体电介质和半导体中的低阈值超连续谱生成的制作方法

本公开涉及飞秒超连续谱生成和超连续谱激光源的方法。具体地，本公开涉及通过生成热透镜效应以及非线性自聚焦效应在体电介质和半导体材料(nlm)中生成低阈值scg的方法和系统。

背景技术：

1、超连续谱生成(scg)是通过非线性介质传播高功率脉冲而形成宽连续频谱。具有fs脉冲的scg(fs scg)特别引起人们的注意，因为它产生了将宽的超倍频程带宽与高空间和时间相干性相结合的光谱。因此，fs scg对于许多重要应用至关重要，尤其包括光学频率梳的生成、任意光波形合成和阿秒脉冲的生成。光学频率梳(其等同于fs脉冲序列，瓦级平均功率p在0.1至10w之间，相对较高的脉冲重复率(prr)或频率fr的范围在107hz和1010hz之间，并因此低脉冲能量w＝pav/fr＝0.1-100nj)对光谱学、感测、显微镜和成像是必不可少的。

2、fs scg在专门设计的光学非线性光纤和波导(例如，氮化硅(si3n4))中的技术已经很成熟。然而，使用以受限几何形状为特征的光纤和波导是以增加激光系统的复杂性并降低激光系统的整体效率为代价的。此外，非线性光纤和波导对scg的功率和相干性具有内在限制，并且需要精确对准。

3、包括例如透明无定形固体(例如，硅酸盐和非硅酸盐光学玻璃)、晶体(例如，氧化物、氟化物、磷化物)和半导体(硅、锗、以及其他iii-v和ii-vi材料)的体材料也支持fsscg。fs scg在这些材料中的优势尤其包括相对简单，并因此低成本，灵活性以及缩放峰值和平均功率的可能性。在这些材料中，激光传播不受材料截面轮廓的限制，这允许放宽对准灵敏度。此外，一些体材料中的scg具有将飞秒输入脉冲压缩为甚至更短的输出脉冲(仅包括几个光学周期)的特征。例如，uspp 2021/0124236以及usp 10,216,063、10,216,063和10,483,709(其都与主题申请共同拥有并通过引用整体并入本文)都教导随机准相位匹配增益介质(诸如掺杂有cr2+离子的多晶硫化锌)中的scg。

4、非线性介质中的飞秒scg受所选择体材料的非线性、非线性吸收和色散之间的相互作用控制。fs-scg的物理图片可以在丝化的框架中理解：自聚焦、自相位调制、多光子吸收/电离诱导的自由电子等离子体之间的相互作用。这些物理现象之间的相互作用导致细丝的出现“a dynamic structure with an intense core，that is able to propagateover extended distances much larger than the typical diffraction length whilekeeping a narrow beam size without the help of any external guidingmechanism”(a.couairon和a.mysyrowicz，femtosecond filamentation in transparentmedia，phys.rep.441，47-190(2007))细丝形成的重要结果是脉冲频谱的非常强的非线性展宽，即输出频谱的带宽远大于输入频谱的带宽。图1a和图1b示出了针对体材料中的fsscg的标准设置。图1a中丝化的存在导致强烈展宽，但如果丝化不存在，如图1b所示，则输出频谱不被展宽。

5、细丝形成的初始阶段受自聚焦控制：介质的χ(3)非线性引起强度相关折射率：n(i)＝n0+n2i，其中，i为强度，n0为线性折射率，n2为非线性折射率。局部强度在光束中心处较高，并在其边缘处较低。因此，具有n2＞0的χ(3)体介质充当强度相关透镜。自聚焦阈值由临界功率pcrit来定义，该临界功率pcrit进而由增益介质的参数来定义，这些参数包括折射率的非线性和线性分量以及耦合到介质中的波长。增益介质(体电介质和半导体，还被称为非线性材料或介质(nlm))中的pcrit的值在0.1mw至几十mw的范围内，这具体取决于材料。

6、如果输入脉冲的峰值功率(ppk)显著超过pcrit(通常超过一个数量级或更多)，则发生体增益介质中的fs-scg。因此，基于前述内容，增益nlm中的fs-scg的标准实现基于具有相对较高的多mw级峰值功率(高达100mw)和相应高的μj级脉冲能量的fs激光器，该fs激光器通常以低khz重复率进行操作。

7、然而，fs-scg的许多重要应用(包括光学频率梳生成)需要以高多mhz率(即，以锁模振荡器的全重复率fr＝107-1010hz)和低nj级脉冲能量进行操作的fs激光器。njfs脉冲的峰值功率水平通常在亚mw至小于10mw(即，ppk≤pcrit)，其太弱以导致nlm中的自聚焦。因此，scg和频谱展宽要么太弱，要么根本不会发生。图1b中示出了该情况。

8、与体nlm中的fs scg相关联的实验数据提出了关于体nlm中的几个周期脉冲的传播的多个问题。fs振荡器以全prr进行的操作不允许fs脉冲达到足以产生fs scg的期望峰值功率。公认的现有技术的示意图无法达到现有prr下的fs scg。因此，应识别出有助于非线性聚焦以在高prr下引起fs scg的一些附加机制。了解这些机制并控制它们将为感兴趣的nlm中的低阈值fs scg提供一种通用方法，尽管以全prr操作fs振荡器，全prr如所述是高的且相对的。

