CN103444018A - 稳定的飞秒脉冲激光器以及稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率飞秒脉冲激光器，所述激光器包括：能够产生具有包络频率和载波频率的一串输入激光脉冲的源；啁啾脉冲放大装置；以及用于控制在输出激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相漂移的装置。根据本发明，所述用于控制在包络频率与载波频率之间的相漂移的装置包括电光相位调制装置，该电光相位调制装置放置在啁啾脉冲放大装置的光路上以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。

Description

稳定的飞秒脉冲激光器以及稳定方法

技术领域

本发明的领域涉及超短脉冲激光器（飞秒（毫微微秒，femtosecond）时段）。更确切地，本发明涉及飞秒（fs）脉冲激光，其由载波频率和包络频率表征。更加确切地，本发明涉及用于稳定在飞秒激光脉冲串的载波频率和包络频率之间的相漂移的装置。

背景技术

大约20年以来，短脉冲激光器的研究和发展经历了显著的进步。当前，所获得的脉冲持续时间属于飞秒域。并行地，啁啾（chirped）脉冲放大技术的发展（D.Strickland,G.Mourou"Compression of amplifiedchirpedoptical pulses"Optics communications,vol.55,issue6,15October1985,p.447-449&Optics communications,vol.56,issue3,1December1985,p219-221）允许研究非常高的、拍它瓦（petaWatt）量级的峰值功率。

关于这种类型的源的研究轴之一涉及在图1中示意性示出的包络与载波之间的所谓的相漂移现象。来自激光器的光波是电磁波，其电场可以用给定频率的波——载波（50）与包络函数（60）的乘积表示。载波（50）的频率直接与激光的波长相关，而包络（60）允许表征脉冲的持续时间以及脉冲重复频率（f_rep）。包络（60）的传播速度被称为群速度并且对应于能量的传播速度。载波频率（50）的速度称为相速度。在分散介质中，群速度和相速度通常彼此不同，这会引起包络内的载波震荡的时间漂移（比较图1）。

对于相对“长”的脉冲持续时间，即，例如纳秒量级的脉冲持续时间，每个脉冲包含非常高数量的光学周期（在可见光谱内为3.10⁵个周期的量级），并且在载波频率与包络频率之间的漂移没有显著的结果。在超短激光脉冲的情况下，相反，光学周期的数量不是很高（比较图1），并且包络中载波的时间位置可能对某些对电场敏感但是对场包络不敏感的物理现象具有显著的结果（A.Baltuska等“Attosecond control of electronicprocesses by intense light fields”Nature421-2003）。

如果对于给定脉冲，电场的最大值与包络的最大值的位置一致，则在后面的脉冲处可能不会这样。这种时移对应于载波的相移Δφ并且其也由首字母缩拼词CEP（载波包络相位）指定。该相移Δφ可以根据激光的光路上的各种来源的微扰（振动、材料的折射率的变化）的发生随时间改变。作为时间的函数的该相移Δφ的变化，即，CEP变化，被称为“包络频率与载波频率之间的相位漂移”。这在例如Nisoli等的出版物中说明，该出版物描述了对于持续时间包含在5-7fs之间的脉冲，逐个脉动地（shot by shot）测量CEP的随机变化（"Effects of Carrier-Envelope Phase Differences ofFew-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个例子（"Carrier-envelope phase shift caused bygrating-based stretchers and compressors"Applied Optics,vol.45,n°32,2006），其中评估了基于衍射格栅的扩展器或压缩器对CEP漂移的影响。

此处考虑的技术问题总体上涉及超短激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相位漂移的稳定和控制。

除了在某些特定条件下（A.Baltuska等"Controlling theCarrier-EnvelopePhase of Ultrashort Light Pulses with Optical ParametricAmplifiers"Physical Review Letters,Vol.88,n°13,1April2002.）允许极好地免于CEP漂移的光学参数振荡器的特定情况之外，还存在各种CEP校正的技术，它们基于包含f-2f干涉计的慢反馈环（Kakehata等，"Measurements of carrier-envelope phase changes of100-Hz amplifiedlaser pulses"Applied Physics B.74,S43-S502002）。它们可以分成两类。

