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CN118315902B - 一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置 - Google Patents

一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置 Download PDF

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CN118315902B CN202410345243.2A CN202410345243A CN118315902B CN 118315902 B CN118315902 B CN 118315902B CN 202410345243 A CN202410345243 A CN 202410345243A CN 118315902 B CN118315902 B CN 118315902B
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Abstract

本发明公开了一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置。所述装置通过利用柱面透镜和长镜对组合来产生精度较高的超快时延扫描脉冲串，与宽光谱时间拉伸脉冲进行和频，从而实现超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串输出。本发明具有实现简单、光谱范围大、扫描速度快、扫描精度高、稳定性高的优点，在物性调控、高分辨率成像、光谱检测等方面具有重要应用前景。

Description

一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，涉及一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置。
背景技术
飞秒脉冲激光由于其持续时间短、峰值功率高、脉冲宽度极窄等特点，在超快测量、精密微纳加工、屈光手术、生物成像、保密光通信等领域应用广泛。前沿基础研究与工业应用迫切需要极短时间内能够快速波长扫描的紫外飞秒激光脉冲串，如光与物质作用研究、生物成像、光谱检测等。
波长扫描飞秒激光主要可以通过几种方式获取：(1)宽带脉冲经过大色散延迟；(2)腔长可调节；(3)腔内可调滤波；(4)傅里叶域锁模。目前已有的波长扫描飞秒激光器的工作波长主要分布在1.0μm以上近红外波段，典型的案例有：华南理工大学研究团队报道的1055～1300nm波长扫描飞秒激光，扫描速度为100kHz(Optics Letters,2022,47(7):1677-1680)；中国香港大学的研究小组研制了中心波长1550nm、102nm宽带的波长扫描飞秒激光，扫描速度达44.5MHz(Optics express,2018,26(4):4370-4381)。然而，尚未有研究报道紫外波段的波长超高速扫描的紫外飞秒激光脉冲串。
发明内容
为了解决上述问题，本发明首次提出一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置。以近红外飞秒激光作为光源，其中一部分用于产生倍频光，并通过柱面透镜与长镜对组合替代传统时延装置，实现具有固定时延的波长扫描脉冲串输出；另一部分通过光谱展宽和脉冲展宽后产生宽光谱时间拉伸脉冲；将超快时延扫描脉冲串与宽光谱时间拉伸脉冲进行和频，从而获得超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串输出。
本发明提供一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，将波长扫描脉冲激光向紫外波段拓展，为物性调控、高分辨率成像、光谱检测等特殊应用提供高精度、高稳定性、宽光谱的波长扫描紫外飞秒激光脉冲串。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，包括近红外飞秒激光、第一分光镜、倍频晶体、第二分光镜、柱面透镜、长镜对、第一半波片、第一偏振分光镜、反射镜、高非线性光纤、色散补偿光纤、第二半波片、第二偏振分光镜、合束镜、第一透镜、和频晶体以及第二透镜；
其中，所述近红外飞秒脉冲激光经过所述第一分光镜，分成两路激光；第一路激光进入所述倍频晶体产生倍频光，倍频光全部透过第二分光镜，经过所述柱面透镜汇聚形成携带角度啁啾的水平光线，入射进所述长镜对，在长镜对中通过角度相关多次反射，在长镜对的入射面输出具有固定时延的脉冲串，再依次经过所述柱面透镜、所述第二分光镜、所述第一半波片、所述第一偏振分光镜、所述合束镜、所述第一透镜后，进入所述和频晶体；第二路激光经过所述反射镜后进入所述高非线性光纤进行光谱展宽，再进入所述色散补偿光纤进行脉冲展宽，形成宽光谱时间拉伸脉冲，再依次经过所述第二半波片、所述第二偏振分光镜、所述合束镜、所述第一透镜后，进入所述和频晶体；所述超快时延扫描脉冲串与所述宽光谱时间拉伸脉冲在所述和频晶体内发生三阶非线性频率变换效应，产生超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，最终由所述第二透镜准直后输出。
进一步地，所述第一分光镜的镀膜对近红外激光波段部分透过，透过率为50～90％。
