻率度量方法與標準。極紫外、軟X射線、X射線波段等更高頻率範疇的原子鐘有望更大幅度的提升時間頻率度量的精度。
目前對於紫外、極紫外光梳的獲取，通常以獲取高次諧波為前提。其基本原理在於強雷射與介質的非線性相互作用。當雷射峰值功率達到約1014W/cm2時，該雷射場的電場能量足以與原子的電離能相當，在這種情況下，強電場很容易使原子發生電離。一旦發生電離，自由電子的運動就會受到雷射場的控制，而這些電子的動能也很快就會達到初始電離能的數倍，在這一過程中電離後的自由電子經過碰撞重新與母離子結合，同時釋放出高能量的光子，即紫外乃至極紫外的雷射。在此基礎上進行載波位相鎖定的操作即可以獲得該波段的光梳。目前光梳技術已較為成熟，並得到較好應用。
目前常見的高次諧波產生系統主要有兩種一種是將放大後得到的強雷射直接與非線性介質相互作用；另外一種方法是雷射在無源增強腔(簡稱為無源腔)的腔內與非線性介質相互作用。下面結合附圖對這兩種高次諧波的產生過程作一介紹附圖1給出了第一種方法的框架圖，振蕩器出來的雷射經過放大(再生放大、多通放大等)後被聚焦透鏡(L)聚到非線性介質上，此時雷射峰值功率足夠強，與介質發生作用，釋放出高能量光子，即高次諧波，作用後得光束經過濾波片(F)濾除基波後進入探測器探測。這一結構的局限在於此類放大裝置是以犧牲雷射重複頻率為代價的，因此其重複頻率通常比較低，一般不高於千赫茲量級，對於高重複頻率難以實現，不利於載波位相穩定，不能用於紫外光梳的獲取。另外採用濾波的方法來取出高次諧波，考慮到材料對投射波段的局限性，以及材料引入的損耗，因此對濾波片的材料以及厚度要求較高。
附圖2給出了第二種方法的結構示意圖，M1、M2、M3、M4四個鏡子構成一雷射無源腔，其自由光譜區等同於泵光(來自振蕩器)的縱模間隔，從而泵光在腔內形成諧振前後脈衝相干疊加而實現光放大，其放大倍數取決於無源腔腔鏡的鍍膜，如反射率為99.9％時，放大倍數為1000倍，反射率為99.99％時，放大倍數為10000倍，因此通過改變腔鏡的反射率我們就可以得到想要的雷射峰值功率。非線性介質置於束腰處，此處光斑最小，光峰值功率最大，當峰值功率足夠強時，便可得到高次諧波，高次諧波被插入腔內的布儒斯特片反射到探測裝置上。這裡由於基波強度很大，因此插入的布儒斯特片會引入極大的非線性效應，如腔長的改變、色散的引入等，另外還有對基波的損耗等，這些對無源腔的穩定以及雷射脈衝的寬度都會產生很大的影響，不利於窄脈衝的獲取，從而也影響了高次諧波的產生。也有專家提出不用布儒斯特片，而是在腔鏡M4上打一個微小的孔，以便於高次諧波輸出，但是這一方法在實際操作中卻存在很大的困難，因為高次諧波與基波方向上的偏差很小，很難以準確調整。
發明內容
本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種利用多腔結構獲取高次諧波的方法，該方法由多路光非共線的射入非線性介質中，利用非共線光束的混頻特性，無需附加操作即可從腔內導出高次諧波。
本發明目的實現由以下技術方案完成一種非共線的高次諧波產生方法，包括雷射腔、凹面鏡和平面鏡的選擇，以及非線性介質的放置，其特徵在於該方法至少採用二個雷射腔，且在所述的雷射腔中設有由兩個凹面鏡組成的共焦腔，所述至少二個雷射腔的共焦腔的焦點重合為公共焦點，將非線性介質放置於公共焦點。
所述的至少兩個腔中的光束在到達非線性介質時在時間和空間上均要嚴格同步。
所述的雷射腔包括無源腔、振蕩腔。
所採用的至少兩個雷射腔可以是均採用無源腔、或者是均採用振蕩腔、或者是既採用無源腔又採用振蕩腔。
所述的凹面鏡的曲率半徑的選擇應保證焦點處的光峰值功率滿足高次諧波要求。
所述的非線性介質可以是固體、液體、或者是氣體。
所述的氣體非線性介質通常是惰性氣體原子及其離子、或者是穩定的團簇。
所述非線性介質需要置於真空室中。
本發明的優點是更容易取出純的高次諧波成分，可以實現多色作用下的高次諧波獲取，能夠提供更高的雷射峰值功率，獲得更高階的諧波，在雷射載波位相鎖定的情況下，可以獲得紫外光梳，有利於獲得單個的阿秒脈衝。