第一类涉及锁模振荡器并且通过作用于腔的某些参数进行校正（Jones等，"Carrier Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasersand Direct Optical Frequency Synthesis"Science288,635,2000)。注意，这种方法不允许使用单个控制环来校正腔下游的CEP的可能波动，该波动例如与激光束的随后路径上的微扰有关。

假设振荡器的先前稳定的第二类对应于在振荡器下游、通常在放大之前作出的校正。在所使用的主要技术中，可能提及的是：

-在分散材料中成对棱镜板的使用。所述板的机械位移允许修改CEP（C.Grebing等，“Isochronic and isodispersive carrier-envelopephase-shift compensators”,Applied Physics B97,p.575-581,2009）。然而，机械运动的必要性仅允许校正相对慢的相位漂移；

-压缩器的或扩展器的参数的修改，其中该参数可以是两个格栅之间的或者两个棱镜之间的距离（Chang,"Carrier-envelope phase shift causedby grating-based stretchers and compressors"Applied Optics,vol.45,n°32,2006,p.8350-8353）。此外，干涉计精度的机械运动必要性限制了设备的速度。

-声-光可编程波散滤波器（OAPDF）的使用（P.Tournois"Acousto-optic programmable dispersive filter for adaptive compensationof group delay time dispersion in laser systems"Optics communications140245-249（1997））。这种声-光波散滤波器允许以快速响应时间（kHz）引入可编程相移，但是这种设备的成本高；

-具有液晶矩阵（空间光调制器）的4f系统的使用（M.Kakehata等，"Use of a4f pulse shaper as an active carrier-envelope phase shifter"Conference paper,CLEO2004,CTuP,CTuP31)。响应时间是重要的并且不允许逐个脉动地校正CEP漂移。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种稳定CEP的设备和方法，所述设备和方法能够应用于工作于高重复频率（kHz到MHz的量级）的高能啁啾脉冲放大激光器并且具有降低的成本。

在本申请文件中，“高能激光脉冲”是指具有高于纳焦的能量的激光脉冲。

更确切地，本发明涉及一种高能飞秒脉冲激光器，该激光器关于包络频率和载波频率之间的相位漂移被稳定，所述激光器包括：待放大的激光脉冲源，所述源适于产生具有包络频率和载波频率的一串输入激光脉冲；啁啾脉冲放大装置，其包括适于时间扩展所述输入激光脉冲的扩展装置、适于放大被扩展的激光脉冲的光学放大装置、以及适于对所放大的激光脉冲进行时间压缩的压缩装置，以及用于控制输出激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相漂移的装置。根据本发明，所述用于控制在包络频率与载波频率之间的相漂移的装置包括电光调制装置，该电光调制装置放置在所述激光脉冲的光路上以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。

根据本发明的第一实施例，所述电光调制装置包括横向普克尔斯效应电光相位调制器。

根据本发明的第一实施例的不同的特定方面：

-所述激光器还包括用于相对于所述激光脉冲的极化方向在角度上定向所述普克尔斯效应调制器的寻常和/或非寻常光轴的装置；

-所述普克尔斯调制器放置在所述啁啾脉冲放大装置的光路上。

根据本发明的第二实施例，所述扩展装置和/或所述压缩装置包括至少一个棱镜，并且所述电光调制装置包括：分别位于所述棱镜的面上的电极以及用于向所述电极的端子施加电场以引起所述棱镜的折射率的调制的装置。

根据本发明的第二实施例的特定方面：所述扩展装置和/或所述压缩装置分别包括布置以用于补偿光束的空间偏移的两个棱镜，并且所述电光调制装置包括分别位于所述两个棱镜的面上的电极以及用于向所述电极的端子施加电场以便调制所述两个棱镜的折射率的装置。

