多色飛秒激光產生裝置制造方法
【專利摘要】一種多色飛秒激光脈沖產生裝置，沿入射激光的前進方向，依次是第一小孔光闌、平凸透鏡和分色鏡，入射激光經所述的分色鏡分為透射光束和反射光束，沿反射光束方向依次經長通濾波片、延時器、第二小孔光闌和第三高平反射銀鏡，入射到非線性透明固體介質上，所述的透射光束依次經過啁啾鏡、第一高平反射銀鏡和第二高平反射銀鏡，入射到所述的非線性透明介質上，入射到所述的非線性透明介質的所述的透射光束和反射光束具有一定夾角，調節所述的延時器，使得兩光束在時間和空間很好的重合，從而產生多色飛秒激光脈沖。本發明裝置結構簡單，可以應用于二維光譜學實驗、強場激光實驗和相干反斯托克斯拉曼光譜學實驗等不同的非線性激光光譜學研究。
【專利說明】多色飛秒激光產生裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及飛秒激光，特別是一種多色飛秒激光產生裝置。
【背景技術】
[0002]飛秒激光及相應飛秒激光技術的研究隨著飛秒激光脈沖在科研、生物、醫療、力口工、通信、國防等社會各個領域的應用的拓展與深入而迅速發展。其中一個重要方面的應用是利用飛秒激光脈沖和飛秒激光光譜學方法來研究蛋白質，納米材料，半導體等各類材料中的超快動力學特性。比如，可采用飛秒泵浦-探測技術和飛秒受激拉曼散射技術等研究蛋白質結構動力學，半導體和納米材料載流子動力學。而二維光譜學實驗、強場激光實驗和相干反斯托克斯拉曼光譜學實驗等多色飛秒泵浦-探測實驗，需要兩個及以上不同頻率的飛秒激光脈沖。因此，一種結構簡單的多色飛秒激光產生裝置具有重要意義了。目前，多色飛秒激光主要是利用兩束不同頻率的飛秒激光束以一定夾角在非線性固體介質中級聯四波混頻(CFWM)產生。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在于提供一種多色飛秒激光脈沖產生裝置，該裝置結構簡單，并且模塊化，可以應用于二維光譜學實驗、強場激光實驗和相干反斯托克斯拉曼光譜學實驗等不同的非線性激光光譜學研究。
[0004]本發明的技術解決方案如下:
[0005]一種多色飛秒激光產生裝置，特點在于其構成包括:沿入射激光的前進的方向，依次是第一小孔光闌、平凸透鏡和分色鏡，入射激光經所述的分色鏡分為透射光束和反射光束，沿反射光束方向依次經長通濾波片、延時器、第二小孔光闌和第三高平反射銀鏡，入射到非線性透明固體介質上，所述的透射光束依次經過啁啾鏡、第一高平反射銀鏡和第二高平反射銀鏡，入射到所述的非線性透明介質上，入射到所述的非線性透明介質的所述的透射光束和反射光束具有一定夾角，調節所述的延時器，使得兩光束在時間和空間很好的重合，從而產生多色飛秒激光脈沖。
[0006]所述的延時器為由兩塊高平反射銀鏡與在同時位于同一平移臺構成。
[0007]首先，該裝置是基于級聯四波混頻原理，該裝置的光路圖如圖1所示，沿入射激光I前進的方向，依次為小孔2、平凸透鏡3和分色鏡4，入射激光束在分色鏡處分成兩路，一路經過分色鏡反射，依次通過長通濾波片13、延時器14 (虛線框:其中延時器是由兩塊高平反射銀鏡5、6與平移臺構成)、小孔15和高平反射銀鏡9，入射到非線性透明固體介質11上，另一束透過分色鏡，依次經過啁啾鏡10、高平反射銀鏡7和8，最后與分色鏡反射光束以一定夾角重合于非線性透明介質11上，調節延時器，使得兩光束在時間和空間很好的重合，從而產生多色飛秒激光脈沖，，被位于后面的光譜儀12接收測量光譜。
