一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法与流程

1.本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法。


背景技术：

2.超快激光技术指的是脉冲宽度在皮秒(10-12
s)至飞秒(10-15
s)量级的超短激光脉冲的产生、放大、测量、变换及其相应的应用技术。飞秒激光具有窄脉冲宽度、高峰值功率、宽光谱等特点，不同参数类型的飞秒激光在众多科研及工业领域，比如激光核聚变、太赫兹产生、时间分辨光谱学、高次谐波、阿秒脉冲产生、精密加工、激光切割等领域发挥着重要作用。
3.得益于掺镱(yb)增益介质较高的量子效率和成熟的半导体泵浦源，近年来掺yb的高平均功率振荡器、放大器得到了迅速发展。受限于yb介质的发射带宽，其放大后输出脉冲宽度通常在数百飞秒至皮秒量级，为了扩展其应用领域，则需要对其脉宽进行非线性压缩。与钛宝石相比，掺yb增益介质由于发射带宽较窄，无法直接输出亚百飞秒激光脉冲，但是其可以直接放大至百微焦量级，具有成本低和技术成熟度高的优势，而目前光谱展宽技术非常成熟，因此结合yb放大器和光谱展宽技术，是获得亚百飞秒激光脉冲的一种可行方式。
4.常见的光谱展宽技术有空芯光纤、固体薄片组、充气kagome光纤以及实芯的光子晶体光纤(pcf)。空芯光纤和固体薄片组较多地应用于窄脉宽高峰值功率光源，比如1khz钛宝石放大器，而受限于玻璃材料的自聚焦阈值，实芯的pcf则较多地应用于mw量级的飞秒脉冲比如飞秒振荡器的光谱展宽。由于惰性气体的自聚焦阈值要比固体材料高三个数量级左右，因此充气kagome光纤在较大的峰值功率范围内(mw-gw)均可应用。近几年，一种新型光谱展宽装置多通腔(mpc)得到了较多的关注，出现了较多的高平均功率yb放大器使用mpc装置展宽光谱进而压缩脉宽的报道，通过对已经报道的结果进行总结可以发现，基于固体材料的mpc装置比较适用于峰值功率为百mw量级的激光脉冲的光谱展宽。相比于其它光谱展宽技术，mpc具有以下优势：第一，mpc具有较大的通光孔径，使得其对入射激光的指向稳定性要求较低；第二，基于固体材料的mpc装置结构简单、成本较低；第三，mpc装置可以通过微调凹面镜之间的距离改变通过次数，也可以通过将非线性材料放置在不同位置改变非线性积累，具有较好的设计灵活性。但是，非线性材料放置位置是固定的，难以调节展宽量。
5.在频域上展宽之后的激光脉冲带有啁啾，还需配合压缩装置将脉冲宽度压缩至傅里叶变换极限脉冲宽度。常用的压缩装置有光栅对、棱镜对和啁啾镜等，对于结构相对简单的啁啾镜压缩器，使用多个啁啾镜搭配也只能得到阶跃变化的色散量，难以完美匹配光谱展宽所引入的色散量。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有多通式激光光谱展宽系统中的非线性介质的位置固定，难以调节展宽量，同时其中的压缩装置难以精细补偿色散量的问题，而提供了一种多通式
激光光谱展宽光学系统及方法。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种多通式激光光谱展宽光学系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的模式匹配组件、光谱展宽组件和脉冲宽度压缩组件；
9.所述光谱展宽组件包括多通道传输单元及非线性介质；所述多通道传输单元包括相对保持间距平行设置的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜形成多通腔；所述非线性介质位于所述多通腔内；
10.激光脉冲入射至模式匹配组件，改变激光束光斑大小和光束发散角将待光谱展宽的激光的分布模式转换为与多通腔本征模式相同的模式，而后入射至第一反射镜，激光束经第一反射镜反射后逆向经过非线性介质入射至第二反射镜，经第二反射镜反射后再次经过非线性介质入射至第一反射镜，如此多次反射后经过非线性介质并由非线性介质导出，实现在频域上的展宽，导出后的激光束经脉冲宽度压缩组件，实现对激光脉冲在时域上的压缩。