根据本发明的各种特定方面，

-所述电光调制装置具有包含在几Hz到几MHz之间的工作频率；

-所述激光器还包括用于测量作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的装置；和/或

-所述激光器还包括反馈环，以用于根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的测量值调整由所述电光装置引起的调制。

本发明也涉及一种稳定在高能（高于纳焦）飞秒脉冲激光的包络频率与载波频率之间的相漂移的方法，所述方法包括如下步骤：

-产生由包络频率和载波频率形成的一串输入激光脉冲；

-对所述输入激光脉冲进行包括如下步骤的啁啾脉冲放大：对所述输入激光脉冲进行时间扩展的步骤、对所述扩展的激光脉冲进行光学放大的步骤、以及对所述扩展且放大的激光脉冲进行时间压缩的步骤，以及

-所述啁啾脉冲放大的步骤包括稳定在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤。

根据本发明的方法，所述稳定在包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤包括：光学部件的电光调制，以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。

根据本发明方法的特定方面，所述方法还包括：

-测量作为时间的函数的输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤，以及

-根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的所述测量值调整反馈电光相位调制的步骤。

本发明也涉及从下面的描述中变得显而易见的并且必须单独或者以其任何技术上可能的组合被考虑的特征。

附图说明

参照附图，通过以非限制性实例给出的该描述将使得对如何实施本发明有更好的理解，在附图中：

-图1示意性示出了由载波频率和包络频率定义的电磁波；

-图2示意性示出了根据本发明第一实施例用于展示CEP校正的第一配置（光谱干涉测量）；

-图3示出了在存在施加于LiNbO₃晶体的电压（V=240伏特）以及没有电压时，通过光谱干涉测量观察到的条纹的例子；

-图4示出了通过光谱干涉测量测得的CEP变化与施加于晶体的电压的函数关系；

-图5示意性示出了根据本发明第一实施例用于展示CEP校正的啁啾脉冲放大激光器设备；

-图6示出了在本发明的实施例中使用的电光调制器的CEP响应的逐脉动测量；

-图7示出了对于施加于电光调制器的各种形式的电压调制，通过f-2f干涉测量进行的干涉条纹测量，所述各种形式的电压调制分别是：正弦电压（图7A）、锯齿电压（图7B）、矩形电压（图7C）；

-图8示出了CEP测量的各种曲线与各种调制频率之间的函数关系；

-图9A示意性示出了根据本发明第二实施例的CEP调制设备并且图9B示意性示出了在该第二实施例中使用的棱镜的透视图。

具体实施方式

第一实施例

第一实施例基于通过仅使用一个光电子部件进行的光学脉冲的CEP的调制。更确切地，第一实施例基于电光类型的调制器的使用，其原理将在下文中详细描述。让我们考虑在分散的光学元件中传播的激光脉冲。分别通过以下的等式（1.a）和（1.b）定义相时间

和群延迟时间T_g：

$T_g=\frac{n_g\left({\mathrm{\ω}}_0\right)\·L}{c}---(1.b)$

其中c表示真空中的光速，L表示光束在分散元件中行经的长度，ω₀是激光的中心（角）频率，n(ω₀)和n_g(ω₀)分别是在频率ω₀处在介质上的折射率和群折射率。

因此在群速度与相速度之间的差引起的延迟可以根据等式（2）写出：

群折射率n_g通过关系（3a）与波矢量k的模

关联:

$\frac{n_g\left({\mathrm{\ω}}_0\right)}{c}=\frac{\∂k}{\∂\mathrm{\ω}}{|}_{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(3a\right)$

其允许将群折射率表示为折射率的和波长λ₀的函数:

$n_g\left({\mathrm{\ω}}_0\right)=n\left({\mathrm{\λ}}_0\right)-{\mathrm{\λ}}_0\frac{\∂n}{\∂\mathrm{\λ}}{|}_{{\mathrm{\λ}}_0}---\left(3b\right)$

