具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置的制作方法

本发明涉及超强超短激光脉冲，特别是一种具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置，以利于强场超快物理的相关研究。

背景技术：

基于钛宝石激光器的超短超强激光脉冲经历了快速的技术进步，成为了许多超快科学研究的有力工具，例如原子分子系统的时间分辨测量、高次谐波产生、激光粒子加速等领域。钛宝石激光器的主要优势在于其较宽的增益带宽，可产生小于30fs的短脉冲。虽然这些光脉冲的峰值功率对于探测非微扰物理过程是充足的，但由于钛宝石激光器较高的量子缺陷，产生光脉冲的重复频率和平均功率较低。然而，很多强激光物理过程不仅要有高峰值功率，也需要高重复频率及高信噪比的光脉冲。为了获得高平均功率的激光，需要使用新的激光介质，比如镱。

虽然掺镱激光器的平均功率很高，但其增益带宽较窄，输出脉冲的时域宽度通常为皮秒量级。而大多数前沿研究，需要短于100fs的光脉冲。因此，要采用非线性压缩来实现这一目标。皮秒或飞秒脉冲非线性压缩的原理是通过脉冲在透明介质中的非线性传输，得到强度梯度注入的频谱展宽，称为自相位调制效应。对于高斯型脉冲，被展宽的频谱带线性啁啾。在啁啾补偿后，脉冲宽度最终被压缩。目前存在多种非线性压缩的方案，例如使用一片或几片固体透明材料、一个气室或一段波导。近年来，国内外多个小组相继进行了借助空心光纤结构对高平均功率激光压缩的研究，充分利用了其大的频谱展宽和好的空间模式控制的优势。例如，emaury等人实验证明了输出接近1ps脉宽的激光源和kagome光纤能够产生10w平均功率和88fs宽度的脉冲。之后，相应的输出参数分别提高到了46w和108fs。等人利用kagome光纤进行非线性压缩获得了更高的平均功率，能产生76w和31fs的激光脉冲。然而，kagome光纤由于空心孔径很小，限制了输入脉冲能量、最大只能为几十微焦。对于毫焦量级能量的超强激光脉冲，可通过充气空心光纤来进行光谱展宽，这类光纤的内径为几百微米。充气空心光纤已经成为了在可见和红外波段范围的飞秒脉冲的重要压缩器，可以用于同时具有高平均功率和高峰值功率的激光脉冲。例如，rothhardt等人使用了内径均为250μm的两级充气空心光纤将210fs脉冲压缩到7.8fs，并且该脉冲有53w高平均功率和25gw高峰值功率。等人通过一个小于300fs激光源和两级250μm内径、1m长的空心光纤，获得了小于2个光周期、216w高平均功率和17gw高峰值功率的脉冲。然而，对于皮秒脉冲，由于脉冲较低的光强梯度和大口径空心光纤较小的非线性，其频谱展宽程度很小。单纯地增加输入脉冲能量或充入空心光纤中气体的气压，会导致脉冲能量复杂的时空分布，以及较差的模式形状。

虽然一些小组曾经使用过双色激光脉冲通过空心光纤压缩来展宽光谱，但他们都用的是两束飞秒脉冲，借助自相位调制和交叉相位调制效应引起频谱展宽。另一方面，等人报道了利用压缩频率梳的方式来产生高功率亚皮秒的脉冲，具体是将两束接近1μm中心波长的窄线宽连续波激光耦合到光纤中，借助级联四波混频效应产生频率梳。鉴于这两种技术各自的优越性，将二者联系起来，比如：相比于飞秒或连续光，输入脉冲是皮秒量级；把自相位调制、交叉相位调制和四波混频效应都用于频谱展宽，从而形成一个分立带状的光谱。

技术实现要素：

本发明要解决的问题就是提供一种具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置。该装置具有抗时间抖动的稳定性，能产生具有高峰值功率、高平均功率、高重复频率的光束质量得到改善和优化的飞秒脉冲，有利于强场物理的相关研究。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置，其特点在于该装置包括第一掺镱皮秒激光器和第二掺镱皮秒激光器，在所述的第二掺镱皮秒激光器的激光输出方向依次是分束片、凸透镜、充有惰性气体的空心光纤装置、凹面镜和啁啾镜组，所述的第一掺镱皮秒激光器输出的激光经反射镜和所述的分束片与所述的第二掺镱皮秒激光器输出的激光合束，所述的凸透镜的焦点位于所述的空心光纤的前端入口处，且所述的焦点的光斑的直径等于所述的空心光纤内径的0.60～0.70，所述的凹面镜的焦点位于所述的空心光纤的后端出口处，所述的啁啾镜组的输出端即本装置的输出端。

