测量和控制超快激光脉冲啁啾的设备和方法技术

本公开的一个方面涉及一种用于测量和控制超快激光脉冲的线性啁啾参数的方法。所述方法包括以下步骤。建立高频超快激光脉冲的线性啁啾参数与经频率下转换的低频光脉冲的载波包络相位之间的映射关系(简称CEP

【技术实现步骤摘要】
测量和控制超快激光脉冲啁啾的设备和方法


[0001]本专利技术涉及超快激光脉冲(ultrafast laser pulse)的光学计量学，更具体地，涉及对超快激光脉冲(ultrafast laser pulse)的线性啁啾(linear chirp)的测量和控制。

技术介绍

[0002]通过啁啾脉冲放大过程产生的超快激光脉冲，由于其极高的峰值功率和极短的时间分辨率，在强场光学物理以及非平衡动力学领域有着广泛的应用。另外，由于脉冲啁啾可以方便地调谐超快激光脉冲的脉冲宽度，故脉冲啁啾在控制超快激光脉冲方面有不可替代的作用。
[0003]“啁啾(chirp)”一词用于描述瞬时频率随时间变化的特性:如果光脉冲的瞬时频率随时间增加(或减少)，则称所述脉冲具有上啁啾(或下啁啾)。线性啁啾是啁啾形式中较为简单的一种，它指的是瞬时频率(instantaneous frequency)随时间线性变化的现象，即ω(t)＝ω0+Ct，其中是线性啁啾参数，β2是群速度色散系数，z是在线性啁啾系统中的传播距离。特别地，具有零啁啾C＝0的脉冲拥有与时间无关的恒定频率，这种脉冲被称为变换极限脉冲(transform
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limited pulse)。线性啁啾被广泛应用的一大原因在于脉冲宽度可以很容易被改变，即由此可见变换极限脉冲具有最短的脉冲宽度T0。线性啁啾可以通过将激光脉冲经过包括色散介质、棱镜、或衍射光栅在内的色散元件来实现，其本质是对激光脉冲施以频率相关的相位偏移，从而在时域上实现脉冲包络的展宽。
[0004]测量超快激光脉冲的啁啾有两个方面的重要性。首先，真实的物理实验系统不可避免地会引入额外的色散，从而改变激光脉冲的啁啾。因此，为了对这些额外啁啾进行补偿或抵消，必须测量出激光脉冲的啁啾量。
[0005]其次，啁啾脉冲，尤其是线性啁啾脉冲，已经在超快科学中得到了广泛的应用，例如单个阿秒脉冲(attosecond)的产生、原子碰撞的相干控制、远红外和中红外电磁辐射的产生等。如果能够精确地测定脉冲的啁啾信息，将为这些科学实验提供更精准的探测和操纵超快过程的可能。
[0006]尽管各种计量方法，例如时域关联测量(茂木、永沼和山田，1988年)或频域关联测量(范等人，2013)，已经被设计用来测量超快光脉冲的啁啾，它们只对啁啾较大的情况有效，也就是说，其有效测量条件根本不适用于小啁啾量的情况，即接近变换极限的超快光脉冲。由于不确定性原理，精确的频率分辨能力是以牺牲时间分辨能力为代价的。例如，来自高功率钛宝石激光器的光脉冲(中心波长800nm，375THz)的电磁场完成一个周期的振荡，即2π的相位变化，仅需2.6飞秒。迄今为止，对近变换极限(near
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transform
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limited ultrafast pulse)的超快脉冲的啁啾提供高精度测量的计量学方法一直乏善可陈。捕获如此短的时间尺度中的电磁场相位信息的潜在方法是：设计一种光学计量机制，通过非线性介质中频率下转换的过程将待测的高频电磁场转换成低频率振荡的电磁场，从而依靠低频电磁场的相位信息间接地获取高频电磁场的相位，从而测量出超快光脉冲的啁啾。