因此等式（2）可以表示为等式（4）：

施加于介质的电场E产生折射率的横向普克尔斯效应变化。此处考虑例如在铌酸锂（LiNbO₃）晶体中在方向Oz上的光学脉冲传播。然而，相同的原理适用于其它呈现普克尔斯效应的非线性晶体，例如RTP、KTA等。假设激光场在方向Ox上线性极化，就像所施加的电场一样，并且轴Ox对应于非寻常轴。所施加的电场因此横向于脉冲束的传播轴。于是，寻常n₀和非寻常n_e折射率通过以下关系被给定为电场E的以及电光张量元素r₁₃和r₃₃的函数：

$n_0\left(E\right)=n_0-\frac{1}{2}\·n_0^3\·r_{13}\·E---\left(5.1\right)$

$n_e\left(E\right)=n_e-\frac{1}{2}\·n_e^3\·r_{33}\·E---(5.2)$

关系（5.2）的使用因此给出了当施加电场时的延迟（由在群速度和相速度之间的偏差引起）的变化：

这最终允许以如下形式写出CEP变化：

在包络频率和载波频率之间的相位漂移因此是施加到电光调制器的端子的电场E的线性函数。

通过向这种调制器施加足够的电压，因此有可能校正超短脉冲激光CEP变化。如果该设备与反馈环相关联，则有可能控制CEP。

实验性CEP控制设备

使用了两个不同的实验性设备来测试例如由铌酸锂（LiNbO₃）晶体构成的横向普克尔斯电光调制器的性能。在方向Oy上在晶体的面上进行镀金，可以据此施加电压。根据方向Ox线性极化激光辐射。

第一设备

演示基于光谱干涉测量的测量值。宽频谱激光器（11），诸如例如由“NKT photonics”在市场上销售的商业模式的“SuperK^TM Compact”。这种激光器以24kHz的重复率工作，所发射的辐射光谱从600nm延伸到900nm，脉冲持续时间为ns量级，并且所传递的平均功率为大约100mW。图2示出了耦合到Mach-Zehnder类型的干涉计的激光器（11），所述干涉计用于测量由被施加了电场U（t）的铌酸锂晶体（5）引起的辐射的光谱相位的变化，在图2中以图形的形式示意性示出。光电相位调制器（5）被插入干涉计的一个臂中，并且在另一个臂中利用具有适当长度的分散材料补偿二阶相色散的影响（经由光学延迟线8a或8b补偿一阶相）。在重新组合之后，光束被传送到光谱仪中，所述光谱仪允许直接访问由调制器引起的CEP变化。

电压被施加几百ms量级的持续时间。由电压发生器控制的膜（7）允许在两个时序期间选择辐射，其中所述两个时序之一对应于施加了电压（U(t)≠0）的定时，且另一个对应于未施加电压（U(t)=0）时的定时。在这些条件下，有可能在光谱仪的出射面中通过比较，记录与没有电压的图像（图3中的实线曲线）叠加的与存在电压对应的干涉条纹的图像（图3的虚线曲线），例如如图3所示。

通过改变施加于横向普克尔斯电光调制器的晶体（5）的电压U的幅度，有可能作为电场的函数绘制CEP变化。图4示出了对于施加于电光调制器的不同电场值的CEP测量值（由方形示出）以及线性回归曲线（点划线曲线）。也可以确定将所施加的电压与由该电压导致的相变化相关联的系数。

第二设备

在第二设备中，将横向普克尔斯电光系统（5）放在钛-蓝宝石类型的啁啾脉冲放大激光器的路径上，该激光器的锁模振荡器是CEP稳定的。直接作为通过内部开发的快f-2f干涉计施加的电场的函数测量CEP变化，所述干涉计允许在高于kHz的频率下进行逐脉动的测量。

