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具有極高時域對比度的短光脈沖發生器的制造方法

文檔序號:10557086閱讀:269來(lai)源(yuan):國知局(ju)
具有極高時域對比度的短光脈沖發生器的制造方法
【專利摘要】一種用于生成短光脈沖的系統,該短光脈沖在波長λ具有極高時域對比度,該系統包括:?光脈沖發生器B1,發出波長基本等于λ的脈沖,?光脈沖發生器P、B2,發出波長基本等于2*λ/3的脈沖,?重組設備R,用于將來自發生器的脈沖重組,?參數放大設備A,接收所述重組設備R的輸出作為輸入,?濾波器F2,從參數放大設備A的輸出中提取中心位于波長基本等于2*λ的頻帶,?第二諧波發生器NL,接收所述濾波器F2的輸出作為輸入,?中心位于波長基本等于λ的濾波器F3,從由第二諧波發生器NL產生的脈沖中提取第二諧波波長。
【專利說明】
具有極高時域對比度的短光脈沖發生器
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種具有極高時域對比度的短光脈沖發生器。
【背景技術】
[0002]通常,可知脈沖激光源由光發射的時域約束表征。該約束允許在組合了非常短持續時間和非常強的瞬時功率的條件下,對于激光脈沖的給定能量,實現激光-物質相互作用。該脈沖的第一特征是其持續時間,諸如例如由發射功率為最大功率一半的兩個時刻之間的時間間隔所限定的持續時間(半高度持續時間)。但是,該特征不足以定義源的恰當性質。事實上,低功率水平的存在,例如在以顯著大于在半高度持續時間(例如數皮秒)的時延偏離最大時刻的時刻,最大功率的千分之一,可能極大地干擾激光-物質相互作用。以舉例的方式,如果中心脈沖的前面是超出圍繞固體目標的氣氛的離子化限制的干擾功率水平,那么高功率密度的脈沖與固體目標的相互作用將完全被干擾。該限制可以遠遠低于最大功率。
[0003]因此,將使用時域對比度表征超短脈沖源。時域對比度的概念指的是在一個點的光照度(表示為W或W/cm2)最大值和在同一點但在不同時刻的照度之間的強度比率。該對比度的特征在于相對于主脈沖在不同的時延具有不同的值。例如:在3ps是14和在10ps是1140
[0004]作為能夠產生損害對比度的干擾功率水平的機制的例子,可以列舉:
[0005]-自發發射和放大的自發發射,存在于所有激光放大器中,
[0006]-參數熒光,存在于所有光學參數放大器中,
[0007]-主脈沖的復制脈沖,這是由所穿過的透明介質的光學表面上的反射所引起的,
[0008]-在脈沖序列中提取主脈沖時的干擾或殘余脈沖,
[0009]-由放大系統、光束傳輸系統、介電處理(反射或防反射薄層)、或者還由在譜色散系統(例如拉絲)中使用的光學器件表面的缺陷,引起的幅度或譜相位的一些缺陷,
[0010]-非線性效應,其耦聯并加重前述機制。

【發明內容】

[0011 ]本發明的目的是最小化前述影響。一旦這些影響減少至實際上可能地最小,需要向源內引入改進對比度的方法。一種可能性是使用一種或多種非線性光學效應,這些光學效應被布置為使得設備的效率在最大強度周圍比遠離該最大值的時間更強,這是因為這些效應根據入射信號的功率的依賴性。
[0012]本發明給出具有在光學參數放大器架構周圍構建的高時域對比度的源。文獻中描述了通過參數效應進行的超短激光脈沖的放大。中心光學頻率為Π的“信號”脈沖在具有非線性光學性質的材料中與更高功率(“栗”脈沖)且光學頻率為f的脈沖相互作用。“信號”脈沖的頻率內容應當較寬,以允許產生起短脈沖,“栗”脈沖一般具有較窄譜帶。在相互作用過程中,一部分“栗”脈沖能量轉移到放大的“信號”脈沖。同時,第三脈沖被生成并共同放大。該第三脈沖在英文文獻中由術語“閑頻” (“idler”)表示,并且能量守恒關系施加在該脈沖上以獲得沖心頻率f2 = f-fl。