进一步地，所述倍频晶体为非线性晶体，包括LBO、KTP、KDP、PPLN或PPLT，用于对所述第一路激光进行二阶非线性频率变换，产生倍频光。
进一步地，所述柱面透镜将所述倍频光形成一维光束阵列，在所述长镜对入射面形成发散角Δθ，因此经过长镜对的多次反射后返回输出的光脉冲具有时延。
进一步地，所述长镜对为两个形成固定夹角α的平面反射镜，两个平面反射镜的间距为L，用于将入射倍频光脉冲通过角度相关多次反射，在入射面输出n个具有固定时延τ的脉冲串，其中，n＝Δθ/α，τ＝2L/c，c为光速。
进一步地，所述n个具有固定时延τ的脉冲串中，单个脉冲的中心波长与倍频光的中心波长相同，单个脉冲的光谱半高宽与倍频光的光谱半高宽相同，经过长镜对后光谱和脉宽不产生任何变化，只是达到复制脉冲的效果。
进一步地，所述高非线性光纤，用于将所述第二路激光的光谱展宽至一个倍频程。
进一步地，所述色散补偿光纤，用于将所述第二路激光的脉冲展宽至时域信号占空比为100％。
进一步地，所述半波片和所述偏振分光镜的组合，包括第一半波片和第一偏振分光镜的组合，以及第二半波片和第二偏振分光镜的组合，用于调节激光偏振态，使两路激光的偏振方向与所述和频晶体匹配。
进一步地，所述和频晶体为非线性晶体，包括LBO、BBO、BIBO或CLBO，用于将所述超快时延扫描脉冲串与所述宽光谱时间拉伸脉冲和频，产生波长分为λ1、λ2…λn的超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，λ1<λ2<…<λn，其中，1～n为时间顺序上从前往后的第1～n个脉冲。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明通过利用柱面透镜和长镜对组合来产生精度较高的超快时延扫描脉冲串，与宽光谱时间拉伸脉冲进行和频，从而实现超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串输出。这种方法具有实现简单、光谱范围大、扫描速度快、扫描精度高、稳定性高的优点，在物性调控、高分辨率成像、光谱检测等方面具有重要应用前景。
附图说明
图1为本发明具体实施例中超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串实现原理图；
图3为本发明具体实施例中通过和频产生波长扫描紫外飞秒激光脉冲串的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的一个实施例。但是，此处描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例：
一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，如图1所示，包括近红外飞秒激光1、第一分光镜2、倍频晶体3、第二分光镜4、柱面透镜5、长镜对6、第一半波片7、第一偏振分光镜8、反射镜9、高非线性光纤10、色散补偿光纤11、第二半波片12、第二偏振分光镜13、合束镜14、第一透镜15、和频晶体16以及第二透镜17；
其中，所述近红外飞秒脉冲激光1经过所述第一分光镜2，分成两路激光；第一路激光进入所述倍频晶体3产生倍频光，倍频光全部透过第二分光镜4，经过所述柱面透镜5汇聚形成携带角度啁啾的水平光线，入射进所述长镜对6，在长镜对6中通过角度相关多次反射，在长镜对6的入射面输出具有固定时延的脉冲串，再依次经过所述柱面透镜5、所述第二分光镜4、所述第一半波片7、所述第一偏振分光镜8、所述合束镜14、所述第一透镜15后，进入所述和频晶体16；第二路激光经过所述反射镜9后进入所述高非线性光纤10进行光谱展宽，再进入所述色散补偿光纤11进行脉冲展宽，形成宽光谱时间拉伸脉冲，再依次经过所述第二半波片12、所述第二偏振分光镜13、所述合束镜14、所述第一透镜15后，进入所述和频晶体16；所述超快时延扫描脉冲串与所述宽光谱时间拉伸脉冲在所述和频晶体内发生三阶非线性频率变换效应，产生超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，最终由所述第二透镜17准直后输出。
为了便于理解超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串的产生过程，图2提供了此种激光的实现原理图，分为超快时延扫描脉冲串产生、超快波长扫描脉冲产生2个过程；超快时延扫描脉冲串产生包括从近红外飞秒激光到倍频飞秒激光，再到超快时延波长飞秒激光的3个状态；超快波长扫描脉冲产生包括从近红外飞秒激光到宽光谱近红外飞秒激光，再到宽光谱时域拉伸脉冲激光的3个状态；
近红外飞秒激光1的中心波长位于λ0，光谱半高宽为Δλ；
进一步地，所述第一分光镜2的镀膜对近红外激光波段部分透过，透过率为50～90％，将飞秒脉冲激光按比例分成两路激光。
进一步地，所述倍频晶体3为非线性晶体，包括LBO、KTP、KDP、PPLN或PPLT，用于对所述第一路激光进行二阶非线性频率变换，产生倍频光光，其中心波长位于λ1/2，λ1/2＝λ0/2，光谱半高宽为Δλ1/2。
进一步地，所述柱面透镜5将所述倍频光形成一维光束阵列，在所述长镜对6入射面形成发散角Δθ，因此经过长镜对的多次反射后返回输出的光脉冲具有时延。
进一步地，所述长镜对6为两个形成固定夹角α的平面反射镜，两个平面反射镜的间距为L，用于将入射倍频光脉冲通过角度相关多次反射，在入射面输出n个具有固定时延τ的脉冲串，其中，n＝Δθ/α，τ＝2L/c，c为光速。