图5示意性示出了根据该第二设备的激光器系统。该系统包括锁模振荡器（1）、扩展器（2）、一个或若干放大级（3a、3b）以及压缩器（4）。在图5所示的例子中，扩展器（2）和压缩器（4）基于衍射格栅（21、22、41、42）。振荡器（1）传递具有100MHz量级的重复率、约1nJ的能量以及几十nm光谱宽度的超短脉冲（10）。该激光器系统最终传递2mJ的放大的且被再次压缩的脉冲（40），该脉冲的持续时间接近35fs。放大之后的CEP逐脉动的残余噪声为大约320mrad（在一个小时的时间段）。光电调制器（5）被放置在扩展器（2）与再生放大器（3a、3b）之间。

图6示出了作为时间的函数进行的逐脉动的CEP演变的测量。不同的阶段对应于不同的施加于电光调制器（5）的电压（U=-5kV；U=-2.5kV；U=+2.5kV；U=+5kV；U=3.5kV）。点线示出作为时间的函数的慢CEP漂移。

该设备允许以高于KHz的重复率先验地调制CEP，并且为了验证这一点，已经作为时间的函数向晶体施加了若干电压。图7示出了，当施加于晶体的电压被正弦调制（图7A）、被锯齿信号调制（图7B）或者被方波信号调制（图7C）时，经由f-2f干涉计的条纹在实验上观察到的CEP的周期性演变。使用基于格栅的扩展器和压缩器，在CEP稳定的啁啾脉冲放大TiS链的输出处获得这些测量值。

图8绘出了由电场的调制施加并根据通过f-2f干涉计观察的条纹推出的CEP的演变。为了更加清楚，相位沿着纵轴偏移。实线曲线对应于10Hz的电光调制器的频率，短划线对应于50Hz的频率，点划线对应于100Hz的频率，最后，点线曲线对应于500Hz的频率。有效地观察到了从几赫兹到几百赫兹的频率下的CEP的调制。

第二实施例

本发明的设备的第二实施例基于使用棱镜压缩器以及通过电光效应对压缩器的棱镜的折射率进行的修改来控制CEP。

让我们考虑例如以双路径配置的棱镜压缩器，如图9A中示意性示出。压缩器（4）包括第一棱镜（43）、第二棱镜（44）和反射镜（45）。输入脉冲（30）由横向于光束的轴的实线示意性示出。分离线（6）允许将压缩器的入射束与输出束分开。以本身已知的方式，第一棱镜（43）将输入脉冲作为存在于脉冲光谱中的波长的函数在空间上散射。在第一棱镜的出口处，示出了三个在空间上分离的束（分别是λ₁、λ₂和λ₃）。第二棱镜（44）也引起束的色散。在反射镜（45）上反射之后并且通过第二棱镜（44）和第一棱镜（43）返回之后，所述三个束（λ₁、λ₂和λ₃）在空间上重新组合在一起，但是具有时间偏移，这是因为它们未遵循同一光路。然后可以根据输入脉冲（30）的散射，时间压缩输出脉冲（40）。

在棱镜（43和/或44）的相对面上通过沉积金属层（43a、43b、44a、44b）形成电极（参考图9B）。在所述电极之间施加的电场于是横向于脉冲束的传播轴。于是有可能（经由电压的施加）通过电光效应调制棱镜（43和/或44）的折射率并且然后调制由压缩器（4）引入的色散。通过向两个棱镜（43和44）施加相同的电压，该系统保持完全对称并且不对激光束的指向引入任何变化。使用四个棱镜（于是之前的棱镜中的每一个均由两个棱镜构成）并且通过在压缩器中在高度方向上移动光束的往返路径，对于同一相移效应，可以将施加于每一个所述棱镜上的电压除以二。

作为所施加的电场的函数对在相延迟和群延迟之间的差变化的计算显示，该方法有效地允许控制CEP。

本发明提出了特别可用于高能啁啾脉冲放大激光器的、用于快速CEP校正的简单且相对便宜的设备的若干实施例。本发明的设备和方法允许校正超短（飞秒）脉冲激光器的CEP。此外，本发明允许以非常高的频率（从几Hz到几MHz）进行CEP的逐脉动校正。该设备可以有利地基于光学部件（棱镜板或其它光学机械修改）的插入，用于在几十kHz到几MHz的频率下，稳定重复率包含在该同一频率范围内的脉冲激光器的CEP漂移。