11.进一步地，还包括分别设置在第一反射镜导入端与第二反射镜导出端的导入镜和导出镜，用于将激光束导入和导出多通腔；
12.所述导入镜和导出镜为平面反射镜。
13.进一步地，还包括设置在光谱展宽组件和脉冲宽度压缩组件之间的光束准直组件。
14.进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜为相对平行放置的凹面反射镜，且具有相同的曲率半径r，所述曲率半径r与第一反射镜和第二反射镜之间的间距d，满足d《2r；
15.所述非线性介质设置在多通腔束腰处。
16.进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜安装在二维可调镜架上，同时其中至少一个凹面反射镜安装于平移台上；通过二维可调镜架调节第一反射镜和第二反射镜俯仰角度及左右偏摆角度；通过平移台改变第一反射镜和第二反射镜之间的间距d，调节激光束通过非线性介质的次数。
17.进一步地，所述脉冲宽度压缩组件为gti镜组、光栅对、棱镜对或啁啾镜。
18.进一步地，还包括设置在模式匹配组件光路中的第一折转光路组件，以及设置在光束准直组件和脉冲宽度压缩组件之间的光路上的第二折转光路组件。
19.进一步地，所述模式匹配组件包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一折转光路组件设置在第二透镜和第三透镜之间；
20.所述第一透镜和第三透镜为平凸透镜，第二透镜为平凹透镜；
21.所述非线性介质为块状，材料为熔石英、sf57或bk7；非线性介质通光面上镀有工作波段的高透过率膜层；
22.所述光束准直组件为变换透镜，变换透镜为平凸透镜；
23.所述脉冲宽度压缩组件为gti镜组，gti镜组包括沿光路依次设置的第一gti镜和第二gti镜，所述第二折转光路组件设置在变换透镜与第一gti镜之间的光路上。
24.同时，本发明还提供了一种多通式激光光谱展宽方法，采用上述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于，包括以下步骤：
25.步骤1、安装并固定待光谱展宽的激光光源，调节出射待光谱展宽的激光束平行于
光学系统所在平台；
26.步骤2、根据选用光谱展宽组件的第一反射镜和第二反射镜的参数及其之间的初始设计距离d，利用谐振腔的abcd矩阵方法，计算第一反射镜和第二反射镜之间的高斯光束本征模式分布；
27.步骤3、安装模式匹配组件，将待光谱展宽的激光束入射至模式匹配组件后将分布模式转换为与多通腔本征模式相同的模式，以满足模式匹配；
28.步骤4、安装第一反射镜和第二反射镜，且至少其中之一安装在平移台上，通过移动平移台使第一反射镜和第二反射镜之间的间距为d；
29.步骤5、在待光谱展宽的激光束入射第一反射镜的光路上安装导入镜，调节导入镜、第一反射镜及第二反射镜的俯仰和偏摆角度，使得第一反射镜和第二反射镜上的若干光点呈圆周分布；
30.步骤6、在多通腔束腰处安装非线性介质，微调平移台，同时观察第一反射镜或第二反射镜上的光点数目变化，直到出现设计光点数目；待光谱展宽的激光束经第一反射镜反射后经非线性介质入射至第二反射镜，再经第二反射镜反射后经非线性介质再次入射至第一反射镜，如此多次反射后经过非线性介质导出，获得在频域上展宽的激光束；
31.步骤7、利用感光卡找到激光束最后一次通过非线性介质后的光路上安装导出镜，将展宽的激光束导出；
32.步骤8、在导出光路上安装光束准直组件，将展宽的激光束准直；
33.步骤9、根据光学系统的展宽量选择脉冲宽度压缩组件并安装在准直后的光路上，将准直后的展宽的激光束压缩时域上的脉冲宽度，实现多通式激光光谱展宽。
34.进一步地，步骤6中，所述光点数目为20-50个。
35.与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
