一種利用晶體的雙折射補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于超短脈沖激光技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用晶體的雙折射補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置。本發(fā)明設(shè)計的補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置，由兩片光軸相互垂直的雙折射晶體構(gòu)成，通過旋轉(zhuǎn)晶體改變激光入射角，可改變不同頻率的激光在其中積累的光程，從而改變相對時延。本發(fā)明裝置成本低，體積小，無需分光；僅通過旋轉(zhuǎn)晶體改變?nèi)肷浣?，即可?至12.5微米的紅外波段、在飛秒級的精度上、對相對時延實現(xiàn)連續(xù)的補(bǔ)償。實驗表明加入該裝置后，常用的飛秒差頻系統(tǒng)（市場占有率最高的品牌之一）輸出效率可增至160%以上。
【專利說明】
一種利用晶體的雙折射補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于超短脈沖激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的超短激光脈沖時延補(bǔ)償 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外光譜是科研和工業(yè)中最重要的實驗測量技術(shù)之一。使用超短脈沖激光進(jìn)行超 快時間分辨紅外測量，在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、等眾多學(xué)科的領(lǐng)域前沿占有十分重要的地 位。
[0003] 光學(xué)差頻是產(chǎn)生超短紅外脈沖最重要的方法之一。它是一種二階非線性光學(xué)效 應(yīng)：當(dāng)兩束不同頻率的單色強(qiáng)光(分別被稱為信號光、和閑頻光）同時入射到非線性光學(xué)晶 體中，它們通過晶體的二階非線性光學(xué)極化率發(fā)生耦合，產(chǎn)生頻率為兩入射光頻之差的差 頻光的現(xiàn)象。若信號光和閑頻光之間存在相對時延，兩脈沖在時域上無法完全重合，差頻產(chǎn) 生的效率就會降低。我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，即使是成熟的商業(yè)激光系統(tǒng)，輸出的信號光和閑頻 光之間也會存在相對時延，從而降低了差頻光的輸出功率。
[0004] 這類問題的傳統(tǒng)的解決方法，是使用分束片將信號光和閑頻光分開，讓其經(jīng)過不 同的光程，通過改變光程差以補(bǔ)償相對時延，再合束產(chǎn)生差頻。這種方法在實際應(yīng)用中有很 多局限。首先，需要能高效分離信號光和閑頻光的分束器(合束器），包括二色分束器、或偏 振分束器。其中二色分束器難以區(qū)分波長十分相近的信號光和閑頻光，因而無法用于產(chǎn)生 較長波段的紅外脈沖；而針對超短脈沖激光的偏振分束器往往只適用于特定的波長，難以 運用在需要連續(xù)調(diào)諧的情況下。此外，這類裝置需要微米級的精密平移臺、及多種光學(xué)元件 與機(jī)械裝置，成本很高，占用空間也很大，調(diào)節(jié)往往相當(dāng)繁瑣。
[0005] 為了解決差頻生成中的時延問題，同時克服傳統(tǒng)方法的局限，本發(fā)明設(shè)計出一種 新的補(bǔ)償裝置：由兩片光軸相互垂直兩塊雙折射晶體構(gòu)成，成本低，體積小，無需分光;僅通 過旋轉(zhuǎn)晶體改變?nèi)肷浣?，即可?.5至16微米的紅外波段、對相對時延實現(xiàn)連續(xù)的、飛秒級 的補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種成本低，體積小，無需分光的補(bǔ)償超短激光脈沖時延 的裝置。
[0007] 本發(fā)明提供的補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置，是利用晶體的雙折射原理的，主要 包括:兩片雙折射晶體，其光軸相互垂直。其中，一片晶體的光軸平行于水平面，另一片晶體 垂直于水平面為例。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
[0008] 本發(fā)明中，為確保足夠的時延、同時避免色散引起的過度展寬，晶體的厚度選為 0 · 5-1 · 5 mm之間。
[0009] 信號光與閑頻光沿同一方向傳播，以入射角01進(jìn)入第一片晶體，出射后，再以入射 角92進(jìn)入第二片晶體出射。在常用的差頻生成系統(tǒng)中，信號光和閑頻光的偏振彼此正交，從 而在兩片雙折射晶體中積累了不同的總光程，產(chǎn)生了額外的相對時延。
