一種超連續相干光源的製作方法

2023-12-01 09:04:31

本發明屬於光物理技術領域，尤其涉及一種基於薄片固體材料的超連續相干光源。

背景技術：

超連續超寬譜相干光源，尤其是光譜寬度達到或超過一個倍頻程的光源，廣泛應用於多個領域，包括壓縮產生少周期至單周期飛秒脈衝、飛秒雷射載波包絡相位的測量和鎖定、驅動產生氣體靶中的高次諧波和阿秒雷射脈衝、可調諧光源、雷射光譜學等。

目前，最常用的產生超連續超寬譜相干光的方法是利用充氣空芯光纖展寬光譜，並利用尖劈對及啁啾鏡組來壓縮脈衝。該方法所得到的光束質量好，光譜展寬效果明顯，但是，它的一個致命缺陷是空芯光纖的芯徑不能太大，大孔徑的光纖由於失去了波導效應，輸出的光斑形狀就會變差。然而，芯徑不能太大就意味著空芯光纖所能接受的輸入脈衝能量不能超過某個閾值。此外，由於光纖芯徑是亞毫米級，對入射光的指向穩定性要求非常高，入射光的方向稍有偏差或抖動，就會強烈影響輸出脈衝的光譜和能量，以及輸出的光斑質量。最後，充氣空芯光纖的透過效率一般只能達到50％，能量損失比較大。為此，有必要發展新的方法來產生高能量的超連續超寬譜相干光。

近年來，人們發現可以採用固體材料來代替充氣空芯光纖實現超連續超寬譜相干光源。但是，現有利用固體材料產生的達到或超過一個倍頻程的超寬連續譜相干光源的輸出能量仍然非常低，只有不到0.1mJ，效率非常低。而高輸出能量的此類光源有更廣泛的應用。

技術實現要素：

因此，本發明的目的在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種超連續相干光源，包括：

雷射產生裝置，用於產生雷射脈衝，所述雷射脈衝束腰處的峰值光功率密度為0.47-0.94×1013W/cm2；以及

固體薄片組，用於將所述雷射脈衝進行光譜展寬以產生超連續光譜。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述雷射產生裝置包括飛秒雷射器和光束整形單元，所述光束整形單元用於調節所述飛秒雷射器產生的雷射脈衝的峰值光功率密度，所述飛秒雷射器優選地為鈦寶石飛秒雷射器。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述固體薄片組包含N片固體薄片，其中N≥5。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述固體薄片的材料為熔融石英、氟化鈣、釔鋁石榴石、白寶石或碳化矽。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述固體薄片的厚度為10～500微米。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述固體薄片組中的第一片固體薄片置於所述雷射脈衝的束腰之前，第二至第N片固體薄片構成準周期結構。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述固體薄片組包含7片固體薄片。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述雷射脈衝的束腰處的峰值功率密度為0.94×1013W/cm2，第一片固體薄片至第7片固體薄片的相鄰兩片固體薄片的間距依次為20cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述雷射脈衝的束腰處的峰值功率密度為0.69×1013W/cm2，第一片固體薄片至第7片固體薄片的相鄰兩片固體薄片的間距依次為5.5cm、4cm、3cm、3cm、2cm和2cm。

根據本發明的超連續相干光源，優選地，所述雷射脈衝的束腰處的峰值功率密度為0.47×1013W/cm2，，第一片固體薄片至第7片固體薄片的相鄰兩片固體薄片的間距依次為12cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。

本發明還提供了一種產生超連續相干光譜的方法，包括如下步驟：

步驟一：採用雷射產生裝置產生雷射脈衝，所述雷射脈衝束腰處的峰值光功率密度為0.47-0.94×1013W/cm2；

步驟二：採用固體薄片組將所述雷射脈衝進行光譜展寬以產生超連續光譜。

與現有技術相比，本發明的超連續相干光源採用飛秒雷射源和固體薄片組，適當地調節飛秒雷射源的光輸出功率密度以及固體薄片組的位置和間距，能夠以更高的功率和更高的效率實現超連續光譜，光譜展寬達到一個倍頻程。

附圖說明

以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中：

圖1是根據本發明實施例的基於薄片固體材料的超連續相干光源的光路示意圖；

圖2示出根據本發明實施例的從固體薄片組輸出的超連續光譜曲線；

圖3示出根據本發明實施例的使用TG-FROG測量得到的光譜及光譜相位曲線；

圖4示出根據本發明實施例的使用TG-FROG測量得到的脈衝寬度曲線。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖通過具體實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

第一實施例

參照圖1所示的根據本發明的基於薄片固體材料的超連續相干光源的光路示意圖。本發明的超連續相干光源包括：

鈦寶石飛秒雷射器1，型號為FEMTOPOWER COMPACT PRO，用於產生中心波長為790nm、脈衝寬度為30fs左右、重複頻率為1kHz、單脈衝能量為0.8mJ、直徑為12mm的準直雷射束；