[0008]在裝置結構中，小孔2和小孔15是便于調節光路用的。平凸透鏡3的焦距是根據兩路光束入射到非線性透明介質11上的整個光程來選擇，使得重合的兩路光光斑位于焦點附近。分色鏡是根據入射激光束I的波段來選擇，主要是將入射光束分成長短兩個波段的光束。長通濾波片的選擇，取決于經分色鏡4反射光光束的波段以及后面需要產生的多色光的中心頻率。延時器14的時間分辨率由平移臺的平移精度決定，其時間分辨率的選擇取決于兩光束的脈寬。啁啾鏡用于補償入射光束的正啁啾，以使得短波段激光脈沖為負啁啾，光在啁啾鏡之間的反射次數由入射光的正啁啾量和啁啾鏡的色散補償量參數決定。5、
6、7、8、9為具有高反射率的平面反射鏡，或者是銀鏡，或者是鋁鏡，也可以是介質反射鏡，具體實驗中由入射光的中心頻率決定，選擇相應反射率最高的平面反射鏡。非線性透明介質11可以是BBO晶體、Sapphire、Fused silica、CaF2等非線性透明介質,實驗中對非線性透明介質材料11的選擇要求材料對入射激光透明，三階非線性系數要高，并且厚度要合適。光譜儀12可以選擇高光譜精度的光譜儀，用于提高測量精度和測量所有級次的多色光光譜。
[0009]固定長波段光束，通過調節高平反射鏡7和8，使得短波段光束與長波段光束在空間上與長波段光束很好的重合于非線性透明介質11上，調節延時器，使得兩光束在時間上最大限度的重合，這樣就產生了明亮清晰的多種顏色的飛秒激光脈沖。平移位于非線性透明介質11后的光譜儀12，逐個測量不同級次的多色光光譜。值得注意的是，調節高平反射鏡7和8，可以改變長、短波段兩束光束之間的夾角，從而起到調諧的作用。
[0010]本發明具有以下顯著的特點:
[0011](a)本發明是一個模塊化的多色光產生裝置，可以直接通過換不同分色鏡和反射鏡來調節裝置，使得裝置適用于不同波段的入射激光脈沖。
[0012](b)該發明裝置結構簡單，僅僅利用幾塊反射鏡、一塊分色鏡和一對啁啾鏡，就產生了多個顏色的飛秒激光脈沖。
[0013](c)該裝置中對于入射激光脈沖的能量范圍可以很大，因為可以選擇不同材料不同厚度的非線性透明介質，選擇合適材料和厚度的非線性透明介質，可以獲得較高能量，脈寬少于10飛秒的多色激光脈沖。
[0014](d)本發明裝置中，啁啾鏡對帶有正啁啾的入射光的補償作用，使得短波段光束為負啁啾，而長波段沒有經過啁啾補償，本身就為正啁啾，這樣產生的頻率上轉換光就帶有一定量的負啁啾，通過玻璃片就可以對其脈寬進行壓縮。
[0015](e)通過控制入射光能量、脈寬和非線性透明介質的厚度，可以達到控制產生的多色激光脈沖的能量和脈寬。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明多色飛秒激光產生裝置實施例的光路結構圖。
[0017]圖2是本實施例的入射光光譜圖。
[0018]圖3是短波段光譜圖。
[0019]圖4是長波段光譜圖。
[0020]圖5是利用本發明裝置，在入射光波段為640_910nm，短波段光束在啁啾鏡之間來回反射4次，長波段和短波段光束以夾角為Θ =4.09°重合于厚度為2.0mm的Sapphire晶體上，所產生的多色飛秒激光脈沖。
[0021]圖6是利用本發明裝置，在其他條件不變，非線性透明介質換為厚度為0.15mm的Sapphire晶體,所產生的多色飛秒激光脈沖。【具體實施方式】
[0022]先請參閱圖1，圖1為本發明多色飛秒激光產生裝置實施例的光路結構圖。由圖可見，本發明多色飛秒激光產生裝置，包括:沿入射激光I的前進的方向，依次是第一小孔光闌2、平凸透鏡3和分色鏡4，入射激光經所述的分色鏡4分為透射光束和反射光束，沿反射光束方向依次經長通濾波片13、延時器14、第二小孔光闌15和第三高平反射銀鏡9，入射到非線性透明固體介質11上，所述的透射光束依次經過啁啾鏡10、第一高平反射銀鏡7和第二高平反射銀鏡8，入射到所述的非線性透明介質11上，入射到所述的非線性透明介質11的所述的透射光束和反射光束具有一定夾角，調節所述的延時器，使得兩光束在時間和空間很好的重合，從而產生多色飛秒激光脈沖。所述的延時器14為由兩塊高平反射銀鏡
