穩(wěn)定的飛秒脈沖激光器以及穩(wěn)定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高功率飛秒脈沖激光器，所述激光器包括：能夠產(chǎn)生具有包絡(luò)頻率和載波頻率的一串輸入激光脈沖的源；啁啾脈沖放大裝置；以及用于控制在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率和載波頻率之間的相漂移的裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述用于控制在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的裝置包括電光相位調(diào)制裝置，該電光相位調(diào)制裝置放置在啁啾脈沖放大裝置的光路上以便穩(wěn)定作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移。
【專利說明】穩(wěn)定的飛秒脈沖激光器以及穩(wěn)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域涉及超短脈沖激光器(飛秒(毫微微秒，femtosecond)時(shí)段)。更確切地，本發(fā)明涉及飛秒(fs)脈沖激光，其由載波頻率和包絡(luò)頻率表征。更加確切地，本發(fā)明涉及用于穩(wěn)定在飛秒激光脈沖串的載波頻率和包絡(luò)頻率之間的相漂移的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]大約20年以來，短脈沖激光器的研究和發(fā)展經(jīng)歷了顯著的進(jìn)步。當(dāng)前，所獲得的脈沖持續(xù)時(shí)間屬于飛秒域。并行地，啁啾(chirped)脈沖放大技術(shù)的發(fā)展(D.Strickland, G.Mourou-Compression of amplifiedchirped optical pulses〃Optics communications, vol.55，issue6，150ctoberl985，p.447_449&0ptics communications,vol.56，issue3，lDecemberl985，p219_221)允許研究非常高的、拍它瓦(petaWatt)量級(jí)的峰值功率。
[0003]關(guān)于這種類型的源的研究軸之一涉及在圖1中示意性示出的包絡(luò)與載波之間的所謂的相漂移現(xiàn)象。來自激光器的光波是電磁波，其電場(chǎng)可以用給定頻率的波——載波
(50)與包絡(luò)函數(shù)(60)的乘積表示。載波(50)的頻率直接與激光的波長(zhǎng)相關(guān)，而包絡(luò)(60)允許表征脈沖的持續(xù)時(shí)間以及脈沖重復(fù)頻率(f_)。包絡(luò)(60)的傳播速度被稱為群速度并且對(duì)應(yīng)于能量的傳播速度。載波頻率(50)的速度稱為相速度。在分散介質(zhì)中，群速度和相速度通常彼此不同，這會(huì)引起包絡(luò)內(nèi)的載波震蕩的時(shí)間漂移(比較圖1)。
[0004]對(duì)于相對(duì)“長(zhǎng)”的脈沖持續(xù)時(shí)間，即，例如納秒量級(jí)的脈沖持續(xù)時(shí)間，每個(gè)脈沖包含非常高數(shù)量的光學(xué)周期(在可見光譜內(nèi)為3.1O5個(gè)周期的量級(jí))，并且在載波頻率與包絡(luò)頻率之間的漂移沒有顯著的結(jié)果。在超短激光脈沖的情況下，相反，光學(xué)周期的數(shù)量不是很高(比較圖1)，并且包絡(luò)中載波的時(shí)間位置可能對(duì)某些對(duì)電場(chǎng)敏感但是對(duì)場(chǎng)包絡(luò)不敏感的物理現(xiàn)象具有顯著的結(jié)果(A.Baltuska 等 “Attosecond control of electronic processesby intense light fields”Nature421_2003)。
[0005]如果對(duì)于給定脈沖，電場(chǎng)的最大值與包絡(luò)的最大值的位置一致，則在后面的脈沖處可能不會(huì)這樣。這種時(shí)移對(duì)應(yīng)于載波的相移Λ φ并且其也由首字母縮拼詞CEP (載波包絡(luò)相位)指定。該相移△ Φ可以根據(jù)激光的光路上的各種來源的微擾(振動(dòng)、材料的折射率的變化)的發(fā)生隨時(shí)間改變。作為時(shí)間的函數(shù)的該相移△ Φ的變化，即-CEP變化，被稱為“包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相位漂移”。這在例如Nisoli等的出版物中說明，該出版物描述了對(duì)于持續(xù)時(shí)間包含在5-7fs之間的脈沖，逐個(gè)脈動(dòng)地(shotby shot)測(cè)量 CEP 的隨機(jī)變化("Effects of Carrier-Envelope Phase Differencesof Few-Optical-Cycle Light Pulses in Single-Shot High-Order-HarmonicSpectra〃Phys.Rev.Letters, Vol.91，n ° 21，2003)。在 Z.Chang 的出版物中描述了另一個(gè)例子(〃Carrier_envelope phase shift caused by grating-based stretchers andcompressors〃Applied Optics, vol.45，n° 32，2006)，其中評(píng)估了基于衍射格柵的擴(kuò)展器或壓縮器對(duì)CEP漂移的影響。[0006]此處考慮的技術(shù)問題總體上涉及超短激光脈沖的包絡(luò)頻率和載波頻率之間的相位漂移的穩(wěn)定和控制。