光學望遠鏡單元(縮束系統)2，用於對飛秒雷射束進行縮束，縮束比為3:1；

光學聚焦單元(凸透鏡)3，焦距為f＝2000mm，縮束後的飛秒雷射束經光學聚焦單元3聚焦後得到的束腰直徑為約600μm，焦點處的峰值功率密度為約0.94×1013W/cm2；

固體薄片組4，包含7片厚度為0.1mm的熔融石英片，用於產生超連續光譜。聚焦後的飛秒雷射束直接注入固體薄片組4中，由於自相位調製效應，光譜會展寬。熔融石英薄片優選地按照布魯斯特角擺放，以減少界面反射損失。相對於沒有放置薄片組時雷射束的焦點位置，第一片熔融石英片位於焦點前31cm處，其餘每片與前一片的距離分別為20、8.5、4.5、5、5、5cm。因此後6片熔融石英片構成了一個準周期結構，其中後5片幾乎是嚴格的周期結構。同時，在前4片上的光斑直徑大約為400μm；在第5、6和7片上逐漸增大至500、600和800μm。這樣的光束髮散度遠小於不放置薄片組時的光束。因此這7片熔石英片也構成了一個準波導結構。如此設置的目的是在獲得最強光譜展寬效果的同時，避免由於光束過度自聚焦導致在薄片以及空氣中發生成絲和在薄片中的介質損傷，同時降低由多光子過程導致的能量損失。經過固體薄片組4之後，得到0.7mJ脈衝能量，固體薄片組的整體透過效率高達87％，輸出的超連續光譜覆蓋460-950nm(在-20dB峰值強度)，具體地如圖2所示，圖2為從固體薄片組4輸出的超連續光譜曲線；

色散調節單元(尖劈對)5，用於微調色散，以得到對最終輸出的超短脈衝的最佳壓縮效果；也可以替換使用合適厚度的單片或多片熔融石英對色散進行調節以達到與尖劈對同樣的調節效果。

光學準直單元(凹面反射鏡)6，焦距為f＝2000mm，用於對光束進行準直；

壓縮器(啁啾鏡組)7，用於補償色散。輸入脈衝在傳播過程中逐次通過包括固體薄片組4在內的各個光學單元時，各透射元件引入材料色散；同時，薄片組的非線性光學過程也會引入色散。啁啾鏡組7由4對啁啾鏡(8片)組成，每對可提供的二階色散量約為-90fs2，對此前累積的色散進行補償。在啁啾鏡組後測得的脈衝能量為0.68mJ；

光譜儀和脈寬測量裝置8，本實施例中採用型號為Ocean Optics HR2000+的光譜儀直接測量輸出脈衝的光譜曲線，採用TG-FROG(瞬態光柵-頻率分辨光學開關)進行脈寬測量；該裝置利用非線性光學效應產生的瞬態光柵誘導的光譜隨光程差的變化獲得頻率分辨的光學開關譜圖(FROG Trace)；對此光譜圖進行反演運算可以得到脈衝的光譜和光譜相位，參見圖3，圖3為使用TG-FROG測量得到的光譜及光譜相位曲線，圖中的光譜範圍大約是650到930納米，比光譜儀直接測得的460到950納米窄；同時，從相位曲線也可以看出，相位比較平坦的區域大約是620到930納米；綜合這兩點我們可以得出結論：在實驗中用於色散補償的啁啾鏡的帶寬有限，只在620到930納米之間實現了有效地補償，這與我們掌握的啁啾鏡的參數是一致的；這也正是我們將脈衝壓縮到7.1飛秒的原因；如果我們換用帶寬更寬的啁啾鏡，就有可能將脈衝壓縮得更短。從相位可以計算出脈衝的色散，利用傅立葉變換可以推算出脈衝在時域的電場和相位，從而得到脈衝寬度，參見圖4，圖4為使用TG-FROG測量得到的脈衝寬度曲線，結果顯示壓縮後的脈衝寬度為7.1fs，在圖4中，實線表示的是時域光強，虛線表示時域相位，時域光強曲線的半高全寬(FWHM)即脈衝寬度。

在該實施例中，鈦寶石飛秒雷射器1、光學望遠鏡單元(縮束系統)2和光學聚焦單元(凸透鏡)3可以組合為產生峰值光功率密度為0.94×1013W/cm2的雷射束的雷射產生裝置。

第二實施例

第二實施例的超連續相干光源的結構與第一實施例的相同，區別在於鈦寶石飛秒雷射器1的輸出脈衝能量調節為0.2mJ，採用f＝2.5m的長焦透鏡，將雷射聚焦到焦點處光斑直徑約350μm。然後在焦點附近放置7片0.1mm厚的熔融石英薄片，焦點處的峰值功率密度為約0.69×1013W/cm2，第一片薄片與最後一片薄片之間距離不到20cm，各片之間間距大約為5.5、4、3、3、2、2cm，輸出了0.18mJ的超連續光譜，固體薄片組的整體透過效率為90％；輸出光譜與圖2中的光譜一致。