所述的焦点光斑的最佳直径为空心光纤内径的0.65。

与在先技术相比，本发明的优点归纳如下：

1)本发明可以产生同时具有高峰值功率和高平均功率的超短脉冲，具体是将掺镱激光器输出的高能量皮秒激光脉冲通过充气空心光纤压缩装置进行脉冲宽度压缩而得到的，有利于强场物理的相关研究。

2)本发明利用强度包络调制，将两束不同中心波长、但时空交叠的皮秒脉冲作为入射光，形成一个较高的时域强度梯度，然后再将组合成的脉冲通过充气空心光纤装置进行压缩，从而实现高功率皮秒激光脉冲的高效压缩。

3)本发明把脉冲在充气空心光纤中传输时通过脉冲与惰性气体之间相互作用产生的自相位调制、交叉相位调制和四波混频效应都用于光谱展宽，相比于传统的单一皮秒输入脉冲的方式，在相同条件下，能够大大展宽频谱，提高了皮秒脉冲压缩效率。同时，由于空心光纤波导效应对光束有整形作用，组合成的皮秒脉冲在被压缩的同时，光束质量也得到改善和优化。

总之，本发明装置具有抗时间抖动的稳健性，能产生具有高峰值功率、高平均功率、高重复频率的光束质量得到改善和优化的飞秒脉冲，有利于强场物理的相关研究。

附图说明

图1为本发明具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置的示意图。

图2为本发明掺镱激光器输出的两束皮秒脉冲组合后的脉冲时域光强形状随不同波长差的理论模拟示意图。

图3为通过充气空心光纤后的光谱对比示意图。

图4为本发明的理论模拟的两束皮秒脉冲组合成的脉冲，经过压缩后的时域强度包络和相位图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置的示意图。由图可见，本发明具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置，包括第一掺镱皮秒激光器1和第二掺镱皮秒激光器2，在第二掺镱皮秒激光器2的激光输出方向依次是分束片4、凸透镜5、充有惰性气体的空心光纤装置6、凹面镜7和啁啾镜组8，第一掺镱皮秒激光器1输出的激光经反射镜3和分束片4与第二掺镱皮秒激光器2输出的激光合束，所述的凸透镜5的焦点位于所述的空心光纤的前端入口处，且该焦点的光斑的直径等于所述的空心光纤内径的0.60～0.70，所述的凹面镜7的焦点位于空心光纤的后端出口处，所述的啁啾镜组8的输出端即本装置的输出端。

所述的凸透镜5的焦点光斑的最佳直径为空心光纤内径的0.65。

本发明具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置的使用方法，包括如下步骤：

1)启动所述的第一掺镱皮秒激光器1和第二掺镱皮秒激光器2，所述的第一掺镱皮秒激光器1输出的激光经所述的反射镜3反射后到达所述的分束片4，并与所述的第二掺镱皮秒激光器2输出的激光合束；

2)根据入射脉冲的光强确定合适内径的所述的空心光纤，将ccd的接收面置于所述的空心光纤的前端入口，使合成后的激光脉冲通过不同焦距的凸透镜聚焦在所述的ccd的接收面，观测ccd显示的光斑大小，当所述的焦点光斑的最佳直径为空心光纤内径的0.65，则选择该凸透镜作为所述的凸透镜5；

3)将合成后的激光脉冲通过所述凸透镜5聚焦后到达所述的空心光纤的前端入口处，通过调节所述的空心光纤装置6的空间位置，使入射脉冲耦合进入所述的充有惰性气体的空心光纤装置6中，使出射能量最大且出射光斑为一个均匀的圆形；

4)将所述的从空心光纤出射的激光用所述的凹面镜7经小角度反射后准直，所述的凹面镜7的焦距大小一般与所述的凸透镜5的焦距大小相等，所述的凹面镜7的焦点位于所述的空心光纤的后端出口处，所述的小角度一般小于10°。根据光谱仪测得的出射脉冲的光谱而计算得到出射脉冲所带的正啁啾量，再调节所述的啁啾镜组8的色散补偿量，使补偿量与出射脉冲所带的正啁啾量相同，同时调节所述的啁啾镜组8的位置，使从所述的凹面镜7反射的激光能够到达所述的啁啾镜组8，最终实现仅包含数个光周期宽度的飞秒激光脉冲的输出。

