基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法
1.本發明涉及一種阿秒脈沖產生技術，特別涉及一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法。
背景技術：
2.周期量級超短脈沖激光具有能量大、脈寬短、超寬光譜范圍等特點，并且周期量級的激光脈沖相位穩定、頻譜帶寬超大，其被應用于產生阿秒脈沖(1阿秒為10的負十八次方秒)，在超快光譜學和阿秒光學領域有著重要作用，并且在產生高次諧波等過程中有大量應用。周期量級脈沖的出現能夠使原子等典型量子系統在不受電離的破壞下承受超強光場輻射，激發全新的非線性過程。
3.周期量級的飛秒乃至阿秒脈沖產生是當前重要的研究課題。現有的壓縮光脈沖的方法有：光柵對時域壓縮技術、成絲時域壓縮技術、二階非線性時域壓縮技術等。但是光柵對壓縮方式會發生較大的衍射損耗；成絲技術中出射光束受到等離子體的影響，將不可避免的產生藍移(輸出中心波長向短波長方向移動，波長變短，中心波長頻率增加)，藍移部分最終導致無法被補償的高階散量。2014年發表在optica上的成絲壓縮文章[optica,1,400(2014)]，雖然刻意降低輸入能量避免了等離子體產生，但也導致無法在大能量下獲得百納米以上的光譜范圍，因此脈沖寬度無法達到5fs以下。而二階非線性時域壓縮技術，由于相位失匹，能量回流過程中會產生光譜紅移(輸出中心波長向紅光移動，波長變長、中心波長頻率降低)，因此也無法實現5fs以下的超短脈沖。
技術實現要素：
[0004]
針對現在壓縮光脈沖技術產生周期量級超短脈沖存在的問題，提出了一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，有效利用了先前技術刻意避免的部分，通過等離子體光絲產生的光譜藍移，以及級聯二階過程中的光譜紅移，讓兩者相互補償，形成線性啁啾的超寬帶光譜，最終可以實現周期量級激光脈沖。
[0005]
本發明的技術方案為：一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，負相移薄片利用級聯二階非線性過程產生光譜紅移，以及正二階相移薄片利用飛秒光絲等離子體產生光譜藍移，由均為二階非線性相移的正負相移薄片構成一級正負相移薄片，多級依次級聯，通過調制每級相移量相等，符號相反，激光經過多級級聯的正負相移薄片，將光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾。
[0006]
進一步，將級聯正負相移薄片放入振蕩腔體中，對射入的激光進行來回振蕩，獲取延展的脈沖寬度。
[0007]
一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖裝置，包括光源部、腔內振蕩部和級聯正負二階非線性調制部，級聯正負二階非線性調制部由多組正負相移薄片級聯而成，級聯正負二階非線性調制部置于腔內振蕩部內，光源部輸出超短脈沖激光，脈沖寬度小于400fs，超短脈沖激光進入腔內振蕩部，多組正負相移薄片級聯將進入腔內振蕩部的激
光的光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾，獲取對應500as-10fs的周期量級近紅外脈沖激光。
[0008]
優選的，所述腔內振蕩部包括第一凹面鏡、第二凹面鏡和反射鏡，兩個凹面鏡的焦距均為5cm，第一凹面鏡和第二凹面鏡的凹面中心間距10cm，凹第一凹面鏡和第二凹面鏡不完全正對，兩個凹透鏡焦點延長線夾角為5度，兩個凹透鏡構成類共焦腔結構，激光入射第一凹面鏡進入類共焦腔，反射鏡在第二凹面鏡下方將散射出的光束重新反射回腔內。
[0009]
優選的，所述正負相移薄片由bbo晶體與對應稀土量子點摻雜的熔融石英薄片構成。
[0010]
優選的，所述光源部輸出為固體激光、氣體激光或光纖激光。
[0011]
本發明的有益效果在于：本發明基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，實現了傳統手段很難實現的寬帶相干輻射，能實現100nm以上的光譜帶寬，為實現1030nm周期量級脈沖提供了一種有效途徑。
附圖說明
[0012]
圖1為本發明基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖裝置結構示意圖；
[0013]
圖2為本發明基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法實現光路圖；