[0007]除了在某些特定條件下(A.Baltuska等"ControllingtheCarrier-Enve1pePhase of Ultrashort Light Pulses with OpticalParametricAmplifiers-Physical Review Letters, Vol.88, n° 13，lApril2002.)允許極好地免于CEP漂移的光學(xué)參數(shù)振蕩器的特定情況之外，還存在各種CEP校正的技術(shù)，它們基于包含 f-2f 干涉計(jì)的慢反饋環(huán)(Kakehata 等，"Measurements of carrier-envelope phasechanges ofIOO-Hz amplifiedlaser pulses"Applied Physics B.74, S43-S502002)。它們可以分成兩類。
[0008]第一類涉及鎖模振蕩器并且通過作用于腔的某些參數(shù)進(jìn)行校正(Jones等，"Carrier Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and DirectOptical Frequency Synthesis〃Science288, 635，2000)。注意，這種方法不允許使用單個(gè)控制環(huán)來校正腔下游的CEP的可能波動(dòng)，該波動(dòng)例如與激光束的隨后路徑上的微擾有關(guān)。
[0009]假設(shè)振蕩器的先前穩(wěn)定的第二類對(duì)應(yīng)于在振蕩器下游、通常在放大之前作出的校正。在所使用的主要技術(shù)中，可能提及的是:
[0010]-在分散材料中成對(duì)棱鏡板的使用。所述板的機(jī)械位移允許修改CEP(C.Grebing 等，“Isochronic and isodispersive carrier-envelope phase-shiftcompensators”, Applied Physics B97, p.575-581，2009)。然而，機(jī)械運(yùn)動(dòng)的必要性僅允許校正相對(duì)慢的相位漂移；
[0011]-壓縮器的或擴(kuò)展器的參數(shù)的修改，其中該參數(shù)可以是兩個(gè)格柵之間的或者兩個(gè)棱鏡之間的距離(Chang, 〃Carrier_envelope phase shift caused by grating-basedstretchers and compressors"Applied Optics, vol.45, n° 32，2006，p.8350-8353)。此夕卜，干涉計(jì)精度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)必要性限制了設(shè)備的速度。
[0012]-聲-光可編程波散濾波器(OAPDF)的使用(P.Tournois〃Acousto_opticprogrammable dispersive filter for adaptive compensation of group delay timedispersion in laser systems〃0ptics communicationsl40245-249( 1997))。這種聲-光波散濾波器允許以快速響應(yīng)時(shí)間(kHz)引入可編程相移，但是這種設(shè)備的成本高；
[0013]-具有液晶矩陣(空間光調(diào)制器)的4f系統(tǒng)的使用(M.Kakehata等，"Use ofa4f pulse shaper as an active carrier-envelope phase shifter-Conferencepaper, CLE02004, CTuP, ·CTuP31)。響應(yīng)時(shí)間是重要的并且不允許逐個(gè)脈動(dòng)地校正CEP漂移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種穩(wěn)定CEP的設(shè)備和方法，所述設(shè)備和方法能夠應(yīng)用于工作于高重復(fù)頻率(kHz到MHz的量級(jí))的高能啁啾脈沖放大激光器并且具有降低的成本。
[0015]在本申請(qǐng)文件中，“高能激光脈沖”是指具有高于納焦的能量的激光脈沖。
[0016]更確切地，本發(fā)明涉及一種高能飛秒脈沖激光器，該激光器關(guān)于包絡(luò)頻率和載波頻率之間的相位漂移被穩(wěn)定，所述激光器包括:待放大的激光脈沖源，所述源適于產(chǎn)生具有包絡(luò)頻率和載波頻率的一串輸入激光脈沖；啁啾脈沖放大裝置，其包括適于時(shí)間擴(kuò)展所述輸入激光脈沖的擴(kuò)展裝置、適于放大被擴(kuò)展的激光脈沖的光學(xué)放大裝置、以及適于對(duì)所放大的激光脈沖進(jìn)行時(shí)間壓縮的壓縮裝置，以及用于控制輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率和載波頻率之間的相漂移的裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述用于控制在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的裝置包括電光調(diào)制裝置，該電光調(diào)制裝置放置在所述激光脈沖的光路上以便穩(wěn)定作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，所述電光調(diào)制裝置包括橫向普克爾斯效應(yīng)電光相位調(diào)制器。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的不同的特定方面:
[0019]-所述激光器還包括用于相對(duì)于所述激光脈沖的極化方向在角度上定向所述普克爾斯效應(yīng)調(diào)制器的尋常和/或非尋常光軸的裝置；