[0013]為了生成強功率的脈沖,將參數放大原理和頻率偏移放大原理組合,該頻率偏移放大原理包括臨時擴展“信號”脈沖和“栗”脈沖以減小瞬時功率,放大的“信號”在后來被再壓縮以獲得短脈沖。因此,這就是所謂的頻率偏移參數放大,在英文文獻中由首字母縮寫OPCPA(OpticaI Parametric Chirped Puise Amplificat1n,光學參量啁啾脈沖放大)表不O
[0014]應當注意到,參數放大機制自身有助于改善對比度,放大僅在“栗”脈沖有效存在并且強烈的時刻發生。
[0015]在文獻(Miller等人的PCT W02005/112207A1)中已經描述了如下照明源,其將這種參數放大器與諸如第二諧波發生器或頻率差發生器之類的外部非線性光學設備組合,以便于增大可覆蓋的頻率范圍。
[0016]本發明使用這種組合,但是其目的不同,旨在改善高脈沖對比度。本發明的獨特性質,尤其使其與Miller等人不同的是,設備的輸出頻率是固定的并且刻意地等于在“信號”信道上的輸入頻率。對于本領域技術人員而言清楚的是,顯然耗能且復雜的該問題不再明顯,并且本發明的光學功能不再是簡單的次級光源的功能。
[0017]根據其原理,本發明特別地包括如下元件:
[0018]-參數放大器,其使得頻率為f的“栗”與中心位于頻率fl<f的寬頻帶“信號”脈沖相互作用。
[0019]-濾光器,其允許從所述參數放大器的輸出中提取中心位于頻率f2= f_fl的“閑頻,,脈沖。
[0020]-第二諧波發生器,其允許從所述“閑頻”脈沖獲得中心位于頻率2*(f-fi)的寬頻帶脈沖。
[0021 ]根據該原理,fl的最大值是f,這對應于“閑頻”頻率為零。對于中心在頻率fl = 2 *f/3的“信號”,“閑頻”的中心頻率為f2 = f-2*f/3 = f/3。因此,第二諧波發生器的輸出的中心在頻率2女f/3 = fl ο “信號”的中心頻率(fl = 2 * f/3)的選擇,是唯一允許借助于頻率差然后是第二諧波的生成來找回原始中心頻率。該選擇在維持有效地分離幾何形狀中所涉及的信號的可能性的同時對于生成大頻帶的脈沖也是最優的,在該幾何形狀中“栗”、“信號”、“閑頻”光束在同一方向上傳播。“信號”和“閑頻”頻帶的不重疊事實上準許使用分色鏡。與此同時,光束之間共線相互作用幾何形狀允許確保良好的光束空間質量。
[0022]如果頻率為Π的“信號”的源獨立于頻率為f的“栗”激光,那么本發明的實施要求在這兩個激光源之間的復雜同步機制,以便于確保它們同時存在于參數放大器中。本發明的優選實施因此包括例如根據例如Ceru 11 ο等人描述的方法(“Ultrafast opticalparametric amplifiers” ,Rev.Sc1.1nstrum.74,I (2003)),從“栗”脈沖生成“信號”的源。已知基于非線性光學的多種機制,用于從較窄頻帶和不同中心頻率的強脈沖生成寬帶脈沖。例如,其涉及在光纖中與玻璃的非線性相互作用,與實心晶體的非線性相互作用,或者與空心光纖內的氣體的相互作用。將使用這種類型的相互作用,以從頻率為f的“栗”生成包含頻率2*f/3的寬譜脈沖。譜濾波器可以從該寬譜中提取用于形成“信號”脈沖的頻率,該“信號”脈沖隨后由參數放大器放大。
[0023]第二種可能性是通過下列等效機制從“信號”脈沖生成“栗”源:使用非線性相互作用,以從頻率為2 * f/3的“信號”生成包含頻率f的寬譜脈沖。譜濾波器從該寬譜中提取用于形成“栗”脈沖的頻率,該“栗”脈沖隨后由激光功率放大器放大。
