本發(fā)明屬于光物理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于薄片固體材料的超連續(xù)相干光源。

背景技術(shù)：

超連續(xù)超寬譜相干光源，尤其是光譜寬度達(dá)到或超過(guò)一個(gè)倍頻程的光源，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括壓縮產(chǎn)生少周期至單周期飛秒脈沖、飛秒激光載波包絡(luò)相位的測(cè)量和鎖定、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生氣體靶中的高次諧波和阿秒激光脈沖、可調(diào)諧光源、激光光譜學(xué)等。

目前，最常用的產(chǎn)生超連續(xù)超寬譜相干光的方法是利用充氣空芯光纖展寬光譜，并利用尖劈對(duì)及啁啾鏡組來(lái)壓縮脈沖。該方法所得到的光束質(zhì)量好，光譜展寬效果明顯，但是，它的一個(gè)致命缺陷是空芯光纖的芯徑不能太大，大孔徑的光纖由于失去了波導(dǎo)效應(yīng)，輸出的光斑形狀就會(huì)變差。然而，芯徑不能太大就意味著空芯光纖所能接受的輸入脈沖能量不能超過(guò)某個(gè)閾值。此外，由于光纖芯徑是亞毫米級(jí)，對(duì)入射光的指向穩(wěn)定性要求非常高，入射光的方向稍有偏差或抖動(dòng)，就會(huì)強(qiáng)烈影響輸出脈沖的光譜和能量，以及輸出的光斑質(zhì)量。最后，充氣空芯光纖的透過(guò)效率一般只能達(dá)到50％，能量損失比較大。為此，有必要發(fā)展新的方法來(lái)產(chǎn)生高能量的超連續(xù)超寬譜相干光。

近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)可以采用固體材料來(lái)代替充氣空芯光纖實(shí)現(xiàn)超連續(xù)超寬譜相干光源。但是，現(xiàn)有利用固體材料產(chǎn)生的達(dá)到或超過(guò)一個(gè)倍頻程的超寬連續(xù)譜相干光源的輸出能量仍然非常低，只有不到0.1mJ，效率非常低。而高輸出能量的此類光源有更廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種超連續(xù)相干光源，包括：

激光產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生激光脈沖，所述激光脈沖束腰處的峰值光功率密度為0.47-0.94×10¹³W/cm²；以及

固體薄片組，用于將所述激光脈沖進(jìn)行光譜展寬以產(chǎn)生超連續(xù)光譜。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述激光產(chǎn)生裝置包括飛秒激光器和光束整形單元，所述光束整形單元用于調(diào)節(jié)所述飛秒激光器產(chǎn)生的激光脈沖的峰值光功率密度，所述飛秒激光器優(yōu)選地為鈦寶石飛秒激光器。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述固體薄片組包含N片固體薄片，其中N≥5。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述固體薄片的材料為熔融石英、氟化鈣、釔鋁石榴石、白寶石或碳化硅。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述固體薄片的厚度為10～500微米。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述固體薄片組中的第一片固體薄片置于所述激光脈沖的束腰之前，第二至第N片固體薄片構(gòu)成準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述固體薄片組包含7片固體薄片。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述激光脈沖的束腰處的峰值功率密度為0.94×10¹³W/cm²，第一片固體薄片至第7片固體薄片的相鄰兩片固體薄片的間距依次為20cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述激光脈沖的束腰處的峰值功率密度為0.69×10¹³W/cm²，第一片固體薄片至第7片固體薄片的相鄰兩片固體薄片的間距依次為5.5cm、4cm、3cm、3cm、2cm和2cm。

根據(jù)本發(fā)明的超連續(xù)相干光源，優(yōu)選地，所述激光脈沖的束腰處的峰值功率密度為0.47×10¹³W/cm²，，第一片固體薄片至第7片固體薄片的相鄰兩片固體薄片的間距依次為12cm、8.5cm、4.5cm、5cm、5cm和5cm。

本發(fā)明還提供了一種產(chǎn)生超連續(xù)相干光譜的方法，包括如下步驟：

步驟一：采用激光產(chǎn)生裝置產(chǎn)生激光脈沖，所述激光脈沖束腰處的峰值光功率密度為0.47-0.94×10¹³W/cm²；

步驟二：采用固體薄片組將所述激光脈沖進(jìn)行光譜展寬以產(chǎn)生超連續(xù)光譜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的超連續(xù)相干光源采用飛秒激光源和固體薄片組，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)飛秒激光源的光輸出功率密度以及固體薄片組的位置和間距，能夠以更高的功率和更高的效率實(shí)現(xiàn)超連續(xù)光譜，光譜展寬達(dá)到一個(gè)倍頻程。