本发明的设备和方法可以用于现有技术的CPA激光器。

Claims (10)

1.一种高能飞秒脉冲激光器，关于在包络频率和载波频率之间的相漂移被稳定，所述激光器包括：

-待放大的激光脉冲源（1），所述源（1）适于产生具有包络频率（60）和载波频率（50）的一串输入激光脉冲（10）；

-啁啾脉冲放大装置，其包括适于时间扩展输入激光脉冲（10）的扩展装置（2）、适于放大被扩展的激光脉冲（20）的光学放大装置（3、3a、3b）、以及适于对所放大的激光脉冲（30）进行时间压缩的压缩装置（4），以及

-用于控制在输出激光脉冲的包络频率和载波频率之间的相漂移的装置，

该激光器的特征在于：

-所述用于控制在包络频率与载波频率之间的相漂移的装置包括电光调制装置，该电光调制装置放置在激光脉冲的光路上以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲（40）的包络频率与载波频率之间的相漂移。

2.根据权利要求1的超短脉冲激光器，其特征在于：所述电光调制装置包括横向普克尔斯效应电光相位调制器（5）。

3.根据权利要求1或2之一的超短脉冲激光器，其特征在于其还包括用于相对于激光脉冲的极化方向在角度上定向所述普克尔斯效应调制器（5）的寻常和/或非寻常光轴的装置。

4.根据权利要求2或3之一的超短脉冲激光器，其特征在于所述普克尔斯效应调制器（5）放置在啁啾脉冲放大装置的光路上。

5.根据权利要求1的超短脉冲激光器，其特征在于：所述扩展装置（2）和/或所述压缩装置（4）包括至少一个棱镜（43、44），并且所述电光调制装置包括：分别位于所述棱镜（43、44）的面上的电极（43a、43b、44a、44b）以及用于向所述电极的端子施加电场以便引起所述棱镜（43、44）的折射率的调制的装置。

6.根据权利要求5的超短脉冲激光器，其特征在于：所述扩展装置和/或所述压缩装置分别包括布置以便补偿光束的空间偏移的两个棱镜（43、44），并且所述电光调制装置包括分别位于所述两个棱镜（43、44）的面上的电极（43a、43b、44a、44b）以及用于向两个棱镜（43、44）的电极的端子施加电场以便调制两个棱镜（43、44）的折射率的装置。

7.根据权利要求1至6中的一项的超短脉冲激光器，其特征在于所述电光调制装置具有包含在几Hz到几MHz之间的工作频率。

8.根据权利要求1至7中的一项的超短脉冲激光器，其特征在于其还包括：

-用于测量作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率（60）与载波频率（50）之间的相漂移的装置；

-反馈环，用于根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的测量值调整由所述电光装置引起的调制。

9.一种稳定在高能飞秒脉冲激光的包络频率（60）与载波频率（50）之间的相漂移的方法，所述方法包括如下步骤：

-产生由包络频率（60）和载波频率（50）形成的一串输入激光脉冲（10）；

-对所述输入激光脉冲（10）进行包括如下步骤的啁啾脉冲放大：对所述输入激光脉冲进行时间扩展的步骤、对所述扩展的激光脉冲（20）进行光学放大的步骤、以及对所述扩展且放大的激光脉冲（30）进行时间压缩的步骤，以及

-所述啁啾脉冲放大的步骤包括稳定在输出激光脉冲（40）的包络频率（60）与载波频率（50）之间的相漂移的步骤，

该方法的特征在于：

-所述稳定在包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤包括：光学部件的电光调制，以便稳定作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移。

10.根据权利要求9的稳定方法，其特征在于：所述方法还包括：

-测量作为时间的函数的在输出激光脉冲的包络频率与载波频率之间的相漂移的步骤，以及

-根据在包络频率与载波频率之间的相漂移的所述测量值调整反馈电光相位调制的步骤。

Images