[0014]
圖3為本發明在實驗中通過本發明方法獲得的超寬帶光譜圖。
具體實施方式
[0015]
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0016]
一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，利用級聯正負二階非線性調制手段產生脈沖寬度500as-10fs的周期量級近紅外脈沖激光。其中負二階非線性相移由負相移薄片利用級聯二階非線性過程產生，導致光譜紅移；正非線性相移由正二階相移薄片利用飛秒光絲等離子體產生，導致光譜藍移。由于兩者均為二階非線性相移，因此可通過調制使其相移量相等，符號相反，此時對應脈沖在光譜上對稱展寬至超連續譜，且此時啁啾線性。
[0017]
在實際過程中，可以通過采用多塊正負相移薄片組合級聯的方式，將激光的光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾。
[0018]
以下結合裝置的設計介紹該級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖。
[0019]
圖1為本發明實驗裝置結構示意圖。入射脈沖由光源部100發出，在實際過程中，光源為固體、氣體、光纖等激光系統，光源部輸出超短脈沖激光，脈沖寬度小于400fs。超短脈沖激光進入腔內振蕩部200，由腔內振蕩部200的兩個大尺寸凹面鏡201、202匯聚光斑，加之反射鏡203使光束在腔內往返多個來回。在腔內振蕩部200布置的級聯正負二階非線性調制部300由多組正負相移薄片級聯而成，將進入腔內振蕩部200的激光的光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾。此時對應500as-10fs的周期量級近紅外脈沖激光。如圖2所示，每級正負相移薄片由一片正相移薄片301和一片負相移薄片302成角度擱置構成，
多級依次級聯。角度可優選為布魯斯特角入射，從而純化輸出偏振。
[0020]
本案例作為本發明的一種優選實施例，負相移薄片301、303可為bbo倍頻晶體，實際為厚度50微米的薄片。正相移薄片302、304可為稀土量子點摻雜的熔融石英，其有效禁帶寬度在1.5倍800nm單光子能量之間，為厚度50微米的薄片。實驗中級聯多個bbo晶體與稀土量子點摻雜的熔融石英薄片，將其依次交替放置在一起，作為光譜展寬介質。
[0021]
具體實驗光路參見圖2。圖2所示的實施實例中，凹面鏡201與凹面鏡202的焦距均為5cm。凹面鏡201與凹面鏡202的凹面中心間距10cm。凹面鏡201與凹面鏡202不完全正對，兩個凹透鏡焦點延長線夾角為5度。由凹面鏡201與凹面鏡202組成的腔體，由于兩凹面鏡焦距為5cm，間距10cm，因此構成類共焦腔結構，腔內束腰在腔長的中點(腔長指兩個凹面中心連線)。對應輸入激光單脈沖能量2mj，脈沖寬度200fs，中心波長800nm，光譜寬度50nm。入射光束從凹面鏡201下方打在凹面鏡201的凹面上后進入腔內中開始震蕩，穿過多組正負相移薄片后，打在凹面鏡202上散射出后，由凹面鏡202下方的反射鏡203將光束重新反射回腔內，通過由多個bbo晶體與對應稀土量子點摻雜的熔融石英薄片構成的正負相移薄片組合，回返至凹面鏡201，如此往復振蕩后由凹面鏡202出射至反射鏡203上。光將被反射鏡203再次反射，返回進入腔內中重新來回振蕩。經過多個來回之后，光會從入射光的上方輸出。具體光路搭建過程中，因為兩個凹面鏡不完全正對，出射時的角度會比入射時的角度大1度左右，振蕩過程中輸出光束與入射光束分離，多次振蕩后可將輸出光導出。
[0022]
由于正負相移薄片導致的光譜紅移和藍移都是二階非線性相移，可以通過調制使其相移量相等且符號相反，形成線性啁啾的超寬帶光譜，因此在通過多組級聯的正負相移薄片后，最終能實現100nm以上的光譜帶寬。圖3為實驗中通過上述技術，獲得覆蓋范圍400nm-1000nm，中心波長1030nm的超寬帶光譜。其后經過啁啾鏡壓縮，最終實現5fs周期量級脈沖激光，約為3個光周期。1030nm附近的摻鐿激光晶體比鈦寶石具有更高的熱損傷。然而傳統手段很難實現寬帶相干輻射，本發明方法也為實現1030nm周期量級脈沖提供了一種有效途徑。
[0023]
傳統的成絲技術中出射光束受到等離子體的影響，將不可避免的產生藍移，藍移部分最終導致無法被補償的高階散量，因此脈沖寬度無法達到5fs以下(對于800nm光)。而二階非線性時域壓縮技術，由于相位失匹，能量回流過程中會產生光譜紅移，因此也無法實現5fs以下的超短脈沖(對于800nm光)。本發明讓兩者相互補償，形成線性啁啾的超寬帶光譜，最終可以實現周期量級激光脈沖。