附圖說(shuō)明

以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于薄片固體材料的超連續(xù)相干光源的光路示意圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的從固體薄片組輸出的超連續(xù)光譜曲線；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用TG-FROG測(cè)量得到的光譜及光譜相位曲線；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用TG-FROG測(cè)量得到的脈沖寬度曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

第一實(shí)施例

參照?qǐng)D1所示的根據(jù)本發(fā)明的基于薄片固體材料的超連續(xù)相干光源的光路示意圖。本發(fā)明的超連續(xù)相干光源包括：

鈦寶石飛秒激光器1，型號(hào)為FEMTOPOWER COMPACT PRO，用于產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為790nm、脈沖寬度為30fs左右、重復(fù)頻率為1kHz、單脈沖能量為0.8mJ、直徑為12mm的準(zhǔn)直激光束；

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元(縮束系統(tǒng))2，用于對(duì)飛秒激光束進(jìn)行縮束，縮束比為3:1；

光學(xué)聚焦單元(凸透鏡)3，焦距為f＝2000mm，縮束后的飛秒激光束經(jīng)光學(xué)聚焦單元3聚焦后得到的束腰直徑為約600μm，焦點(diǎn)處的峰值功率密度為約0.94×10¹³W/cm²；

固體薄片組4，包含7片厚度為0.1mm的熔融石英片，用于產(chǎn)生超連續(xù)光譜。聚焦后的飛秒激光束直接注入固體薄片組4中，由于自相位調(diào)制效應(yīng)，光譜會(huì)展寬。熔融石英薄片優(yōu)選地按照布魯斯特角擺放，以減少界面反射損失。相對(duì)于沒(méi)有放置薄片組時(shí)激光束的焦點(diǎn)位置，第一片熔融石英片位于焦點(diǎn)前31cm處，其余每片與前一片的距離分別為20、8.5、4.5、5、5、5cm。因此后6片熔融石英片構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，其中后5片幾乎是嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在前4片上的光斑直徑大約為400μm；在第5、6和7片上逐漸增大至500、600和800μm。這樣的光束發(fā)散度遠(yuǎn)小于不放置薄片組時(shí)的光束。因此這7片熔石英片也構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如此設(shè)置的目的是在獲得最強(qiáng)光譜展寬效果的同時(shí)，避免由于光束過(guò)度自聚焦導(dǎo)致在薄片以及空氣中發(fā)生成絲和在薄片中的介質(zhì)損傷，同時(shí)降低由多光子過(guò)程導(dǎo)致的能量損失。經(jīng)過(guò)固體薄片組4之后，得到0.7mJ脈沖能量，固體薄片組的整體透過(guò)效率高達(dá)87％，輸出的超連續(xù)光譜覆蓋460-950nm(在-20dB峰值強(qiáng)度)，具體地如圖2所示，圖2為從固體薄片組4輸出的超連續(xù)光譜曲線；

色散調(diào)節(jié)單元(尖劈對(duì))5，用于微調(diào)色散，以得到對(duì)最終輸出的超短脈沖的最佳壓縮效果；也可以替換使用合適厚度的單片或多片熔融石英對(duì)色散進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到與尖劈對(duì)同樣的調(diào)節(jié)效果。

光學(xué)準(zhǔn)直單元(凹面反射鏡)6，焦距為f＝2000mm，用于對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直；

壓縮器(啁啾鏡組)7，用于補(bǔ)償色散。輸入脈沖在傳播過(guò)程中逐次通過(guò)包括固體薄片組4在內(nèi)的各個(gè)光學(xué)單元時(shí)，各透射元件引入材料色散；同時(shí)，薄片組的非線性光學(xué)過(guò)程也會(huì)引入色散。啁啾鏡組7由4對(duì)啁啾鏡(8片)組成，每對(duì)可提供的二階色散量約為-90fs²，對(duì)此前累積的色散進(jìn)行補(bǔ)償。在啁啾鏡組后測(cè)得的脈沖能量為0.68mJ；