5、6與在同時位于同一平移臺構成。
[0023]對通過空心光纖展寬后的入射激光束1，由分色鏡4分成兩路，產生了不同級次的多色飛秒激光脈沖。在本實施例的光路中，激光器系統產生的入射激光束I的中心波長為800nm，重復頻率為IkHz，脈寬為40fs的激光束通過充有I個大氣壓氬氣的空心光纖展寬后，光譜范圍展寬成了 610-910nm (如圖2所示)，展寬后的入射激光束I依次經過小孔光闌2，焦距為f=50cm的平凸透鏡3，再經過截止波長為805nm的分色鏡4的反射和透射，分成了兩路光束。經分色鏡4反射的一路光束，通過截止波長為SOOnm的長通濾波片13，其光譜為790—910nm (如圖4所示)，能量為6.6 μ J，經過時間分辨率為3fs的延時器14，再經高平反射銀鏡9，入射到非線性透明介質11上，另一路光束經分色鏡透射，光譜為610-805nm(如圖3所示)，能量為7.0 μ J，經過啁啾參數為_40fs2的啁啾鏡10來回反射4次，使得光束帶有一定量的負啁啾，再經過高平反射銀鏡7和8也入射到非線性透明介質11上。兩路光束最后以夾角為θ=4.09°，重合于非線性透明介質11上，調節高平反射銀鏡7和8，使得兩路光束在空間上最大限度的重合，調節延時器14，使得兩路光束在時間上很好的重合，由于介質中的級聯四波混頻(CFWM)過程便在非線性透明介質11后，獲得了不同波長，不同顏色的多色飛秒激光脈沖。在本實施案例中非線性透明介質11先是用了厚度為2.0mm的Sapphire晶體,得到的實驗結果如圖5所示，圖5中(a)圖asl是測得的一級頻率上轉換光的光譜圖，(b)圖as2是測得的二級頻率上轉換光的光譜。從光譜譜寬來說，兩級次光譜進行傅里葉極限變換，都達到了 IOfs以下。圖6是用厚度為0.15mm的Sapphire晶體作為非線性透明介質所得到的實驗結果。圖6中(a)圖asl是測得的一級頻率上轉換光的光譜圖，(b)圖as2是測得的二級頻率上轉換光的光譜圖。從光譜形狀來看，啁啾量比較大，但是產生的多色光的傅里葉極限轉換脈寬少于10fs。結合圖3和圖4，可見，選擇合適厚度的非線性材料，對光束進行合適的啁啾補償就可以得到窄脈寬(少于10fs)、較高能量(μ J量級)的高斯型多色激光脈沖。
【權利要求】
1.一種多色飛秒激光產生裝置，特征在于其構成包括:沿入射激光(I)的前進的方向，依次是第一小孔(2)光闌、平凸透鏡(3)和分色鏡(4)，入射激光經所述的分色鏡(4)分為透射光束和反射光束，沿反射光束方向依次經長通濾波片(13)、延時器(14)、第二小孔光闌(15)和第三高平反射銀鏡(9)，入射到非線性透明固體介質(11)上，所述的透射光束依次經過啁啾鏡(10)、第一高平反射銀鏡(7)和第二高平反射銀鏡(8)，入射到所述的非線性透明介質(11)上，入射到所述的非線性透明介質(11)的所述的透射光束和反射光束具有一定夾角，調節所述的延時器，使得兩光束在時間和空間很好的重合，從而產生多色飛秒激光脈沖。
2.根據權利要求1所述的多色飛秒激光產生裝置，其特征在于所述的延時器(14)為由兩塊高平反射銀鏡(5、6)與在同時位于同一平移臺構成。
【文檔編號】G02F1/35GK103576411SQ201310419366
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】劉軍, 劉奇福, 李方家, 趙冠凱, 張素俠 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所