36.本发明提供的一种多通式激光光谱展宽光学系统，将通过入射模式匹配组件的激光脉冲导入一对平行放置的凹面反射镜组成的多通道传输单元，辅助以若干镜片进行光线准直和光路折叠，通过在凹面反射镜组之间引入非线性介质实现对激光脉冲在频域上的展宽。
37.通过控制两凹面镜之间的距离、入射光相对水平面的俯仰角度和非线性介质的位置，可实现光线通过非线性介质的次数，进而实现光谱展宽量的调谐。该光谱展宽光学吸引具有结构简单、成本低廉、设计灵活的优点。
附图说明
38.图1为本发明本实施例多通式激光光谱展宽光学系统的结构示意图；
39.图2为聚焦的激光脉冲经过非线性材料光谱展宽的示意图；
40.图3为是本发明提供的多通式激光光谱展宽光学系统的多通道展宽等效示意图；
41.图4为本发明中第一反射镜和第二反射镜上光点分布示意图；
42.附图标记：
43.1-激光器，2-第一透镜，3-第二透镜，4-第三反射镜，5-第四反射镜，6-第三透镜，7-第一反射镜，8-第二反射镜，9-非线性介质，10-变换透镜，11-第一gti镜，12-第二gti镜，13-第五反射镜，14-导入镜，15-导出镜。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
45.如图1所示，本实施例提供的一种多通式激光光谱展宽光学系统，包括模式匹配组件、光谱展宽组件和脉冲宽度压缩组件。
46.模式匹配组件包括沿激光器1出射方向依次设置的第一透镜2、第二透镜3和第三透镜6。第一透镜2和第三透镜6为平凸透镜，第二透镜3为平凹透镜。激光器1出射的激光束依次经过第一透镜2、第二透镜3和第三透镜6进行光束的分布模式变换后入射至光谱展宽组件。
47.光谱展宽组件包括多通道传输单元及非线性介质9。多通道传输单元包括相对保持间距平行设置的第一反射镜7和第二反射镜8，非线性介质9位于第一反射镜7和第二反射镜8形成的多通腔内。变换分布模式后的与多通腔本征模式相同的激光束入射至第一反射镜7，经第一反射镜7反射后逆向经过非线性介质9入射至第二反射镜8，经第二反射镜8反射后再次经过非线性介质9入射至第一反射镜7，如此多次来回反射后经过非线性介质9出射导出。
48.第一反射镜7和第二反射镜8上镀有高反射率膜层，可以有效减小反射时的损耗。非线性介质9通光面上镀有高透过率膜层，增加透过率，提升效率。非线性介质9安装在平移台上，平移台可沿第一反射镜7和第二反射镜8连线方向连续平移，使得非线性材料位于不同光斑大小处，通过平移第一反射镜7或第二反射镜8改变间距d，观察第一反射镜7或第二反射镜8上的光点数目满足设计要求。本实施例中非线性介质9位于多通腔的束腰处，提供足够的展宽量。
49.脉冲宽度压缩组件包括第一gti镜12和第二gti镜13，经过光谱展宽后导出的激光束入射至第一gti镜12，经反射后入射至第二gti镜13并由第二gti镜13反射导出，导出后的激光实现了在时域上的压缩。
50.在入射第一反射镜7的初始导入端与第二反射镜8的导出端分别设置导入镜14和导出镜15，导入镜14和导出镜15为平面反射镜，用于导入和导出光束。导入镜14和导出镜15可安装在调整架上，通过调节调整架使得导入激光束和导出激光束按照既定光路传输。
51.由于从多通道传输单元中导出的激光束具有较大的发散角，需用准直透镜进行准直。在光谱展宽组件和脉冲宽度压缩之间还设置有光束准直组件，包括变换透镜10，用于将导出镜15反射的激光束进行准直，在将准直的激光束依次导入第一gti镜和第二gti镜进行脉冲宽度的压缩。变换透镜10为平凸透镜。
52.为缩小多通式激光光谱展宽光学系统的空间尺寸，在第二透镜3和第三透镜6之间设有折转光路的第三反射镜4和第四反射镜，第三反射镜4和第四反射镜垂直设置。在变换透镜10与第一gti镜12之间设有折转光路的第五反射镜11。
53.本实施例中第一反射镜7和第二反射镜8的曲率半径r为300mm，两块凹面反射镜之间的间距d为500mm。
54.非线性介质9的材料为熔石英、sf57、bk7等中的一种，通光孔径满足多通道传输单