第三實施例

在第三實施例中，輸入脈衝能量提高至0.4mJ，用3:1的縮束比對雷射進行了縮束，然後使用f＝2m的透鏡，將雷射聚焦光斑擴大到了直徑約600μm。然後在焦點附近放置7片0.1mm厚的熔融石英薄片，焦點處的峰值功率密度為約0.47×1013W/cm2，第一片薄片與最後一片薄片之間的間距約為40cm，除第一二片間距為大約12cm，其餘間距與第一實施例基本相同，總透過效率約為88％，輸出光譜與圖2中的光譜一致。

第四實施例

第四實施例提供了一種採用產生超連續光譜的方法，其包括如下步驟：

步驟1：採用飛秒雷射源產生峰值光功率密度為0.47-0.94×1013W/cm2的準直雷射脈衝；

步驟2：使步驟1得到的準直雷射脈衝通過固體薄片組進行光譜展寬以產生寬度超過一個倍頻程的超連續光譜；

步驟3：使步驟2得到的超連續光譜通過色散調節單元進行色散微調；

步驟4：採用光學準直單元對步驟3得到的光束進行準直；

步驟5：採用壓縮器對步驟4得到的光束進行色散補償，最終得到光譜超過一個倍頻程的少周期飛秒脈衝。

根據本發明的其他實施例，通過調整7片熔融石英薄片之間的間距，本發明人實現了注入能量從0.4到0.8mJ可調的超連續光譜產生。在0.4mJ的注入能量下，第一片和最後一片薄片之間的間距約40cm。當注入能量為0.8mJ時，第一片與最後一片薄片之間的距離約50cm。當注入能量不同時，只需粗略調節第一片薄片的位置，並微調其餘薄片，就可實現較好光斑的超連續光譜產生。在0.4-0.8mJ的注入能量下，超連續光譜的產生效率均大於85％，且輸出光譜均覆蓋460納米到950納米，達到一個倍頻程；輸出光譜均與圖2中的光譜一致。

根據本發明的其他實施例，固體薄片組的透光效率與輸入光的光功率密度直接相關，光功率密度越小，多光子吸收和電離作用越弱，能量損失越低。另外，光功率密度低會導致通過每個薄片的光譜展寬較少，這就需要增加固體薄片的數量來補償得到所需要的光譜展寬。在本發明中，固體薄片的數量跟隨入射光功率密度相應地調節。

另外，本領域技術人員很容易理解，為了實現入射光束腰處的峰值光功率密度在0.47-0.94×1013W/cm2的範圍內，可以直接採用輸出光峰值功率密度為0.47-0.94×1013W/cm2的雷射器，也可以採用另外的本領域公知的光學器件進行功率密度的轉換實現符合要求的峰值光功率密度。

根據本發明的其他實施例，光源可以採用脈衝寬度為10～2000飛秒的飛秒雷射源。

根據本發明的其他實施例，光學望遠鏡單元和光學聚焦單元組合成光束整形單元，用於將飛秒雷射源發出的雷射束進行整形，以得到具有所需要的峰值光功率密度的雷射束。

本領域技術人員能夠理解，當雷射束通過塊狀固體材料時，與自相位調製伴隨發生的自聚焦效應會導致光束塌縮，功率密度迅速上升，從而發生大量多光子吸收和電離，導致成絲和介質損傷，使光束被完全破壞。而使用薄片材料則可以避免這種現象的發生。雖然每個薄片所產生的自相位調製僅能將光譜少量展寬，但在各個薄片之間留有適當距離的薄片組卻可以在避免成絲和損傷的同時獲得與充氣空芯光纖類似的超連續光譜。根據本發明的其他實施例，固體薄片組中的薄片數量大於等於5，可以採用氟化鈣、釔鋁石榴石、白寶石、碳化矽等材料，厚度為10～500μm。

根據本發明的其他實施例，第一片固體材料放置於聚焦透鏡的幾何焦點之前，力求採取儘量短的光路同時獲得最大程度的光譜展寬。該片固體材料除參與光譜展寬外，也在縮束和聚焦元件之後進一步對光束進行整形。通過調節該片固體材料的位置，可以使雷射以最優的光斑大小和發散角入射至後面的固體薄片。而後面的固體薄片構成準周期結構以對雷射束實現類似波導效果的準波導約束，以便通過自相位調製獲得有效的光譜展寬，最終獲得自相位調製和自聚焦兩者之間的平衡，從而獲得最優的光譜展寬效果。

雖然本發明已經通過優選實施例進行了描述，然而本發明並非局限於這裡所描述的實施例，在不脫離本發明範圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。