[0010]設(shè)信號光的偏振方向垂直于水平面。在第一片雙折射晶體中，其偏振方向垂直于 由光軸和光的傳播方向構(gòu)成的主平面，因而是尋常光，折射率只和信號光的波長相關(guān)，和入 射角無關(guān)。在第二片晶體中，其偏振方向平行于主平面，是非常光，折射率與尋常光不同，但 由于光軸方向不隨入射角變化，故其折射率只和波長相關(guān)，同樣和入射角無關(guān)。
[0011]閑頻光的偏振方向平行于水平面。在第一片雙折射晶體中，其偏振方向平行于主 平面，是非常光。由于偏振方向與光軸方向存在一個夾角，夾角隨入射角度的變化而變化， 故折射率除與波長相關(guān)外，還與入射角度相關(guān)。在第二片雙折射晶體中，偏振方向垂直于主 平面，是尋常光，折射率只和波長有關(guān)，與入射角無關(guān)。
[0012] 如此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)兩片晶體時(旋轉(zhuǎn)軸垂直于水平面），入射角Θ#ΡΘ2發(fā)生改變，同時改 變了信號光和閑頻光的相對時延。通過選擇晶片厚度與材質(zhì)，能找到適當(dāng)?shù)慕M合， 完全補(bǔ)償原來存在的相對時延。
[0013] 此外，本發(fā)明中，令兩片雙折射晶體呈"八"字形放置，使光束通過晶片后產(chǎn)生的位 置偏移先后抵消，確保了光束在通過補(bǔ)償器后的重合度。
[0014] 本發(fā)明提出的補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置，無需機(jī)械平移臺及分光元件。
[0015] 本發(fā)明提出的補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置，其兩束超短激光脈沖的頻率可無限 接近。
[0016] 本發(fā)明提出的補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置，也可作為超快動力學(xué)測量中的精密 時延產(chǎn)生裝置。
[0017]有益效果 本發(fā)明裝置，成本很低、占地小，操作方便，有很高的調(diào)節(jié)精度(飛秒級），適用于很寬的 波段范圍：信號光與閑頻光的頻率差沒有限制；當(dāng)用于Ti : Sapphire激光作為栗浦源的光參 量放大器后，可對3-12.5微米的紅外差頻生成實現(xiàn)補(bǔ)償，效率最高可達(dá)原來的165%。
【附圖說明】
[0018] 圖1:裝置原理圖。
[0019] 圖2:實驗數(shù)據(jù)點與理論時延等高線圖符合情況。其中，（a)差頻光波數(shù)為2000 Cnf1Jb)差頻光波數(shù)為1400 cnf1。
[0020] 圖3:有無補(bǔ)償器差頻光生成效率之比。
[0021 ]圖4:有無補(bǔ)償器超短激光脈沖的形狀對比。
【具體實施方式】
[0022]為驗證和測量此裝置的補(bǔ)償效果，我們進(jìn)行了如下實驗。
[0023] 如圖1所示，使用一套以Ti = Sapphire激光作為栗浦源（中心波長800 nm，脈沖寬度 30 fs，重復(fù)頻率I kHz，平均功率2.6 W)的光參量放大器(該系統(tǒng)為市場占有率最高的品牌 之一），出射的信號光和閑頻光的頻率在1200-2600 nm范圍，其中信號光的偏振方向垂直于 水平面，閑頻光的偏振方向平行于水平面。兩束光首先進(jìn)入補(bǔ)償器，再進(jìn)入差頻晶體產(chǎn)生紅 外波段的差頻光，經(jīng)鍺片濾光后，差頻光進(jìn)入光功率計(Thorlabs S302C)。差頻生成的效率 受信號光和閑頻光之間的相對時延的影響，因而通過測量加入補(bǔ)償器前后的差頻光功率的 改變，可以衡量其補(bǔ)償效果。
[0024] 1、理論計算 栗浦光(pump)、信號光(signal )、閑頻光（idler )和差頻光(DFG)的波長存在以下關(guān)系：
[0025] 其中，是激光器泵浦光的波長，實驗中是800 nm，是從OPA中產(chǎn)生的 信號光和閑頻光的波長，1|)#&是由信號光和閑頻光發(fā)生光學(xué)差頻產(chǎn)生的差頻光的波長。
[0026] 由雙折射知識可知，晶體內(nèi)光的折射率與傳播方向無關(guān)，恒為％; e光的折射率 與傳播方向有關(guān)，沿光軸方向的折射率為iV，其它方向的折射率和傳播方向與光軸的夾角 (Θ)有關(guān)，具體變化關(guān)系為： 結(jié)合光的折射定律： 可得：
[0027] 其中，Q1是入射角，m是進(jìn)入晶體前介質(zhì)折射率，nt。和分別是晶體中尋常光和非 常光的折射率。
[0028] -束光以入射角01入射一片厚度為c/的晶體后出射;相對于直接以入射角Qi通過同 樣厚度的直空而言
