产生高能量相干宽带连续光谱的装置制造方法及图纸

一种产生高能量相干连续光谱的装置，其构成是沿入射激光脉冲传播路径上的第一色散补偿装置，分光装置，光谱展宽装置，第二色散补偿装置，四分之一波片，宽带反射镜。本发明专利技术可以将常见的飞秒、乃至皮秒量级的激光光谱大幅度展宽。适用的光谱范围覆盖从深紫外到远红外波段，具有非常大的灵活性。本发明专利技术不仅适用于较高的脉冲能量，而且适用于高平均功率的入射光源。

【技术实现步骤摘要】
产生高能量相干宽带连续光谱的装置
本专利技术涉及超快激光技术，特别是一种产生高能量相干宽带连续光谱的装置。
技术介绍
相干宽带连续光谱具有广泛的应用领域，例如在高精密激光技术中，可用于实现频率钟、相位稳定、频率梳等；在泵浦探测研究中，可通过吸收谱测量材料的性质等。如果对相干宽带连续光谱进行时域上的压缩，则可以获得宽度极短的脉冲，用于探测从皮秒(10-12秒)到阿秒(10-18秒)量级的超快过程，研究物质的微观动力学行为。产生相干宽带连续光谱的研究在过去数十年以来始终是一个被广泛研究的领域，并且随着激光器技术的持续发展也不断有新的研究成果出现。受限于激光器增益介质带宽的影响，激光器输出的光谱范围较窄，特别是经过能量放大后，光谱一般小于几十纳米宽，例如目前性能最佳的钛宝石放大器可以输出的光谱范围在750～850纳米之间，单脉冲能量可以达到数个毫焦。为了进一步得到宽光谱，需要利用一种三阶非线性效应，即自相位调制。最常见的做法是将脉冲耦合到一段光波导中进行非线性传输。在脉冲传输过程中，自相位调制效应导致光谱出现调制展宽。对于纳焦到几个微焦量级脉冲，可以耦合到实心光纤中，利用玻璃的非线性展宽光谱；对于几个微焦到100微焦的脉冲，可以耦合到小口径的充有气体的空心光波导(如内径十几个微米的空心光子晶体光纤)中，进行光谱展宽；对于100微焦以上至数个毫焦量级的脉冲，需要耦合到大口径的充气空心波导中(内径达到100微米以上)。当入射激光脉冲的时域宽度较短时(小于100飞秒)，通过一段光波导的传输，可以得到宽度为数百纳米的光谱。为了得到更宽的光谱(超过一个倍频程)或者入射激光脉冲时域宽度较宽(大于100飞秒)时，一般需要延长光波导的长度，或者用2级甚至多级光波导。根据目前的激光器技术水平，高的峰值功率和高的平均功率难以同时达到，而许多前沿科学研究需要同时具有高峰值功率和高平均功率的光源。钛宝石激光器是高峰值功率的代表，脉宽输出可以达到20飞秒左右甚至更短，能量输出根据重频频率而定，从数毫焦到焦耳量级。然而，受限于钛宝石热吸收的影响，其平均功率一般在数瓦量级，重频频率在千赫兹量级。以掺镱材料为增益介质的激光器则适用于高重频(数百千赫兹以上)、高平均功率(数百瓦)输出的运行，然而其增益带宽较窄，所以输出的脉宽为数百飞秒以上。为了得到高峰值功率，需要对其光谱进行展宽，进而压缩脉宽。目前唯一的方法是使用2级的充气空心光波导对脉冲进行光谱展宽。例如，德国耶拿的研究人员就用2级充气空心光波导级联的方法将中心波长1028纳米，脉宽210飞秒的脉冲的光谱展宽到覆盖780～1220纳米，可以支持7.1飞秒的傅里叶变换极限。其中，第1级为1米长、内径250微米的空心光波导，充有2巴的氩气，置于1.6米长的管子中。出射激光经色散补偿后被耦合到第2级60厘米长、内径250微米、充有6巴氖气的空心光波导中，光波导置于120厘米长的管子中。整体装置非常长，不仅占用大量空间，而且其稳定性也由于气流扰动和震动而随之下降。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题就是提供一种产生高能量相干宽带连续光谱的装置，可以将工业界和科研界常见的飞秒、乃至皮秒量级的激光光谱大幅度展宽。本专利技术的技术解决方案是一种产生高能量相干连续光谱的装置，其特点在于其构成依次是第一色散补偿装置、分光装置、光谱展宽装置、第二色散补偿装置、四分之一波片和宽带反射镜，所述的宽带反射镜的反射面与光路垂直，所述的光谱展宽装置的构成依次是第一耦合/准直元件、密闭的充有气体的腔体和第二耦合/准直元件，在所述的腔体中有空心光波导，抽气泵和充气装置置于所述的腔体的两端。所述的第一色散补偿装置和第二色散补偿装置是啁啾反射镜、光栅压缩器、棱镜压缩器或它们的组合。分光装置的设计需要参考最终光谱的宽度和相关光学元件支持的带宽。一块偏振分束镜是必不可少的，其基本要求是其支持的带宽能覆盖入射激光光谱的范围。当最终光谱宽度超过偏振分束镜支持的带宽时，需要加入匹配的二向色镜，分离偏振分束镜无法分离的光谱范围。