进一步地，所述n个具有固定时延τ的脉冲串中，单个脉冲的中心波长位于λ1/2，光谱半高宽为Δλ1/2，单个脉冲的中心波长与倍频光的中心波长相同，单个脉冲的光谱半高宽与倍频光的光谱半高宽相同，经过长镜对6后光谱和脉宽不产生任何变化，只是达到复制脉冲的效果。
具体实现中，长镜对为一对长25cm的平面反射镜，其镀膜对倍频光波段反射率超过99.9％；
进一步地，所述高非线性光纤10，用于将所述第二路激光的光谱展宽至一个倍频程，展宽后光谱半高宽为ΔλSC。
进一步地，所述色散补偿光纤11，用于将所述第二路激光的脉冲展宽至时域信号占空比为100％。
进一步地，所述半波片和所述偏振分光镜的组合，包括第一半波片7和第一偏振分光镜8的组合，以及第二半波片12和第二偏振分光镜13的组合，用于调节激光偏振态，使两路激光的偏振方向与所述和频晶体16匹配。
进一步地，所述和频晶体16为非线性晶体，包括LBO、BBO、BIBO或CLBO，用于将所述超快时延扫描脉冲串与所述宽光谱时间拉伸脉冲和频，产生波长分为λ1、λ2…λn的超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，λ1<λ2<…<λn，其中，1～n为时间顺序上从前往后的第1～n个脉冲，如图3所示，其中，图3中的a图为经长镜对复制后的倍频光脉冲串示意图，图3中的b图为经过光谱展宽和脉冲展宽后的第二路激光脉冲示意图，图3中的c图为和频后的激光脉冲串示意图。
在其中一个实施例中，一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生系统各部分器件的具体选型参数如下：近红外飞秒激光1中心波长为λ0＝1064nm，光谱半高宽为Δλ＝8nm，重复频率为100MHz，单脉冲宽度为270fs，最高输出功率为100W；第一分光镜2镀膜对1064nm波段透过率为50％，将1064nm飞秒激光分为功率相同的两路激光；倍频晶体3为Ⅰ类相位匹配LBO晶体(o+o→e)，其尺寸为3×3×30mm3，将第一分光镜透射的1064nm飞秒激光进行倍频，产生输出功率为24W、中心波长为λ1/2＝532nm、光谱半高宽为Δλ1/2＝6nm的倍频飞秒激光；532nm飞秒激光依次经过第二分光镜4、柱面透镜5、长镜对6后，产生532nm超快时延波长飞秒脉冲串。第一分光镜反射的1064nm飞秒激光经过反射镜9反射后耦合进入高非线性光纤10，输出的1064nm激光光谱被展宽至ΔλSC＝200nm；接着入射进入色散补偿光纤11，由于1064nm脉冲各频率成分经历不同的相移，从而实现脉冲展宽，展宽后单脉冲宽度为2ps；第一半波片7与第一偏振分光镜8的组合、第二半波片12与第二偏振分光镜13的组合分别用于调节两路激光的偏振方向，使两路激光的偏振方向相互垂直；合束镜14将两路激光合束，经过第一透镜15聚焦进入和频晶体16；和频晶体16为Ⅱ类相位匹配LBO晶体(o+e→e)，其尺寸为3×3×20mm3，用于将532nm超快时延波长飞秒脉冲串与1064nm宽光谱时域拉伸脉冲激光进行和频，产生超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，最终由第二透镜17准直后输出。
进一步的，在两路激光进行和频时，1064nm宽光谱时域拉伸脉冲激光的不同频率分量分别与符合相位匹配的单个532nm脉冲和频，最终输出343-365nm超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串。
进一步的，超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串的扫描速度为100MHz，扫描范围22nm。
在其中一个实施例中，一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生系统各部分器件的具体选型参数如下：近红外飞秒激光1中心波长为λ0＝1064nm，光谱半高宽为Δλ＝2nm，重复频率为1GHz，单脉冲宽度为605fs，最高输出功率为50W；第一分光镜2镀膜对1064nm波段透过率为80％，将1064nm飞秒激光分为两路激光；倍频晶体3为Ⅱ类相位匹配KTP晶体(o+e→e)，其尺寸为4×4×10mm3，将第一分光镜透射的1064nm飞秒激光进行倍频，产生输出功率为8W、中心波长为λ1/2＝532nm、光谱半高宽为Δλ1/2＝1.8nm的倍频飞秒激光；532nm飞秒激光依次经过第二分光镜4、柱面透镜5、长镜对6后，产生532nm超快时延波长飞秒脉冲串。第一分光镜反射的1064nm飞秒激光经过反射镜9反射后耦合进入高非线性光纤10，输出的1064nm激光光谱被展宽至ΔλSC＝100nm；接着入射进入色散补偿光纤11，由于1064nm脉冲各频率成分经历不同的相移，从而实现脉冲展宽，展宽后单脉冲宽度为0.8ps；第一半波片7与第一偏振分光镜8的组合、第二半波片12与第二偏振分光镜13的组合分别用于调节两路激光的偏振方向，使两路激光的偏振方向相互垂直；合束镜14将两路激光合束，经过第一透镜15聚焦进入和频晶体16；和频晶体16为Ⅱ类相位匹配BBO晶体(o+e→e)，其尺寸为4×4×7mm3，用于将532nm超快时延波长飞秒脉冲串与1064nm宽光谱时域拉伸脉冲激光进行和频，产生超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，最终由第二透镜17准直后输出。