，產(chǎn)牛的相對時延可以用下式表示：
[0029] 其中，nt為晶體折射率，c/為晶體厚度，分別為入射角和折射角，c是光在真空 中的傳播速度。利用以上公式，可以計算出信號光、與信號光在經(jīng)過補(bǔ)償器后相對于經(jīng)過同 樣厚度的真空產(chǎn)生的時延，二者相減，即為經(jīng)補(bǔ)償器在信號光與閑頻光間生成的額外時延。
[0030] 計算得知，對于實驗中所采用的波段，經(jīng)一片我們選取的厚度為I mm的雙折射晶 體時，能產(chǎn)生的最大時延是30 fs;當(dāng)入射角在45°附近時，入射角每改變1°，延時改變約5 fSo
[0031] 圖2為計算所得補(bǔ)償器產(chǎn)生的額外時延圖。（a)、（b)分別是紅外光波數(shù)為2000 CHf1 和1400 Cnf1時的數(shù)值。圖中橫坐標(biāo)為兩束光在第一片晶體處的入射角Q1，縱坐標(biāo)為第二片 雙折射晶體處的入射角θ 2。計算可得信號光和閑頻光在每一對(Q1J2)下、通過補(bǔ)償器后產(chǎn) 生的額外時延(i:lr)。圖中曲線為一系列的"等高線"，對應(yīng)產(chǎn)生特定額外時延的（G 1J2)的取 值范圍。在這里，當(dāng)信號光的時延大于閑頻光時，取么€符號為正。根據(jù)我們所選取的參數(shù)， 轟t可以連續(xù)地從負(fù)值經(jīng)零變化到正值。當(dāng)入射到補(bǔ)償器的信號光和閑頻光之間本身存在 一定的時延，可以找到一系列入射角的組合，獲得與原本時延相反的額外時延，從而使兩束 脈沖在出射時嚴(yán)格同步，進(jìn)而提高差頻生成的效率。
[0032] 2、實驗結(jié)果 (1)補(bǔ)償器對差頻功率的提升 實驗中，針對每種差頻光波長，我們首先測量加入補(bǔ)償器前的差頻光功率，然后將補(bǔ)償 器加入光路，固定θι，調(diào)節(jié)，當(dāng)差頻光功率達(dá)最大值時，同時記錄三個量：S1，θ2，以及此時 的差頻光功率；隨后，我們改變S 1的值，再次調(diào)節(jié)02直至差頻光功率再度達(dá)到最大，再次記 錄，并重復(fù)以上步驟。
[0033] 實驗結(jié)果如下。首先，在不同紅外差頻光波段、使用不同差頻晶體，本發(fā)明的補(bǔ)償 器都可起到補(bǔ)償作用，輸出功率最高可達(dá)無補(bǔ)償器時的160%以上(如表1與圖3所示）。
[0034] 表1不同波段補(bǔ)償效果
[0035] (2)脈沖形狀對比 由于晶體存在色散，經(jīng)補(bǔ)償器后，信號光和閑頻光的脈沖會發(fā)生展寬，并可能使差頻光 的譜寬變窄。為了觀察加入補(bǔ)償器前后差頻光的光譜，我們將之與另一束波長為800 nm的 窄脈沖(4.2ps)交疊在非線性晶體上，并測量觀察它們所產(chǎn)生的和頻光光譜。由于800 nm脈 沖的譜線遠(yuǎn)窄于紅外脈沖，它們的和頻光譜即反映了紅外脈沖本身的光譜。如圖4所示，橫 坐標(biāo)是紅外光的波數(shù)，縱坐標(biāo)是和頻光強(qiáng)度，加入補(bǔ)償器前后，和頻光譜的形狀和寬度都幾 乎沒有變化，證明我們的補(bǔ)償器不會降低差頻光的光譜質(zhì)量。
[0036] (3)補(bǔ)償原理的驗證 為驗證功率增強(qiáng)的效果確實來自于對信號光和閑頻光間相對時延的補(bǔ)償，我們將差頻 光功率最大化時的（Q1J2)組合以數(shù)據(jù)點標(biāo)出在圖2中?？梢钥吹剑袛?shù)據(jù)點都十分接近計 算所得的"等時延線"，證實了該激光系統(tǒng)輸出的信號光和閑頻光間確實存在相對時延，而 本發(fā)明的裝置可補(bǔ)償這一時延，并有效提升差頻生成效率。
【主權(quán)項】
1. 一種利用晶體的雙折射補(bǔ)償超短激光脈沖時延的裝置，其特征在于，主要包括:兩片 雙折射晶體，兩片晶體的光軸相互垂直，其中一片晶體的光軸平行于水平面，另一片垂直于 水平面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:兩片雙折射晶體的厚度為0.5-1.5 mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:通過旋轉(zhuǎn)晶體改變激光入射角，改變不同 頻率的激光在其中積累的光程，從而改變相對時延。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述兩片雙折射晶體呈"八"字形放置，使 光束通過晶片后產(chǎn)生的位置偏移先后抵消，以確保光束在通過補(bǔ)償器后的重合度。
【文檔編號】H01S3/00GK105914566SQ201610432857
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】劉韡韜, 劉鑫怡, 曹越
【申請人】復(fù)旦大學(xué)