[0020]-所述普克爾斯調(diào)制器放置在所述啁啾脈沖放大裝置的光路上。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，所述擴(kuò)展裝置和/或所述壓縮裝置包括至少一個(gè)棱鏡，并且所述電光調(diào)制裝置包括:分別位于所述棱鏡的面上的電極以及用于向所述電極的端子施加電場(chǎng)以引起所述棱鏡的折射率的調(diào)制的裝置。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的特定方面:所述擴(kuò)展裝置和/或所述壓縮裝置分別包括布置以用于補(bǔ)償光束的空間偏移的兩個(gè)棱鏡，并且所述電光調(diào)制裝置包括分別位于所述兩個(gè)棱鏡的面上的電極以及用于向所述電極的端子施加電場(chǎng)以便調(diào)制所述兩個(gè)棱鏡的折射率的裝置。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的各種特定方面，
[0024]-所述電光調(diào)制裝置具有包含在幾Hz到幾MHz之間的工作頻率；
[0025]-所述激光器還包括用于測(cè)量作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的裝置；和/或
[0026]-所述激光器還包括反饋環(huán)，以用于根據(jù)在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的測(cè)量值調(diào)整由所述電光裝置引起的調(diào)制。
[0027]本發(fā)明也涉及一種穩(wěn)定在高能(高于納焦)飛秒脈沖激光的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的方法，所述方法包括如下步驟:
[0028]-產(chǎn)生由包絡(luò)頻率和載波頻率形成的一串輸入激光脈沖；
[0029]-對(duì)所述輸入激光脈沖進(jìn)行包括如下步驟的啁啾脈沖放大:對(duì)所述輸入激光脈沖進(jìn)行時(shí)間擴(kuò)展的步驟、對(duì)所述擴(kuò)展的激光脈沖進(jìn)行光學(xué)放大的步驟、以及對(duì)所述擴(kuò)展且放大的激光脈沖進(jìn)行時(shí)間壓縮的步驟，以及
[0030]-所述啁啾脈沖放大的步驟包括穩(wěn)定在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的步驟。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的方法，所述穩(wěn)定在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的步驟包括:光學(xué)部件的電光調(diào)制，以便穩(wěn)定作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移。
[0032]根據(jù)本發(fā)明方法的特定方面，所述方法還包括:
[0033]-測(cè)量作為時(shí)間的函數(shù)的輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的步驟，以及
[0034]-根據(jù)在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的所述測(cè)量值調(diào)整反饋電光相位調(diào)制的步驟。
[0035]本發(fā)明也涉及從下面的描述中變得顯而易見的并且必須單獨(dú)或者以其任何技術(shù)上可能的組合被考慮的特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]參照附圖，通過以非限制性實(shí)例給出的該描述將使得對(duì)如何實(shí)施本發(fā)明有更好的理解，在附圖中:
[0037]-圖1示意性示出了由載波頻率和包絡(luò)頻率定義的電磁波；
[0038]-圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例用于展示CEP校正的第一配置(光譜干涉測(cè)量);
[0039]-圖3示出了在存在施加于LiNbO3晶體的電壓(V=240伏特)以及沒有電壓時(shí)，通過光譜干涉測(cè)量觀察到的條紋的例子；
[0040]-圖4示出了通過光譜干涉測(cè)量測(cè)得的CEP變化與施加于晶體的電壓的函數(shù)關(guān)系;
[0041]-圖5示意性示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例用于展示CEP校正的啁啾脈沖放大激光器設(shè)備；
[0042]-圖6示出了在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的電光調(diào)制器的CEP響應(yīng)的逐脈動(dòng)測(cè)量；
[0043]-圖7示出了對(duì)于施加于電光調(diào)制器的各種形式的電壓調(diào)制，通過f_2f干涉測(cè)量進(jìn)行的干涉條紋測(cè)量，所述各種形式的電壓調(diào)制分別是:正弦電壓(圖7A)、鋸齒電壓(圖7B)、矩形電壓(圖7C)；
[0044]-圖8示出了CEP測(cè)量的各種曲線與各種調(diào)制頻率之間的函數(shù)關(guān)系；
[0045]-圖9A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的CEP調(diào)制設(shè)備并且圖9B示意性示出了在該第二實(shí)施例中使用的棱鏡的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]第一實(shí)施例
[0047]第一實(shí)施例基于通過僅使用一個(gè)光電子部件進(jìn)行的光學(xué)脈沖的CEP的調(diào)制。更確切地，第一實(shí)施例基于電光類型的調(diào)制器的使用，其原理將在下文中詳細(xì)描述。讓我們考慮
在分散的光學(xué)元件中傳播的激光脈沖。分別通過以下的等式(1.a)和(l.b)定義相時(shí)間Τφ:
和群延遲時(shí)間Tg:
