本发明专利技术属于激光技术领域，具体为一种基于级联非线性过程的多级脉冲压缩方法。每一级均由一块非线性晶体以及一对光栅组成。本发明专利技术通过这种简单的方法来提高对高功率光脉冲的压缩倍数，可直接从皮秒（ｐｓ）级脉冲获得飞秒（ｆｓ）级脉冲。本级联压缩方法简单实用，压缩倍率高，输出脉冲质量好，并且它充分地利用了现有的商品化器件，经济成本低廉，具有非常广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光
，具体涉及一种通过提高对高功率皮秒光脉冲压缩倍数，方便地获得飞秒激光脉冲的方法。
技术介绍
飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间特别短，并且有非常高的瞬时功率。极大地推动了超快光物理，飞秒化学，飞秒生物和非线性光学等的研究。目前的高功率飞秒激光器结构复杂，价格较为昂贵。因此，光脉冲压缩逐渐成为一种产生飞秒脉冲的重要技术。目前的脉冲压缩技术主要包括(1)单模光纤压缩(J D Kafka，B HKolner，T Baer，D M Bloom，Compression of pulses from a continuous-wave mode-locked Nd:YAGlaser.Opt Lett 1984，9505-506)。该技术主要受到高阶非线性以及光纤所能承受的损伤阈值的限制，因此只能达到nJ的脉冲能量。(2)利用充有高压纯净气体的中空毛细管的脉冲压缩技术(M Nisoli，S De Silvestri，O Svelto，Generation of high energy 10 fs pulses by a new pulsecompression technique.Appl Phys Lett 1996，682793-2795)。缺点在于其脉冲能量达到1mJ时会将气体电离，同时会产生严重的自聚焦效应。(3)基于大尺度材料的三阶非线性的脉冲压缩方法(C Rolland，P B Corkum，Compression of high-power optical pulses.J Opt Soc Am B 1988，5641-647)。这种方法严重地受到自聚焦的限制，并且光束还会发生形变影响输出脉冲的质量。(4)倍频压缩(Y J Wang，B Luther-Davies，Frequency-doubling pulse compressor forpicosecond high-power neodymium laser pulses.Opt Lett 1992，171459-1461)。它是对倍频光的压缩，无法获得短脉冲的基波脉冲激光，并且对三波的群速度要求较为严格，实验操作困难。
技术实现思路
针对现有的高功率光脉冲压缩的技术存在着结构复杂、压缩倍数低等问题，本专利技术的目的在于提供一种简便易行，可有效提高脉冲压缩倍数的方法。本专利技术提出的提高脉冲压缩倍数的方法，是利用多个级联非线性过程。具体是一种通过多级的级联非线性的二阶脉冲压缩过程，来提高对高功率皮秒光脉冲压缩倍数，从而方便地获得飞秒激光脉冲。其中，每一级压缩过程，均由一块非线性BiBo晶体和一对光栅组成的色散器来实现；使光脉冲通过BiBo晶体，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相的失配量，光脉冲在晶体中传播时由于级联非线性过程而感应到大量值的非线性相移；光栅对色散器由两块光栅和两块透镜组成，按4f系统排列，通过选择光栅常数、透镜焦距以及各部分的相对位置，得到所需的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩，以获得较大的脉冲压缩倍数。在前后两级压缩过程中，还使用一扩束器，该扩束器由一块凸透镜和一块凹透镜组成，选择两块透镜的焦距以及相对距离，使前一级压缩输出的基频光峰值光强衰减到与初始光场的峰值光强相同，以便两级压缩的实施。本专利技术中，所述的多级的级联非线性二阶脉冲压缩过程的级数为2或3。本专利技术中，选择倍频晶体长度和光栅对，使非线性相移与提供的正常色散量达到最佳配比，从而获得最优输出光质量与脉冲压缩倍数。基于级联非线性的二阶脉冲压缩过程如图1所示，其中每一级都包括一个级联非线性过程以及一个色散补偿过程(由光栅对色散器实现)。按照傅氏转换极限决定的时间带宽乘积，较宽的光谱(Δν)能支持更短的光脉冲(τ)。