所述的分光装置的构成为偏振分束元件，或依次设置的偏振分束元件、第一二向色镜，或依次设置的偏振分束元件、第一二向色镜、第二二向色镜。本专利技术的工作过程是：首先将激光脉冲耦合到一段充有气体的空心光波导中传输，利用非线性效应实现脉冲光谱展宽，再对激光脉冲的时域宽度进行压缩，然后令激光脉冲原路返回，再次通过同一空心光波导进行第二次光谱展宽，出射激光脉冲的传播路径在一个分光装置处与入射激光传播路径分离，最终输出宽带连续光谱。因为该装置用充气空心光波导展宽光谱，所以适用于具有高单脉冲能量、高峰值功率和高平均功率的激光光源。该装置的本质是2级级联的充气空心波导光谱展宽装置，在一段空心波导实现了相同的功能，不仅大大缩小了装置的尺寸，降低了成本，而且提高了系统的稳定性。实现这一功能的关键之一在于适当的分光装置，利用入射脉冲与原路返回的出射脉冲的性质差异，分离二者的传播路径。为了实现这一功能，对于出射脉冲与入射脉冲光谱范围相同的波段，可以利用偏振性质的差异实现分离，例如使用偏振分束镜；对于新增加的光谱波段，既可以利用偏振性质的差异，也可以利用波长本身的差异实现分离，例如使用二向色镜。通过在光路中加入偏振转换装置，如四分之一波片，使入射脉冲与原路返回的脉冲的偏振态正交，从而实现分离。此外，为了得到最佳的光谱展宽效果，在光路中加入了第一色散补偿装置和第二色散补偿装置，确保每次耦合到光波导中的脉冲具有尽可能短的时域宽度。通过合理地参数设计，该装置可适用于不同中心波长的、具有不同能量水平的入射光源，最终得到的光谱可以远超一个倍频程。综上所述，本专利技术的优点归纳如下：(1)本专利技术通过引入一个分光装置，实现了重复利用同一光谱展宽装置的功能，大大缩小装置尺寸，使光谱展宽的效率得到显著提高，同时增加了系统的稳定性。(2)本专利技术基于充气空心光波导实现光谱展宽，适用的光谱范围覆盖从深紫外到远红外波段，具有非常大的灵活性。(3)本专利技术采用了空心光波导结构，不仅适用于较高的脉冲能量，而且适用于高平均功率的入射光源。附图说明图1为本专利技术产生高能量相干连续光谱的装置的示意图。图2为光谱展宽装置的示意图。图3为分光装置的3种结构示意图。图4为2种不同入射脉冲条件下的光谱展宽的实验测量结果。具体实施方式先请参阅图1、图2，图1为本专利技术产生高能量相干连续光谱的装置的示意图，图2为光谱展宽装置的示意图。由图可见本专利技术产生高能量相干连续光谱的装置，构成依次是第一色散补偿装置1、分光装置2、光谱展宽装置3、第二色散补偿装置4、四分之一波片5和宽带反射镜6，所述的宽带反射镜6的反射面与光路垂直，所述的光谱展宽装置3的构成依次是第一耦合/准直元件3-1、密闭的充有气体的腔体3-2和第二耦合/准直元件3-4，在所述的腔体3-2中有空心光波导3-3，抽气泵3-5和充气装置3-6置于所述的腔体3-2的两端。图3显示了分光装置的3种实现方式：图3a，所述的分光装置2的构成为偏振分束元件2-1，图3b，依次设置的偏振分束元件2-1、第一二向色镜2-2，图3c，依次设置的偏振分束元件2-1、第一二向色镜2-2、第二二向色镜2-3。第一二向色镜2-2、第二二向色镜2-3的差别在于其中之一为透射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生高能量相干连续光谱的装置，其特征在于其构成依次是第一色散补偿装置(1)、分光装置(2)、光谱展宽装置(3)、第二色散补偿装置(4)、四分之一波片(5)和宽带反射镜(6)，所述的宽带反射镜(6)的反射面与光路垂直，所述的光谱展宽装置(3)的构成依次是第一耦合/准直元件(3‐1)、密闭的充有气体的腔体(3‐2)和第二耦合/准直元件(3‐4)，在所述的腔体(3‐2)中有空心光波导(3‐3)，抽气泵(3‐5)和充气装置(3‐6)置于所述的腔体(3‐2)的两端。

【技术特征摘要】
1.一种产生高能量相干连续光谱的装置，其特征在于其构成依次是第一色散补偿装置(1)、分光装置(2)、光谱展宽装置(3)、第二色散补偿装置(4)、四分之一波片(5)和宽带反射镜(6)，所述的宽带反射镜(6)的反射面与光路垂直，所述的光谱展宽装置(3)的构成依次是第一耦合/准直元件(3‐1)、密闭的充有气体的腔体(3‐2)和第二耦合/准直元件(3‐4)，在所述的腔体(3‐2)中有空心光波导(3‐3)，抽气泵(3‐5)和充气装置(3‐6)置于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丁，赵睿睿，乔玲玲，赵钰，陈逸飞，黄志远，冷雨欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31