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種高能飛秒脈沖激光器，關(guān)于在包絡(luò)頻率和載波頻率之間的相漂移被穩(wěn)定，所述激光器包括: -待放大的激光脈沖源(1)，所述源(I)適于產(chǎn)生具有包絡(luò)頻率(60)和載波頻率(50)的一串輸入激光脈沖(10)； -啁啾脈沖放大裝置，其包括適于時(shí)間擴(kuò)展輸入激光脈沖(10)的擴(kuò)展裝置(2)、適于放大被擴(kuò)展的激光脈沖(20)的光學(xué)放大裝置(3、3a、3b)、以及適于對(duì)所放大的激光脈沖(30)進(jìn)行時(shí)間壓縮的壓縮裝置(4)，以及 -用于控制在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率和載波頻率之間的相漂移的裝置， 該激光器的特征在于: -所述用于控制在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的裝置包括電光調(diào)制裝置，該電光調(diào)制裝置放置在激光脈沖的光路上以便穩(wěn)定作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖(40)的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的超短脈沖激光器，其特征在于:所述電光調(diào)制裝置包括橫向普克爾斯效應(yīng)電光相位調(diào)制器(5 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一的超短脈沖激光器，其特征在于其還包括用于相對(duì)于激光脈沖的極化方向在角度上定向所述普克爾斯效應(yīng)調(diào)制器(5)的尋常和/或非尋常光軸的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3之一的超短脈沖激光器，其特征在于所述普克爾斯效應(yīng)調(diào)制器`(5)放置在啁啾脈沖放大裝置的光路上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的超短脈沖激光器，其特征在于:所述擴(kuò)展裝置(2)和/或所述壓縮裝置(4)包括至少一個(gè)棱鏡(43、44)，并且所述電光調(diào)制裝置包括:分別位于所述棱鏡(43、44)的面上的電極(43a、43b、44a、44b)以及用于向所述電極的端子施加電場(chǎng)以便引起所述棱鏡(43、44)的折射率的調(diào)制的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的超短脈沖激光器，其特征在于:所述擴(kuò)展裝置和/或所述壓縮裝置分別包括布置以便補(bǔ)償光束的空間偏移的兩個(gè)棱鏡(43、44)，并且所述電光調(diào)制裝置包括分別位于所述兩個(gè)棱鏡(43、44)的面上的電極(43a、43b、44a、44b)以及用于向兩個(gè)棱鏡(43,44)的電極的端子施加電場(chǎng)以便調(diào)制兩個(gè)棱鏡(43、44)的折射率的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)的超短脈沖激光器，其特征在于所述電光調(diào)制裝置具有包含在幾Hz到幾MHz之間的工作頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項(xiàng)的超短脈沖激光器，其特征在于其還包括: -用于測(cè)量作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率(60)與載波頻率(50)之間的相漂移的裝置； -反饋環(huán)，用于根據(jù)在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的測(cè)量值調(diào)整由所述電光裝置引起的調(diào)制。
9.一種穩(wěn)定在高能飛秒脈沖激光的包絡(luò)頻率(60)與載波頻率(50)之間的相漂移的方法，所述方法包括如下步驟: -產(chǎn)生由包絡(luò)頻率(60)和載波頻率(50)形成的一串輸入激光脈沖(10); -對(duì)所述輸入激光脈沖(10)進(jìn)行包括如下步驟的啁啾脈沖放大:對(duì)所述輸入激光脈沖進(jìn)行時(shí)間擴(kuò)展的步驟、對(duì)所述擴(kuò)展的激光脈沖(20)進(jìn)行光學(xué)放大的步驟、以及對(duì)所述擴(kuò)展且放大的激光脈沖(30)進(jìn)行時(shí)間壓縮的步驟，以及 -所述啁啾脈沖放大的步驟包括穩(wěn)定在輸出激光脈沖(40)的包絡(luò)頻率(60)與載波頻率(50)之間的相漂移的步驟， 該方法的特征在于: -所述穩(wěn)定在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的步驟包括:光學(xué)部件的電光調(diào)制，以便穩(wěn)定作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的穩(wěn)定方法，其特征在于:所述方法還包括: -測(cè)量作為時(shí)間的函數(shù)的在輸出激光脈沖的包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的步驟，以及 -根據(jù)在包絡(luò)頻率與載波頻率之間的相漂移的所述測(cè)量值調(diào)整反饋電光相位調(diào)制的步驟?！?br> 【文檔編號(hào)】H01S3/13GK103444018SQ201180068134
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月22日
【發(fā)明者】O·戈貝爾, M·孔泰, P-M·保羅, J-F·赫爾戈特 申請(qǐng)人:振幅科技, 原子能與替代能源委員會(huì)