[0024]由Adachi等人描述(“1.5mJ,6.4fs parametric chirped-pulse amplificat1nsystem at I kHz”,Optics Letters,Vol.32, Issue 17,PP.2487-2489(2007))的第三種可能性是,使用產生脈沖的源,該脈沖具有同時覆蓋了頻率f和頻率2 *f/3的頻帶。譜濾波器從該初始寬譜中提取頻率間隔,該頻率間隔隨后由激光功率放大器放大,并且最后由第二諧波的生成而轉換,以形成“栗”脈沖。第二譜濾波器從初始寬譜中提取用于形成“信號”脈沖的頻率,該“信號”脈沖隨后由參數放大器放大。
[0025]簡言之,本發明的原理允許基于窄譜的并且頻率為f的“栗”脈沖,來增大中心位于頻率fl = 2*f/3的寬譜的同步脈沖的時域對比度。由下列元素確保高時域對比度:
[0026]-參數放大原理,其僅在栗持續時間期間操作,
[0027]-圍繞頻率fl、隨后f2= f_fl、隨后2*f2 = fl的帶通濾波器,其減少來自栗以及存在的其他顏率的干擾信號,
[0028]-第二諧波的生成,其減少除主脈沖之外的所有弱功率信號。
[0029]根據本發明,一種用于使用參數放大原理來生成短光脈沖的系統,所述短光脈沖具有極高時域對比度并頻譜的中心位于波長λ,其特征在于其包括:
[0030]-第一光脈沖發生器,發出持續時間小于1皮秒、波長基本等于λ的脈沖,
[0031]-第二光脈沖發生器,發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于2*λ/3的脈沖,
[0032]-重組設備,用于將來自第一發生器和第二發生器的脈沖共線地重組,
[0033]-參數放大設備,接收所述重組設備的輸出作為輸入,
[0034]-濾波器,從參數放大設備的輸出中提取中心位于波長基本等于2*λ的頻帶,
[0035]-第二諧波發生器,接收在前面的所述濾波器的輸出作為輸入,
[0036]-中心位于基本等于λ的波長的另一個濾波器,從由所述第二諧波發生器產生的脈沖中提取第二諧波波長。
[0037]第一光脈沖發生器可以使用通過摻雜有鉺離子的材料進行放大的放大裝置。
[0038]根據第一實施方式,第一光脈沖發生器和第二光脈沖發生器可以是兩個不同的源,該系統還包括用于使這兩個源同步的裝置。
[0039]根據第二實施方式,第一脈沖發生器可以包括非線性裝置,用于使用由第二脈沖發生器提供的波長基本等于2*λ/3的脈沖,發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于λ的脈沖。
[0040]根據第三實施方式,第二脈沖發生器包括非線性裝置,用于使用由第一脈沖發生器提供的波長基本等于λ的脈沖,發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于2*λ/3的脈沖。
[0041]根據本發明的系統還可以包括:
[0042]-設置在重組設備之前的附加的時延和相位控制設備,以便優化參數放大設備中的非線性效應;以及優選地,
[0043]-在設置在參數放大設備的輸出處的濾波器內的附加的延時和相位控制設備,以便優化第二諧波發生器內的非線性效應。
[0044]本發明還涉及一種用于生成具有極高時域對比度、頻譜的中心位于波長λ/2的短光脈沖的系統,其特征在于該系統使用根據本發明的用于生成具有極高時域對比度的短光脈沖、頻譜的中心位于波長λ的系統以及還使用另一第二諧波發生器。
[0045]有利地,這種系統包括用于生成與通過使用摻雜鈦的藍寶石材料進行的放大兼容的波長λ/2的裝置。
【附圖說明】
[0046]下文將參考隨附附圖,作為非限制性實例描述根據本發明的系統的多個實施方式,在附圖中:
[0047]圖1a和Ib是根據本發明的系統的實施例的示意圖;
[0048]圖2示意性地示出了在圖1的系統的不同步驟獲得的譜;以及
[0049]圖3-1至3-7是本發明的其他不同實施方式的示意圖。
【具體實施方式】
[0050]通過考慮圖1a和Ib中所示出的以下實施例,將更好地理解本發明。