9、因此，需要利用已知的物理过程来提供在感兴趣的nlm中以nj级脉冲能量(ppk≤pcrit)和高多mhz脉冲重复率实现低阈值fs-scg的改进方法。

10、另一种需要是被配置为执行改进过程的激光系统。

技术实现思路

1、本发明构思基于由非线性自聚焦效应产生的累积效应和这里公开的由于光和nlm之间的相互作用而在感兴趣的nlm中形成的热透镜。具体地，热透镜有效地帮助线性聚焦现象产生低阈值fs scg。

2、所公开的方法包括从具有正热光系数值(即，折射率的温度导数或dn/dt＞0k-1)和fs脉冲序列耦合到所选nlm的波长的一组透明材料中选择所期望的nlm。fs脉冲序列由以范围在10mhz和10ghz之间的全prr操作的fs振荡器输出，并且当耦合到nlm中时，由于nlm中的自聚焦太弱，因此没有足够的能量达到fs scg的阈值。

3、然后，通过耦合到辅助激光源的nlm中或由于fs脉冲和nlm之间的相互作用引起的非线性效应而获得的一个或多个附加波长被nlm吸收。该吸收伴随着沿fs光束截面的散热，这导致热透镜的形成。热透镜的添加帮助非线性自聚焦，并因此导致fs脉冲的峰值功率降低的细丝形成。

4、所选择的nlm可以是或可以不是增益介质。换言之，所选择的nlm不必是光学放大器。针对合适nlm制定的标准要求它在所耦合的fs脉冲序列的波长处至少部分地透明并具有正热光系数。所选择的nlm可以在普通技术人员熟知的或通过实验确定的可公开访问的资源中找到。

5、根据所公开方法的一个特征，所选择的nlm具有高二阶非线性和三阶非线性(分别χ(2)≠0和χ(3)≠0)的特征。由于诸如三波混频、光学参数生成、光学整流和多光子吸收之类的非线性效应，在nlm中生成附加波长。这些新波长中的至少一个新波长在所选择的nlm中被吸收，这导致热透镜的形成。导致生成附加波长的另一种非线性效应可以包括类似于克尔(kerr)效应的四波混频，四波混频由三阶非线性(χ(3)≠0)引起。除了新生成的波长之外，位于所选材料的透明窗口之外的那些频谱分量也被吸收，从而有助于热透镜的形成。

6、根据另一特征，除了fs脉冲之外，连续波长(cw)光束被耦合到所选择的nlm中。选择cw光束的波长以在nlm中被吸收，从而导致热透镜的散热和形成，这与非线性聚焦相结合有助于达到scg的低阈值。

7、根据所公开方法的另一特征，非线性材料的选择基于给定示意图中使用的fs振荡器的波长。相反，如果已知非线性材料及其光学特性，则选择fs振荡器以在与已知材料相互作用的波长处进行操作，以提供非线性聚焦效应和一些其他非线性效应两者，这些效应负责要在nlm中吸收的已知附加波长以提供热透镜。包括吸收频谱在内的许多材料特性都有很好的记录。

8、所公开方法的另一特征包括确定热透镜的形成。具体地，在所选非线性材料的输入和输出处重复测量输入fs脉冲的频谱。显著超过输入频谱带宽的最大输出频谱带宽指示足够强的热透镜的形成，并且指示已经达到fs scg的阈值。

9、所公开方法的又另一特征涉及在已经达到阈值之后在所选材料的输出处实现fs脉冲的最宽频谱所必需的fs scg优化。该优化包括可控地改变输入束斑的初始大小和/或所耦合的fs脉冲的平均功率和/或辅助激光源的平均功率，和/或对输入fs脉冲进行预啁啾。

10、备选地或与选择性的或所有上述优化技术相结合，所公开的方法可以包括确定所选材料内的自聚焦点的位置并识别所耦合的fs脉冲在该位置处的时间分布。优选地，如果fs脉冲是预啁啾的，则根据又另一方法特征，该优化包括选择以有助于压缩预啁啾脉冲的色散为特征的材料。最有效的优化是通过在非线性自聚焦的位置处将预啁啾脉冲压缩为最短的可能fs脉冲来发生的。

11、本公开的其他方面涉及被配置为执行所公开的方法的光学示意图，所公开的方法可以包括任何上述和其他特征或这些特征的组合。因此，本发明的示意图可以包括任何一个所公开的特征或选择性的或所有公开的特征的组合。

12、根据该方面，所公开的示意图可以包括fs振荡器和光学泵，该光学泵具有要叠加在所选非线性材料内的相应输出光束。光学泵促进热透镜的形成。又另一示意图不需要附加光源并且仅被配置有fs振荡器和所选择的nlm。根据本发明的概念，选择fs振荡器和nlm的参数，使得nlm部分地吸收fs激光辐射，该fs激光辐射施加热波导并形成帮助非线性聚焦产生低阈值cg的热透镜。