本发明具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置是基于两束皮秒脉冲的光强包络调制的原理而制成的。因为待压缩的入射皮秒脉冲本身具有非常宽的光谱，传统装置只用一束皮秒脉冲通过充有惰性气体的空心光纤压缩器时需要很高的气压，并且脉冲压缩率较低。为了解决这一问题，本发明利用基于强度包络调制的方式，将掺镱激光器输出的两束皮秒脉冲合束，作为入射光，这两束光的能量和延时具有一定比例，目的是实现组合成的脉冲强度包络调制深度尽可能大，这样，通过充气空心光纤后脉冲的光谱展宽会较大。

一般两束光入射能量相同；由于皮秒脉冲的脉宽相对较长，两束光前后间隔一两百飞秒对于传输动态影响很小，所以该装置具有抗时间抖动的稳健性。

此外，强度包络的调制取决于这两束光的波长差：当波长差越小时，时域光强次峰数越少，但强度梯度越低，光谱展宽量就较少；当波长差越大时，强度梯度越高，但时域光强次峰数越多，越难以压缩得到单一强度主峰的脉冲。为了解决对两束光中心波长差距的合理选择的问题，本发明对掺镱激光器输出的两束皮秒激光组合后脉冲的时域光强形状随不同波长差的变化作了理论计算。发现在掺镱激光器输出的波段范围内，用1053nm和1064nm中心波长的两束激光组合成的脉冲能够实现最好的光谱展宽，同时脉宽可从1ps压缩达到20fs以下。

本发明装置可以从高能量皮秒激光系统经压缩来产生同时具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲。

本发明装置的基本物理原理是由于两束皮秒脉冲在光强包络上注入调制，形成一个较高的时域强度梯度，其组合成的脉冲在充气空心光纤中传播时，脉冲前沿发生频谱展宽、且不断累积等离子体密度；脉冲后沿处的等离子体散焦效应会大大缩短时域脉宽。脉冲余留的前沿部分经啁啾补偿后可进一步被压缩。利用这一特点，本发明装置可以从皮秒脉冲经压缩产生具有高峰值功率和高平均功率的飞秒量级超短脉冲。

由于掺镱激光器输出皮秒脉冲中心波长通常在1μm波段，脉冲强度包络的调制取决于两束光的中心波长差，为了便于描述不同波长差对于两束皮秒脉冲组合后脉冲的影响，设定一束脉冲的中心波长为常见波长1053nm，另一束脉冲的中心波长从1030nm改变到1070nm，图2为本发明掺镱激光器输出的两束皮秒脉冲组合后的脉冲时域光强形状随不同波长差的理论模拟示意图。

本发明的具体实施例如下：

第一掺镱皮秒激光器1和第二掺镱皮秒激光器2输出的两束激光脉冲中心波长分别为1053nm和1064nm、能量均为5mj且脉宽均为1ps，所述的充气空心光纤装置6的充气空心光纤的参数为：250μm内径、1m长、充有5bar氖气，所述的啁啾镜组8的补偿量为-560fs²。如图3所示，在相同条件下，两束皮秒脉冲组合成的输入脉冲，与单一的1053nm或1064nm波长输入脉冲相比，通过充气空心光纤后，由于强度包络调制形成的较高时域强度梯度，光谱展宽程度扩大了10倍。为了方便对比，图中纵坐标所示均为归一化的光强。经过理论计算，单一的1053nm或1064nm波长脉冲频谱能支持的时域傅里叶转换极限宽度分别为164.3fs或163.6fs，而由两束皮秒脉冲组合成的脉冲频谱能支持的时域傅里叶转换极限宽度可达2.1fs，远远短于单一皮秒脉冲入射的情况。

因为组合成的脉冲在充气空心光纤中传播时，不仅有激光脉冲与惰性气体的自相位调制、两束脉冲之间的交叉相位调制作用，还包含有四波混频效应，所以组合成的脉冲频谱呈现了离散分立的形状。图4显示了脉冲压缩后的时域强度包络和相位。从所述的空心光纤出射的宽光谱脉冲经所述的凹面镜反射准直后，经过所述的啁啾镜组8补偿-560fs²色散量，得到大约16fs、能量为5mj的周期量级激光脉冲。在脉冲能量的聚集区间，脉冲时域强度包络近似只含有一个主峰，并且在主峰处相位基本上是平坦分布的，说明脉冲色散基本为零，啁啾已被很好补偿，足以满足实验的需要。

同时，我们计算了一定范围内，其它能量(4mj和6mj)和氖气气压(7bar和4bar)下两束皮秒脉冲压缩后的情况，它们的结果与两束5mj脉冲在5bar气压下的结果类似，说明本发明允许初始条件有相对大的弹性调节选择。

通过计算和实验表明，本发明具有抗时间抖动的稳健性，能产生具有高峰值功率、高平均功率、高重复频率的光束质量得到改善和优化的飞秒脉冲，有利于强场物理的相关研究。