技术实现思路

[0007]本公开的一个方面涉及一种用于测量和控制超快激光脉冲的啁啾的光学设备，包括啁啾控制模块、分光器、非线性介质生成模块和太赫兹波检测模块。啁啾控制模块被配置成接收超快激光脉冲并调谐超快激光脉冲的脉冲持续时间，以便将超快激光脉冲转换成啁啾脉冲。分光器与啁啾控制模块光学耦合，并被配置成将来自啁啾控制模块的啁啾脉冲分成第一脉冲部分和第二脉冲部分。非线性介质生成模块与分光器光学耦合，并被配置为接收第一脉冲部分，并包含用于生成至少一个太赫兹电磁波的非线性介质。太赫兹波检测模块包括电光晶体、光电二极管和信号采集单元(锁定放大器或等效物),并且被配置为将太赫兹电磁波和第二脉冲部分引导到电光晶体、光电二极管，然后引导到信号采集单元。
[0008]在一些实施例中，分光器从啁啾脉冲分出第一脉冲部分，且其强度大于第二脉冲部分的强度。
[0009]在一些实施例中，分光器还被配置成反射第一脉冲部分并允许第二脉冲部分穿透其中。
[0010]在一些实施例中，非线性介质生成模块包括聚焦光学组件(透镜、离轴抛物面镜或等效物)、非线性晶体和双波长波片。聚焦透镜与分光器光学耦合。非线性晶体与聚焦透镜光学耦合，并被配置为产生入射的第一脉冲部分的二次谐波。双波长波片与非线性晶体光学耦合，并被配置为对准通过其中的参与波的偏振态。
[0011]在一些实施例中，聚焦光学器件还被配置成将穿透其中的波聚焦到具有氮(N2)、氧(O2)、其组合或其他等效物的气体介质。
[0012]在一些实施例中，第一脉冲部分和第一脉冲部分的二次谐波被聚焦以产生双色光场，并产生在双波长波片和太赫兹波检测模块之间光学耦合的空气等离子体。
[0013]在一些实施例中，光学设备还包括光学耦合在非线性介质生成模块和太赫兹波检测模块之间的太赫兹收集模块。太赫兹收集模块包括一对抛物面镜和滤波器。此对抛物面镜被配置成执行光束准直并重新聚焦到太赫兹波检测模块中。滤波器光学耦合在非线性介质生成模块和所述对抛物面镜之间，并且被配置为允许太赫兹辐射从其中穿透。
[0014]在一些实施例中，光学设备还包括时间延迟平台，时间延迟平台光学耦合在分光器和太赫兹波检测模块之间，并且被配置为从分光器接收第二脉冲部分，其中非线性介质生成模块和时间延迟平台分别位于彼此分离的第一光路和第二光路中。
[0015]在一些实施例中，光学设备还包括合光器，其光学耦合在非线性介质生成模块和太赫兹波检测模块之间以及光学耦合于时间延迟平台和太赫兹波检测模块之间，以便将从非线性介质生成模块传播的至少一个波与从时间延迟平台传播的至少一个波组合。
[0016]本公开的一个方面涉及一种用于测量和控制超快激光脉冲的线性啁啾的方法。所述方法包括以下步骤:建立啁啾与载波包络相位(carrier
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envelope phase；CEP)的关系(以下简称CEP
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啁啾关系)，并将CEP作为啁啾监测器，具体来说，CEP
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啁啾关系是高频的超快激光脉冲(目标脉冲)的线性啁啾参数与低频的频率下转换光脉冲(记录脉冲)的CEP之间的映射关系；测量记录脉冲的CEP，以根据已建立的CEP
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啁啾关系测量目标脉冲的线性啁啾参数；以及根据CEP
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啁啾关系调节目标脉冲穿透的色散元件，将目标脉冲的线性啁啾控制和稳定到期望值。
[0017]在一些实施例中，建立CEP
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啁啾关系包括通过线性色散元件改变高频光脉冲的线
性啁啾；将光脉冲辐射到非线性介质中，在其中发生频率下转换过程；检测来自非线性介质的频率下转换光脉冲(例如，太赫兹脉冲)的CEP；并建立CEP
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啁啾关系。
[0018]在一些实施例中，测量线性啁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测量和控制超快激光脉冲啁啾(chirp of ultrafast laser pulse)的光学设备，其特征在于，包括:啁啾控制模块，其被配置为接收超快激光脉冲(ultrafast laser pulse)并调谐所述超快激光脉冲的脉冲持续时间，以便将所述超快激光脉冲转换成啁啾脉冲(chirped pulse)；分光器，其与所述啁啾控制模块光学耦合，并且被配置为将来自所述啁啾控制模块的所述啁啾脉冲分成第一脉冲部分和第二脉冲部分；非线性介质生成模块，其与所述分光器光学耦合，并且被配置为接收所述第一脉冲部分，并且创建用于生成至少一个太赫兹电磁波(terahertz electromagnetic wave)的非线性介质(nonlinear medium)；和太赫兹波检测模块，包括电光晶体、光电二极管和锁定放大器或等效物，并且被配置为将所述太赫兹电磁波和第二脉冲部分引导到所述电光晶体、光电二极管，然后引导到锁定放大器或等效物。2.根据权利要求1的光学设备，其特征在于，其中所述分光器将所述啁啾脉冲分成第一脉冲部分与第二脉冲部分，其中所述第一脉冲部分强度大于第二脉冲部分的强度。3.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，其中所述分光器还被配置为反射所述第一脉冲部分并允许所述第二脉冲部分通过。4.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，其中所述非线性介质生成模块包括：聚焦透镜或等效物，其与所述分光器光学耦合；非线性晶体，其与所述聚焦透镜光学耦合，并被配置为产生所述入射的第一脉冲部分的二次谐波(second harmonic)；和双波长波片(dual
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wavelength waveplate)，其与所述非线性晶体光学耦合，并被配置成对准通过其中的参与波的偏振。5.根据权利要求4所述的光学设备，其特征在于，其中所述聚焦透镜还被配置为将穿透其中的波聚焦到具有氮(N2)、氧(O2)或其组合的气体介质。6.根据权利要求4所述的光学设备，其特征在于，其中所述第一脉冲部分和所述第一脉冲部分的二次谐波被聚焦，以产生双色空气等离子体，其在所述双波长波片和所述太赫兹波检测模块之间光学耦合。7.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括太赫兹收集模块，其光学耦合在所述非线性介质生成模块和所述太赫兹波检测模块之间，并且包括：一对抛物面镜，被配置成执行光束准直和重新聚焦；和滤波器，其光学耦合在所述非线性介质生成模块和所述对抛物面镜之间，并且被配置为允许太赫兹辐射通过。8.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，进一步包括：时间延迟平台，其光学耦合在所述分光器和所述太赫兹波检测模块之间，并且被配置为从所述分光器接收所述第二脉冲部分，其中所述非线性介质生成模块和所述时间延迟平台分别位于彼此分离的第一光路和第二光路中。9.根据权利要求8所述的光学设备，其特征在于，进一步包括：合光器，其光学耦合在所述非线性介质生成模块和所述太赫兹波检测模块之间以及所
述时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璟迪，周小越，理查德，
申请(专利权)人：加州大学董事会，
类型：发明
国别省市：