[0024]
需要強調的是，雖然本發明所用元器件為當前技術的結合。但是，有效利用了先前技術刻意避免的思維方式和結構結合。無論是通過等離子體產生的光譜藍移，還是級聯二階過程中的光譜紅移，都是先前技術極力避免的。而本發明反向思維讓兩者相互補償，形成線性啁啾的超寬帶光譜，最終可以實現周期量級激光脈沖。對應800nm近紅外光，預計可實現單光周期壓縮(2.66fs)；對于200nm紫外光預計可實現660as的脈沖寬度。
[0025]
如圖2所示，多組正負相移薄片中的每組正負相移薄片均勻且對稱的排布在凹面鏡201與凹面鏡202之間。在補償過程中，首先測算入射脈沖內部包含的多階相移，并將向移量帶入材料的高階非線性公式。例如對于利用偏硼酸鋇晶體作為級聯負相移薄片的情況，將實際參數帶入下述公式：
[0026][0027]
對于上式為級聯二階非線性向移數值。n1與n2分別為材料的線性與非線性折射率。e為此時腔內相移薄片所在的電場強度，c為光速，d
eff
為實際過程中有效頻率轉化系數。計算過程中，令二階非線性向移等于前一過程中要補償的相移動，帶入參數，計算得到晶體長度l。l即為此時腔內相移薄片的所需長度。之后依次計算各向移薄片的各階段相位補償，從而確保光譜內部加入線性啁啾。
[0028]
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
技術特征：
1.一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，其特征在于，負相移薄片利用級聯二階非線性過程產生光譜紅移，以及正二階相移薄片利用飛秒光絲等離子體產生光譜藍移，由均為二階非線性相移的正負相移薄片構成一級正負相移薄片，多級依次級聯，通過調制每級相移量相等，符號相反，激光經過多級級聯的正負相移薄片，將光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾。2.根據權利要求1所述基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，其特征在于，將級聯正負相移薄片放入振蕩腔體中，對射入的激光進行來回振蕩，獲取延展的脈沖寬度。3.一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖裝置，其特征在于，包括光源部、腔內振蕩部和級聯正負二階非線性調制部，級聯正負二階非線性調制部由多組正負相移薄片級聯而成，級聯正負二階非線性調制部置于腔內振蕩部內，光源部輸出超短脈沖激光，脈沖寬度小于400fs，超短脈沖激光進入腔內振蕩部，多組正負相移薄片級聯將進入腔內振蕩部的激光的光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾，獲取對應500as-10fs的周期量級近紅外脈沖激光。4.根據權利要求3所述基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖裝置，其特征在于，所述腔內振蕩部包括第一凹面鏡、第二凹面鏡和反射鏡，兩個凹面鏡的焦距均為5cm，第一凹面鏡和第二凹面鏡的凹面中心間距10cm，凹第一凹面鏡和第二凹面鏡不完全正對，兩個凹透鏡焦點延長線夾角為5度，兩個凹透鏡構成類共焦腔結構，激光入射第一凹面鏡進入類共焦腔，反射鏡在第二凹面鏡下方將散射出的光束重新反射回腔內。5.根據權利要求3或4所述基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖裝置，其特征在于，所述正負相移薄片由bbo晶體與對應稀土量子點摻雜的熔融石英薄片構成。6.根據權利要求5所述基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖裝置，其特征在于，所述光源部輸出為固體激光、氣體激光或光纖激光。
技術總結
本發明涉及一種基于級聯正負非線性相移調制產生周期量級脈沖的方法，負相移薄片利用級聯二階非線性過程產生光譜紅移，以及正二階相移薄片利用飛秒光絲等離子體產生光譜藍移，由均為二階非線性相移的正負相移薄片構成一級正負相移薄片，多級依次級聯，通過調制每級相移量相等，符號相反，激光經過多級級聯的正負相移薄片，將光譜展寬至100nm以上的超連續光譜，且啁啾為線性啁啾。實現了傳統手段很難實現的寬帶相干輻射，能實現100nm以上的光譜帶寬，為實現1030nm周期量級脈沖提供了一種有效途徑。效途徑。效途徑。