对于在时域中把皮秒脉冲压缩到飞秒量级，关键在于怎样才能得到更宽的光谱。脉冲在级联过程会感应到非线性相移(ΔΦnl)，导致频率啁啾，产生新的频率成分，从而展宽脉冲的光谱，这种方式产生的非线性相移量值大，并且可以避免自聚焦的影响。在每一级的压缩过程中，本专利技术均使光脉冲通过一块BiBO晶体(如图2中C1、C2)，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相失配量，光脉冲在晶体中传播时就会由于级联非线性过程感应到大量值的非线性相移，如图1中的1和4均代表了此级联过程。位相失配时，第一类倍频产生过程中有等效于三阶非线性χ(3)的二阶级联非线性效应，在此级联过程中可以使光谱得到充分展宽。在考虑到三阶非线性效应的同时，此过程中基频光与倍频光传播时相互作用的耦合波方程可以表示为(∂∂z+iLNL2LD1∂2∂t2)E1=iE1*E2exp(iΔkz)+i2π(n2I0)×LNLλ(|E1|2+2|E2|2)E1]]>(∂∂z+LNLLGVM∂∂t+iLNL2LD2∂2∂t2)E2=iE1E1exp(-iΔkz)+i4π(n2I0)×LNLλ(2|E1|2+|E2|2)E2]]>方程中E1、E2分别代表基频光与倍频光的慢变振幅包络，E1*为E1的复共轭，并假定基频光为高斯脉冲，I0为初始基频光的峰值光强，λ为基频光的中心波长，初始倍频光场设为E2＝0，Δk(ω0)＝k2ω-2kω为中心频率ω0处的波失失配量，简记为Δk，k1ω、k2ω分别代表基频光与倍频光的波失，LGVM是基频光与倍频光之间的群速度失配(GVM)长度，LNL为非线性长度，n2为非线性折射率系数，LD1与LD2分别代表在频率为ω与2ω时的色散长度，z为归一化的传播距离，t为归一化的时间。由于BiBO晶体二阶非线性系数(deff～3.7pm/V)较大、损伤阈值光强较高、空间走离角较小，因此选择BiBO作为倍频晶体。同时BiBO晶体在yz平面内的有效非线性系数相对较大，可以得到更大的非线性相移，则取yz平面作基于e+e→o的第一类倍频过程实现对基频光的光谱展宽。在激光脉冲峰值附近的主要时间范围内，由于二阶级联过程感应的频率啁啾基本上是线性的，因此可以通过正常色散来补偿负值的频率啁啾，从而最终实现激光脉冲的压缩。本专利技术选择光栅对色散器提供正常色散(如图1中的2和5两部分)，光栅对色散器主要由两块光栅(如图2中一级压缩部分的G1、G2，二级压缩部分的G3、G4)以及两块透镜(如图2中一级压缩部分的L1、L2，二级压缩部分的L3、L4)组成，它们按4f系统排列。通过选择合适的光栅常数，透镜焦距以及各部分的相对位置，得到所需要的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩以获得较大的脉冲压缩倍数，其中屋脊镜(RM1、RM2)的作用是将入射和出射光线在垂直于纸面的方向分开，使色散器出射的光线不会被全反射镜挡住。由于基频光与倍频光之间的群速度失配会造成脉冲时间上本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于级联非线过程的高倍率多级脉冲压缩方法，其特征在于通过多级的级联非线性二阶脉冲压缩过程，来提高对高功率皮秒激光脉冲压缩倍数，从而获得飞秒激光；其中，每一级压缩过程，均由一块非线性ＢｉＢｏ晶体和一对光栅组成的色散器来实现；使光脉 冲通过ＢｉＢｏ晶体，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相的失配量，光脉冲在晶体中传播时由于级联非线性过程而感应到大量值的非线性相移；光栅对色散器由两块光栅和两块透镜组成，按４ｆ系统排列，通过选择光栅常数、透镜焦距以及各部分的相 对位置，得到所需的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩，以获得较大的脉冲压缩倍数。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：钱列加，张东方，谢国强，朱鹤元，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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