附圖1現有技術利用雷射放大器獲取高次諧波的實驗結構示意圖；附圖2現有技術利用單個雷射無源腔獲取高次諧波的實驗裝置圖；附圖3本發明實施例1利用雙無源腔獲取高次諧波的結構示意圖；附圖4本發明實施例2利用雙內腔獲取高次諧波的結構示意圖；附圖5本發明實施例3利用內腔無源腔組合獲取高次諧波的結構示意圖；附圖6本發明實施例4利用多無源腔組合獲取高次諧波的結構示意圖；附圖7本發明實施例5利用多無源腔組合獲取高次諧波的結構示意圖；具體實施方式
以下結合附圖通過實施例對本發明特徵及其它相關特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解本實施例的方法，雷射在多腔中分別形成諧振，得到放大，當光峰值功率足夠強時，經過非線性介質就會產生高次諧波。由於光束是非共線相互作用，因此得到的高次諧波也與基波光束分別成一定的角度傳輸，從而無需另外採取措施分離基波與高次諧波便可進行探測。
所謂多腔可以是兩個雷射腔也可以是多個無源腔或者是多個無源腔與一個振蕩腔共同作用。兩個雷射腔的情況下，可以是完全相同的兩個無源腔或者是完全相同的兩個振蕩腔(稱之為內腔)，也可以是一個無源腔和一個內腔。多路光的波長可以相同也可以不同，脈衝寬度可以相同也可以不同。
採用無源腔的優點在於可以獲得更高的雷射峰值功率。採用內腔的優點在於更容易實現色散補償，獲得更窄的乃至周期量級的雷射脈衝，利於提高高次諧波的產生效率，也便於單個阿秒脈衝的獲取。
所有雷射腔中所有的鏡片均鍍有與所用雷射相匹配的寬帶高反膜，以保證不損失雷射的帶寬，可以得到窄脈衝下的高次諧波，同時腔內光峰值功率與鏡片的反射率成正比。
非線性介質可以是固體、液體也可以是氣體。主要是惰性氣體原子及其離子，為提高轉換效率也可以採用穩定的團簇。考慮空氣對高次諧波的吸收，非線性介質需要置於真空室中，也可以將整個設備置於真空室中。
在下面的實施例中，以多路光均為中心波長為800nm的脈衝光為例，其他波段以及多色的情況下與該波段實施方法一致。
實施例1為了有效的獲取高次諧波，儘量提高有效入射非線性晶體的光峰值功率是必要的。如圖3所示，本方案採用的方法是，將泵浦光耦合進兩個完全相同的外置的四鏡8字環形無源腔(或者其他結構合適的無源腔)，保證無源腔的諧振頻率與泵浦光的重複頻率相匹配，使雷射在無源腔中形成諧振，以達到腔內功率增強的效果，從而使放置在無源腔中的非線性介質可以獲得比泵浦光高出幾個數量級的有效入射光峰值功率。
圖3中標號M11、M12、M21、M22為鍍有650nm～1000nm寬帶高反膜的平面反射鏡，M13、M14、M23、M24為具有相同曲率半徑的鍍有650nm～1000nm寬帶高反膜的凹面反射鏡，所有反射鏡的反射率為99.9％，非線性介質在本實施例中選用惰性氣體Xe，其放置在兩個無源腔的公共焦點處。
將振蕩器1輸出的雷射耦合進由M11、M12、M13、M14構成的無源腔中。將振蕩器2輸出的雷射耦合進由M21、M22、M23、M24構成的無源腔中。通過鎖腔等外部電路控制，兩路光實現時間空間上的完全同步且光峰值功率足夠強時，經過非線性介質即可產生高次諧波，並與兩基波傳輸方向以一定的偏離角度輸出進入探測裝置。當振蕩器1、2輸出的雷射絕對位相鎖定時，得到的高次諧波的位相也是鎖定的，可以得到紫外光梳。
實施例2如圖4所示，本實施例與實施例1的區別在於將非線性介質直接置於兩個結構完全相同的雷射振蕩器的公共焦點處，由於腔內光功率通常比輸出功率高出一到兩個數量級，因此也可以達到高次諧波所需的光峰值功率要求，而且腔內色散補償更容易實現，更易於獲取周期量級窄脈衝，利於提高高次諧波的轉換效率，在相位鎖定的情況下也更有利於獲取單個的阿秒脈衝，可以精確測量紫外波段的原子光譜，便於獲取X射線區域的原子鐘。
圖4中標號M1、M2、M4、M5、M7、M8、M10、M11為鍍有650～1000nm的寬帶高反膜的凹面反射鏡，其中M1、M2、M7、M8四鏡的曲率半徑相同，M4、M5、M10、M11四鏡的曲率半徑相同。M3、M9為鍍有650～1000nm的寬帶高反膜的平面反射鏡。OC1、OC2為輸出耦合鏡，其輸出率可以相同或者不同，同樣鍍有650～1000nm的寬帶膜。T1、T2為雷射增益介質，針對不同的波段，可以選用不同的材料，本實施例中都選用了摻鈦藍寶石(Ti:S)。N為非線性介質，本實施例中採用惰性氣體Xe。
