一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法技术方案

本发明专利技术为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。该光学系统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；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，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。对激光脉冲在频域上的展宽。对激光脉冲在频域上的展宽。

【技术实现步骤摘要】
一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法


[0001]本专利技术属于超快激光
，具体涉及一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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；
[0012]所述导入镜和导出镜为平面反射镜。
[0013]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。
[0014]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；
[0015]所述非线性介质设置在多通腔束腰处。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]所述光束准直组件为变换透镜，变换透镜为平凸透镜；
[0023]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。
[0024]同时，本专利技术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：
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：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；所述光谱展宽组件包括多通道传输单元及非线性介质(9)；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(7)和第二反射镜(8)，第一反射镜(7)和第二反射镜(8)形成多通腔；所述非线性介质(9)位于所述多通腔内；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(7)，激光束经第一反射镜(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)，如此多次反射后经过非线性介质(9)并由非线性介质(9)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。2.根据权利要求1所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：还包括分别设置在第一反射镜(7)导入端与第二反射镜(8)导出端的导入镜(14)和导出镜(15)，用于将激光束导入和导出多通腔；所述导入镜(14)和导出镜(15)为平面反射镜。3.根据权利要求2所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：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。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：所述第一反射镜(7)和第二反射镜(8)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(7)和第二反射镜(8)之间的间距d，满足d<2R；所述非线性介质(9)设置在多通腔的束腰处。5.根据权利要求4所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：所述第一反射镜(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(7)和第二反射镜(8)俯仰角度及左右偏摆角度；通过平移台改变第一反射镜(7)和第二反射镜(8)之间的间距d，调节激光束通过非线性介质(9)的次数。6.根据权利要求5所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：所述脉冲宽度压缩组件为GTI镜组、光栅对、棱镜对或啁啾镜。7.根据权利要求6所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：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。8.根据权利要求7所述的多通式激光光谱展宽光学系统，其特征在于：所述模式匹配组件包括沿光路依次设置的第一透镜(2)、第二透镜(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩，李峰，
申请(专利权)人：西安中科聚能激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：