[0051]如圖1a中所示,根據本發明的系統I首先包括栗源P。栗源P由基于含鐿離子的放大器材料的脈沖發生/放大鏈構成。栗源P發射頻率標為f的強脈沖。在所示出的例子中,相對應的波長為1030nmo
[0052 ]該源的光輸出由分離器BS分成分別注入到兩個支路BI和B2中的光束。
[0053]支路BI的光束聚焦在允許生成至少覆蓋1300-1900nm范圍的超連續譜(SC)的YAG(摻釹的釔鋁石榴石)晶體中。該超連續譜的輸出被注入到允許選擇中心在頻率fl = 2*f/3的信號的濾波器Fl中。在所示出的例子中,頻率fl對應于等于1545nm的波長。支路BI的光束用作“信號”信道。
[0054]支路B2的光束用作“栗”信道。
[0055]這兩個光束在重組設備R中被共線地組合,并且被注入到參數放大設備A中。有利地,“信號”脈沖和“栗”脈沖在重組之前已經被時延和相位控制設備(D⑶P)修改,以獲得支路BI和B2的脈沖的最優時域重疊,以便優化頻率偏移參數放大機制。有利地,參數放大設備A基于摻雜MgO的鈮酸鋰晶體,其極化被周期性反轉(“周期性極化的鈮酸鋰”)。這種類型的設備確保1030nm、中心位于頻率f的脈沖和包括在頻帶1300-1900nm中、中心位于頻率fl的脈沖之間的相位幾乎一致,從而允許在大頻譜帶上以及在“信號”的共線配置中的放大,該“信號”的中心位于頻率fl,此處對應于波長1545nm。
[0056]中心位于3090nm的“閑頻”輸出被由一個或多個分光鏡構成的濾波器F2選擇。如此選擇的輸出被注入同樣作為第二諧波發生器工作的MgO: PPLN類型的非線性晶體NL2中。低通型濾波器F3選擇對應于第二諧波的<2000nm譜帶,其中心位于作為原始“信號”的波長的1545nm,該波長對應于頻率Π。
[0057]圖2示意性地示出了在系統的不同步驟獲得的譜:
[0058]-譜2a是栗的譜;
[0059]-譜2b是超連續譜的譜;
[0060]-譜2c是在濾波器Fl的輸出獲得的譜;
[0061 ]-譜2d是在參數放大器A的輸出獲得的譜;[0062 ]-譜2e是在濾波器F2的輸出獲得的譜;
[0063]-譜2f是在第二諧波發生器NL的輸出獲得的譜;以及
[0064]-譜2g是在濾波器F3的輸出獲得的譜。
[0065]濾波器F3的輸出被注入到壓縮器C內,以從頻率偏移脈沖獲得短脈沖中的一個短脈沖。
[0066]如此生成的脈沖可以直接用作具有高對比度的超短紅外脈沖。如圖1B中所示意的那樣,其還可以被注入到第二諧波發生設備NL2中,并且被濾波器F4過濾以獲得中心大致在772nm、對應于頻率為4 * f/3的脈沖,其因此可以由基于摻雜鈦的藍寶石晶體的再生放大器放大。
[0067]如此使用的本發明是改進再生放大器的對比度的技術的替代方案。本發明還允許通過參數放大和第二諧波生成的兩個級的相繼效應來獲得極高的對比度。
[0068]有利地,本發明可以包括現有技術中可用的裝置,以:
[0069]-確保支路BI和B2的脈沖之間的穩定同步性,以及這些脈沖之間的穩定相位關系,
[0070]-被動和/或主動地使脈沖的絕對相位穩定,
[0071]-確保NL2之前的最優壓縮,
[0072]-調節濾波器的頻譜寬度,并且因此調整脈沖的持續時間。
[0073]來自支路BI和B2的脈沖可以是在不失去普遍性的情況下來自兩個同步的光源,下文稱為發生器S和P。為清楚起見,將本發明的實施和應用方式概括在圖3-1至3-7的示意圖中:
[0074].圖3-1示出了本發明的實施,其具有兩個獨立的發生器P和S;
[0075].圖3-2示出了本發明的實施,其具有兩個獨立的發生器P和S以及第二諧波生成SH;
[0076].圖3-3示出了本發明的實施例,其中發生器S從發生器P產生;
[0077].圖3-4示出了本發明的實施例,其中發生器P從發生器S產生;