光譜儀和脈寬測(cè)量裝置8，本實(shí)施例中采用型號(hào)為Ocean Optics HR2000+的光譜儀直接測(cè)量輸出脈沖的光譜曲線，采用TG-FROG(瞬態(tài)光柵-頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān))進(jìn)行脈寬測(cè)量；該裝置利用非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)光柵誘導(dǎo)的光譜隨光程差的變化獲得頻率分辨的光學(xué)開(kāi)關(guān)譜圖(FROG Trace)；對(duì)此光譜圖進(jìn)行反演運(yùn)算可以得到脈沖的光譜和光譜相位，參見(jiàn)圖3，圖3為使用TG-FROG測(cè)量得到的光譜及光譜相位曲線，圖中的光譜范圍大約是650到930納米，比光譜儀直接測(cè)得的460到950納米窄；同時(shí)，從相位曲線也可以看出，相位比較平坦的區(qū)域大約是620到930納米；綜合這兩點(diǎn)我們可以得出結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)中用于色散補(bǔ)償?shù)倪辩R的帶寬有限，只在620到930納米之間實(shí)現(xiàn)了有效地補(bǔ)償，這與我們掌握的啁啾鏡的參數(shù)是一致的；這也正是我們將脈沖壓縮到7.1飛秒的原因；如果我們換用帶寬更寬的啁啾鏡，就有可能將脈沖壓縮得更短。從相位可以計(jì)算出脈沖的色散，利用傅里葉變換可以推算出脈沖在時(shí)域的電場(chǎng)和相位，從而得到脈沖寬度，參見(jiàn)圖4，圖4為使用TG-FROG測(cè)量得到的脈沖寬度曲線，結(jié)果顯示壓縮后的脈沖寬度為7.1fs，在圖4中，實(shí)線表示的是時(shí)域光強(qiáng)，虛線表示時(shí)域相位，時(shí)域光強(qiáng)曲線的半高全寬(FWHM)即脈沖寬度。

在該實(shí)施例中，鈦寶石飛秒激光器1、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元(縮束系統(tǒng))2和光學(xué)聚焦單元(凸透鏡)3可以組合為產(chǎn)生峰值光功率密度為0.94×10¹³W/cm²的激光束的激光產(chǎn)生裝置。

第二實(shí)施例

第二實(shí)施例的超連續(xù)相干光源的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的相同，區(qū)別在于鈦寶石飛秒激光器1的輸出脈沖能量調(diào)節(jié)為0.2mJ，采用f＝2.5m的長(zhǎng)焦透鏡，將激光聚焦到焦點(diǎn)處光斑直徑約350μm。然后在焦點(diǎn)附近放置7片0.1mm厚的熔融石英薄片，焦點(diǎn)處的峰值功率密度為約0.69×10¹³W/cm²，第一片薄片與最后一片薄片之間距離不到20cm，各片之間間距大約為5.5、4、3、3、2、2cm，輸出了0.18mJ的超連續(xù)光譜，固體薄片組的整體透過(guò)效率為90％；輸出光譜與圖2中的光譜一致。

第三實(shí)施例

在第三實(shí)施例中，輸入脈沖能量提高至0.4mJ，用3:1的縮束比對(duì)激光進(jìn)行了縮束，然后使用f＝2m的透鏡，將激光聚焦光斑擴(kuò)大到了直徑約600μm。然后在焦點(diǎn)附近放置7片0.1mm厚的熔融石英薄片，焦點(diǎn)處的峰值功率密度為約0.47×10¹³W/cm²，第一片薄片與最后一片薄片之間的間距約為40cm，除第一二片間距為大約12cm，其余間距與第一實(shí)施例基本相同，總透過(guò)效率約為88％，輸出光譜與圖2中的光譜一致。

第四實(shí)施例

第四實(shí)施例提供了一種采用產(chǎn)生超連續(xù)光譜的方法，其包括如下步驟：

步驟1：采用飛秒激光源產(chǎn)生峰值光功率密度為0.47-0.94×10¹³W/cm²的準(zhǔn)直激光脈沖；

步驟2：使步驟1得到的準(zhǔn)直激光脈沖通過(guò)固體薄片組進(jìn)行光譜展寬以產(chǎn)生寬度超過(guò)一個(gè)倍頻程的超連續(xù)光譜；