實施例3如圖5所示，本實施例與實施例1的區別在於將非線性介質置於由一個雷射內腔和一個雷射無源腔構成的雙腔結構的公共焦點處。這一裝置將無源腔的高強度和內腔的短脈衝的優勢有效的結合在了一起。圖5中標號M1、M2、M4、M5、M8、M9為鍍有650～1000nm的寬帶高反膜的凹面反射鏡，其中M1與M2、M4與M5、M8與M9曲率半徑分別相同。M3、M6、M7為鍍有650～1000nm的寬帶高反膜的平面反射鏡。OC1為輸出耦合鏡，同樣鍍有650～1000nm的寬帶膜。T為雷射增益介質，針對不同的波段，可以選用不同的材料，本實施例中選用了摻鈦藍寶石(Ti:S)。N為非線性介質，本實施例中採用惰性氣體Xe。
實施例4如圖6所示，本實施例與實施例1的區別在於在實施例1兩個無源腔的基礎上又添加了一個同樣的無源腔(M31、M32、M33、M34構成)，非線性介質置於三個結構完全相同的無源腔的公共焦點處，有三束光共同作用產生高次諧波，其作用原理與實施例1近似。
實施例5如圖7所示，本實施例在實施例3的基礎上增加了一個內腔(M10、M11、M12、M13、M14、OC1、T1)，非線性介質置於三個腔的公共焦點處。其作用原理與實施例1近似。
本領域技術人員顯然可以認識到，多個無源腔產生高次諧波的情況並不局限於實施例4所述內容，在實驗空間條件允許的情況下可以按需要增加無源腔的個數，同樣也可以在實施例3的基礎上按需增加新的無源腔或者是內腔，另外在這裡相互作用的多束光並不一定是完全相同的，其波段和脈衝寬度都可以不同，無源腔之間的結構可以不同，內腔的結構也可以不同。在雷射相位鎖定的情況下，上述裝置都可以獲得紫外光梳。
權利要求
1.一種非共線的高次諧波產生方法，包括雷射腔、凹面鏡和平面鏡的選擇，以及非線性介質的放置，其特徵在於該方法至少採用二個雷射腔，且在所述的雷射腔中設有由兩個凹面鏡組成的共焦腔，所述至少二個雷射腔的共焦腔的焦點重合為公共焦點，將非線性介質放置於公共焦點。
2.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述的至少兩個腔中的光束在到達非線性介質時在時間和空間上均要嚴格同步。
3.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述的雷射腔可以指的是無源腔、或者是振蕩腔。
4.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所採用的至少兩個雷射腔可以是均採用無源腔、或者是均採用振蕩腔、或者是既採用無源腔又採用振蕩腔。
5.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述的凹面及平面鏡鍍有與所用雷射相匹配的寬帶高反膜。
6.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述的凹面鏡的曲率半徑的選擇應保證焦點處的光峰值功率滿足高次諧波要求。
7.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述的非線性介質可以是固體、液體、或者是氣體。
8.根據權利要求7所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述的氣體非線性介質通常是惰性氣體原子及其離子、或者是穩定的團簇。
9.根據權利要求1所述的一種非共線的高次諧波產生方法，其特徵在於所述非線性介質需要置於真空室中。
全文摘要
本發明涉及超快雷射技術方向，具體地講是涉及一種利用介質的非共線非線性轉換特性產生高次諧波的方法，該方法由多路光非共線的射入非線性介質中，利用非共線光束的混頻特性，無需附加操作即可從腔內導出高次諧波，其優點是更容易取出純的高次諧波成分，可以實現多色作用下的高次諧波獲取，能夠提供更高的雷射峰值功率，獲得更高階的諧波，在雷射載波位相鎖定的情況下，可以獲得紫外光梳，有利於獲得單個的阿秒脈衝。
文檔編號G02F1/35GK1913260SQ20061002957
公開日2007年2月14日 申請日期2006年7月31日 優先權日2006年7月31日
發明者韓曉紅, 曾和平 申請人:華東師範大學