[0078].圖3-5不出了本發明的實施例,其中發生器S和P由光學、電子或機械屬性的機構M同步;
[0079].圖3-6示出了本發明的實施例,其中發生器S從發生器P產生,該實施例在S和R之間以及在F2內包含時延和相位控制設備(DCDP),以優化設備A和NL中的非線性效應;
[0080].圖3-7示出了本發明的實施例,其中發生器S從發生器P產生,該實施例包含時延和相位控制設備(D⑶P)并且包含第二諧波生成設備(SH)。
[0081]當然,本發明不局限于上文描述的例子。
【主權項】
1.一種用于使用參數放大原理來生成短光脈沖的系統,所述短光脈沖具有極高時域對比度并且譜的中心位于波長λ,其特征在于包括: -第一光脈沖發生器(Bl、s),發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于λ的脈沖, -第二光脈沖發生器(Β2、Ρ),發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于2*λ/3的脈沖, -重組設備(R),用于將來自第一發生器和第二發生器的脈沖共線地重組, -參數放大設備(A),接收所述重組設備(R)的輸出作為輸入, -濾波器(F2),從參數放大設備(A)的輸出中提取中心位于基本等于2*λ的波長的頻帶, -第二諧波發生器(NL),接收前面的所述濾波器(F2)的輸出作為輸入, -中心位于基本等于λ的波長的另一濾波器(F3),從由所述第二諧波發生器(NL)產生的脈沖中提取第二諧波波長。2.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,第一光脈沖發生器(P)和第二光脈沖發生器(S)是兩個不同的源,所述系統還包括用于使所述源同步的裝置。3.根據權利要求1或2所述的系統,其特征在于,第一光脈沖發生器(Ρ、Β1)使用通過摻雜有鉺離子的材料進行放大的放大裝置。4.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,第一脈沖發生器(P)包括非線性裝置(SC、Fl),用于使用由第二脈沖發生器(S)提供的波長基本等于2*λ/3的脈沖,發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于λ的脈沖。5.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,第二脈沖發生器(S、B1)包括非線性裝置,用于使用由第一脈沖發生器(P)提供的波長基本等于λ的脈沖,發出持續時間小于10皮秒、波長基本等于2*λ/3的脈沖。6.根據權利要求1至5之一所述的系統,其特征在于,還包括: -設置在重組設備(R)之前的附加的時延和相位控制設備(DCDP),以便優化參數放大設備(A)中的非線性效應;以及優選地, -設置在參數放大設備(A)的輸出處的濾波器(F2)內的附加的時延和相位控制設備,以便優化第二諧波發生器(NL)中的非線性效應。7.—種用于生成短光脈沖的系統,所述短光脈沖具有極高時域對比度并且譜的中心在波長λ/2處,其特征在于該系統使用根據權利要求1至6之一所述的系統以及另一第二諧波發生器(NL2、SH)。8.根據權利要求7所述的系統,其特征在于,該系統包括用于生成與通過使用摻雜鈦的藍寶石材料進行的放大兼容的波長λ/2的裝置。
【文檔編號】G02F1/37GK105917273SQ201480065250
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年11月28日
【發明人】N·福蓋特
【申請人】法斯特萊特公司
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