进一步的，在两路激光进行和频时，1064nm宽光谱时域拉伸脉冲激光的不同频率分量分别与符合相位匹配的单个532nm脉冲和频，最终输出349-360nm超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串。
进一步的，超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串的扫描速度为1GHz，扫描范围11nm。
本发明提供的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，将波长扫描脉冲激光向紫外波段拓展。该波长扫描紫外激光可应用于物性调控、高分辨率成像、光谱检测等领域。
上述的一个示例性的实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于：包括近红外飞秒激光（1）、第一分光镜（2）、倍频晶体（3）、第二分光镜（4）、柱面透镜（5）、长镜对（6）、第一半波片（7）、第一偏振分光镜（8）、反射镜（9）、高非线性光纤（10）、色散补偿光纤（11）、第二半波片（12）、第二偏振分光镜（13）、合束镜（14）、第一透镜（15）、和频晶体（16）以及第二透镜（17）；
其中，所述近红外飞秒脉冲激光（1）经过所述第一分光镜（2），分成两路激光；第一路激光进入所述倍频晶体（3）产生倍频光，倍频光全部透过第二分光镜（4），经过所述柱面透镜（5）汇聚形成携带角度啁啾的水平光线，入射进所述长镜对（6），在长镜对（6）中通过角度相关多次反射，在长镜对（6）的入射面输出具有固定时延的超快时延扫描脉冲，再依次经过所述柱面透镜（5）、所述第二分光镜（4）、所述第一半波片（7）、所述第一偏振分光镜（8）、所述合束镜（14）、所述第一透镜（15）后，进入所述和频晶体（16）；第二路激光经过所述反射镜（9）后进入所述高非线性光纤（10）进行光谱展宽，再进入所述色散补偿光纤（11）进行脉冲展宽，形成宽光谱时间拉伸脉冲，再依次经过所述第二半波片（12）、所述第二偏振分光镜（13）、所述合束镜（14）、所述第一透镜（15）后，进入所述和频晶体（16）；所述超快时延扫描脉冲串与所述宽光谱时间拉伸脉冲在所述和频晶体内发生三阶非线性频率变换效应，产生超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，最终由所述第二透镜（17）准直后输出。
2.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述第一分光镜（2）的镀膜对近红外激光波段部分透过，透过率为50~90%。
3.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述倍频晶体（3）为非线性晶体，包括LBO、KTP、KDP、PPLN或PPLT，用于对所述第一路激光进行二阶非线性频率变换，产生倍频光。
4.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述柱面透镜（5）将所述倍频光形成一维光束阵列，在所述长镜对（6）入射面形成发散角Δθ。
5.根据权利要求4所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述长镜对（6）为两个形成固定夹角α的平面反射镜，两个平面反射镜的间距为L，用于将入射倍频光脉冲通过角度相关多次反射，在入射面输出n个具有固定时延τ的脉冲串，其中，n=Δθ/α，τ=2L/c，c为光速。
6.根据权利要求5所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述n个具有固定时延τ的脉冲串中，单个脉冲的中心波长与倍频光的中心波长相同，单个脉冲的光谱半高宽与倍频光的光谱半高宽相同，经过长镜对（6）后光谱和脉宽不产生任何变化，只是达到复制脉冲的效果。
7.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述高非线性光纤（10），用于将所述第二路激光的光谱展宽至一个倍频程。
8.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述色散补偿光纤（11），用于将所述第二路激光的脉冲展宽至时域信号占空比为100%。
9.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述半波片和所述偏振分光镜的组合，包括第一半波片（7）和第一偏振分光镜（8）的组合，以及第二半波片（12）和第二偏振分光镜（13）的组合，用于调节激光偏振态，使两路激光的偏振方向与所述和频晶体（16）匹配。
10.根据权利要求1所述的一种超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串产生装置，其特征在于，所述和频晶体（16）为非线性晶体，包括LBO、BBO、BIBO或CLBO，用于将所述超快时延扫描脉冲串与所述宽光谱时间拉伸脉冲和频，产生波长分为λ1、λ2…λn的超快时延波长扫描紫外飞秒激光脉冲串，λ1<λ2<…<λn，其中，1~n为时间顺序上从前往后的第1~n个脉冲。
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