元中光束传输轮廓的大小要求，依据不同的前级光源参数及所选取的材料种类可合理选择非线性介质9的通光长度。
55.脉冲宽度压缩组件还可以选用光栅对、棱镜对或啁啾镜，在时域上压缩脉冲宽度。
56.根据实际系统参数在第一gti镜12和第二gti镜13之间可以设置多个反射镜进行来回反射两到三次再导出，可以有效进行色散补偿。
57.如图2所示，在该光学系统中，激光脉冲经过聚焦进入块状介质材料，由于聚焦之后的光束具有极高的峰值功率，在自相位调制效应的作用下光谱在一定程度上展宽。
58.第一反射镜7和第二反射镜8为平行放置的凹面反射镜，且具有相同的曲率半径r，与两个凹面反射镜之间的间距d，满足d《2r，这也是两个曲率相同的凹面反射镜构成谐振腔的稳腔条件。在此条件约束下，进入多通腔的激光束会在两个凹面反射镜之间按照特定轨迹来回反射而不溢出多通腔，在合理的位置放置非线性介质9使得激光脉冲每次往返均通过该介质，将非线性介质9放置在束腰处，通过微调两块凹面反射镜之间的间距d来改变激光束通过非线性介质9的次数。
59.第一反射镜7和第二反射镜8安装在二维可调镜架上，同时至少一个凹面反射镜安装于平移台上。通过二维可调镜架可以调节第一反射镜7和第二反射镜8俯仰角度及左右偏摆，通过平移台改变两块凹面反射镜之间的间距，从而调节激光束通过非线性介质9的次数。
60.激光束从第一反射镜7反射在第二反射镜8上，相应激光束按照设置的参数转过一定的角度并且入射激光束入射在设计好的位置，保证激光束在两个凹面镜之间来回反射多次。非线性介质9通光面上镀有高透过率膜层，通常激光束通过非线性材料的次数为20-50。
61.如图3所示，把激光在凹面反射镜第一反射7镜和第二反射镜8之间的多次往返等效为激光经过了一系列等间隔放置的聚焦透镜。
62.两个凹面镜上激光束的传输路径如图4所示，激光在两个凹面镜上的光斑按照一定的规律分布而形成多通结构，按照各个点入射在凹面镜的次序进行编号，其在凹面镜上形成旋转分布的圆周，每通之后旋转角度呈周期性变化规律。
63.利用上述多通式激光光谱展宽光学系统进行激光光谱展宽，具体包括以下步骤：
64.步骤1、安装并固定待光谱展宽的激光光源，调节出射待光谱展宽的激光束平行于光学平台；
65.步骤2、根据选用的第一反射镜7和第二反射镜8的参数及其之间的初始设计距离d，利用谐振腔的abcd矩阵方法，计算第一反射镜7和第二反射镜8之间的高斯光束本征模式分布；
66.步骤3、选取并安装适当焦距的模式匹配组件，将待光谱展宽的激光束入射至模式匹配组件后将的分布模式转换为与多通腔本征模式相同的模式，以满足模式匹配；
67.步骤4、安装第一反射镜7和第二反射镜8，且至少其中之一安装在平移台上，通过移动平移台使第一反射镜7和第二反射镜8之间的间距为d；
68.步骤5、在待光谱展宽的激光束入射第一反射镜7的光路上安装导入镜14，调节导入镜14、第一反射镜7及第二反射镜8的俯仰和偏摆角度，使得第一反射镜7和第二反射镜8上的若干光点呈圆形分布；
69.步骤6、在多通腔束腰处安装非线性介质9，微调平移台，同时观察第一反射镜7或
第二反射镜8上的光点数目变化，直到出现设计光点数目，通常激光束通过非线性介质9的次数为20-50；；待光谱展宽的激光束经第一反射镜7反射后经非线性介质9入射至第二反射镜8，再经第二反射镜8反射后经非线性介质9再次入射至第一反射镜7，如此多次反射后经过非线性介质9导出，获得在频域上展宽的激光束；
70.步骤7、利用感光卡找到激光束最后一次通过非线性介质9后的光路上安装导出镜15，将展宽的激光束导出；
71.步骤8、在导出光路上安装准直透镜10，将展宽的激光束准直，实现激光束近似准直输出；
72.步骤9、按照实际系统的展宽量选用合理的色散补偿器件，安装在准直后的光路上，将准直后的展宽的激光束压缩时域上的脉冲宽度，进行时域上的脉冲宽度压缩。
73.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。