步驟3：使步驟2得到的超連續(xù)光譜通過(guò)色散調(diào)節(jié)單元進(jìn)行色散微調(diào)；

步驟4：采用光學(xué)準(zhǔn)直單元對(duì)步驟3得到的光束進(jìn)行準(zhǔn)直；

步驟5：采用壓縮器對(duì)步驟4得到的光束進(jìn)行色散補(bǔ)償，最終得到光譜超過(guò)一個(gè)倍頻程的少周期飛秒脈沖。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，通過(guò)調(diào)整7片熔融石英薄片之間的間距，本發(fā)明人實(shí)現(xiàn)了注入能量從0.4到0.8mJ可調(diào)的超連續(xù)光譜產(chǎn)生。在0.4mJ的注入能量下，第一片和最后一片薄片之間的間距約40cm。當(dāng)注入能量為0.8mJ時(shí)，第一片與最后一片薄片之間的距離約50cm。當(dāng)注入能量不同時(shí)，只需粗略調(diào)節(jié)第一片薄片的位置，并微調(diào)其余薄片，就可實(shí)現(xiàn)較好光斑的超連續(xù)光譜產(chǎn)生。在0.4-0.8mJ的注入能量下，超連續(xù)光譜的產(chǎn)生效率均大于85％，且輸出光譜均覆蓋460納米到950納米，達(dá)到一個(gè)倍頻程；輸出光譜均與圖2中的光譜一致。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，固體薄片組的透光效率與輸入光的光功率密度直接相關(guān)，光功率密度越小，多光子吸收和電離作用越弱，能量損失越低。另外，光功率密度低會(huì)導(dǎo)致通過(guò)每個(gè)薄片的光譜展寬較少，這就需要增加固體薄片的數(shù)量來(lái)補(bǔ)償?shù)玫剿枰墓庾V展寬。在本發(fā)明中，固體薄片的數(shù)量跟隨入射光功率密度相應(yīng)地調(diào)節(jié)。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，為了實(shí)現(xiàn)入射光束腰處的峰值光功率密度在0.47-0.94×10¹³W/cm²的范圍內(nèi)，可以直接采用輸出光峰值功率密度為0.47-0.94×10¹³W/cm²的激光器，也可以采用另外的本領(lǐng)域公知的光學(xué)器件進(jìn)行功率密度的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)符合要求的峰值光功率密度。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，光源可以采用脈沖寬度為10～2000飛秒的飛秒激光源。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元和光學(xué)聚焦單元組合成光束整形單元，用于將飛秒激光源發(fā)出的激光束進(jìn)行整形，以得到具有所需要的峰值光功率密度的激光束。

本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，當(dāng)激光束通過(guò)塊狀固體材料時(shí)，與自相位調(diào)制伴隨發(fā)生的自聚焦效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光束塌縮，功率密度迅速上升，從而發(fā)生大量多光子吸收和電離，導(dǎo)致成絲和介質(zhì)損傷，使光束被完全破壞。而使用薄片材料則可以避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。雖然每個(gè)薄片所產(chǎn)生的自相位調(diào)制僅能將光譜少量展寬，但在各個(gè)薄片之間留有適當(dāng)距離的薄片組卻可以在避免成絲和損傷的同時(shí)獲得與充氣空芯光纖類似的超連續(xù)光譜。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，固體薄片組中的薄片數(shù)量大于等于5，可以采用氟化鈣、釔鋁石榴石、白寶石、碳化硅等材料，厚度為10～500μm。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，第一片固體材料放置于聚焦透鏡的幾何焦點(diǎn)之前，力求采取盡量短的光路同時(shí)獲得最大程度的光譜展寬。該片固體材料除參與光譜展寬外，也在縮束和聚焦元件之后進(jìn)一步對(duì)光束進(jìn)行整形。通過(guò)調(diào)節(jié)該片固體材料的位置，可以使激光以最優(yōu)的光斑大小和發(fā)散角入射至后面的固體薄片。而后面的固體薄片構(gòu)成準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)以對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)類似波導(dǎo)效果的準(zhǔn)波導(dǎo)約束，以便通過(guò)自相位調(diào)制獲得有效的光譜展寬，最終獲得自相位調(diào)制和自聚焦兩者之間的平衡，從而獲得最優(yōu)的光譜展寬效果。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。