[发明专利]正交偏振双重复频率飞秒激光器

说明书

技术领域

本发明属于超快激光领域，涉及一种飞秒激光器。

背景技术

1991年D.E.Spence发明锁模技术，人类获得飞秒激光脉冲，并用其开展了一系列时间分辨实验，并因此诞生了飞秒化学、飞秒生物学等新兴学科。时间分辨实验可以让人们更加细致地进行超快动力学研究，时间尺度在纳秒或皮秒量级的反应过程，一帧一帧记录下来。此外，相干断层成像、相干控制以及太赫兹时域光谱仪也需要飞秒激光脉冲作为光源。

为了进行时间分辨测量，人们最初采用的是“机械延迟线”的方法(如图1)。用分束片(101)将飞秒激光脉冲分为两束，分别作为泵浦光和探测光，并在其中一束光(通常为探测光)光路中引入时间延迟线(102)，改变延迟量即可“扫描”泵浦光和探测光到达探测器(105)的时间差。图中103为发射器，104为需要测量的样品。机械延迟线法通常采用电控平移台或者电控旋转台来实现时间延迟量的扫描，因此保证机械稳定性和扫描过程中的线性是该方法较难克服的困难。此外，机械延迟线法扫描速度过低，一次皮秒时间尺度的扫描需要数分钟才能完成，无法满足工业领域快速扫描的需求。

为了克服机械延迟线法的缺点，Paul Elzinga发明了“异步采样法”(如图2)。该方法使用两台电路控制同步(201)的飞秒激光器，分别作为泵浦(202)和探测(203)光源。两台激光器输出的飞秒脉冲，其重复频率(典型值80MHz)有微小的差别(典型值1kHz)。当某一时刻，两台激光器的输出的脉冲同时到达探测器(206)，那么下一个脉冲将会有时间差，这个时间差为激光器重复频率倒数的差。图中204为发射器，205为需要测量的样品。异步采样法规避了机械不稳定性等问题，同时可以实现高速扫描，一次皮秒时间尺度的扫描大约只需要1ms。但由于整套实验系统中激光器最为贵重，所以采用两台飞秒激光器的“异步采样法”，其成本大大提高。此外，锁定两台飞秒激光器的重复频率，需要复杂的电路系统，提高了系统复杂度。

为了克服异步采样法高成本的缺点，Thomas Hochrein发明了“调腔采样法”(如图3)。其原理与异步采样类似，区别在于用一台飞秒激光器(301)扮演两台激光器的角色。通过分束镜(302)后，在一段特定时间内(典型值10μs)，激光器输出某特定重复频率的脉冲(探测光)，在下一段特定时间内，输出另一重复频率(泵浦光)，与之前有微小区别。探测光比泵浦光多10μs的光程，保证两束光同步到达样品(303)。该方法巧妙地利用时分复用，将一台飞秒激光器在不同时段内作为泵浦光源和探测光源，大大降低了成本。但是采用该方法，到达探测器的泵浦光和探测光，并不是激光器输出的同一个脉冲，无法保证脉冲相位的相关性，故不能用于相位相关泵浦探测实验，限制了应用范围。此外，不同时段激光器重复频率的电路控制，也是极其复杂的。

本发明介绍了一种单腔双重复频率飞秒激光器(如图4)。其可以克服“机械延迟线法”、“异步采样”、“调腔采样”的诸多缺点，只利用一台飞秒激光器，同时输出重复频率不同的两束飞秒激光脉冲，分别作为泵浦光和探测光。其不仅可以规避机械扫描精度差的缺点，摒弃复杂的电路控制系统，同时还具备低成本的优点，并可以广泛适用于相位相关的泵浦探测实验。

通过在腔内插入双折射元件的方式，使得同一个激光谐振腔内，有偏振状态正交的两束激光起振、锁模并输出飞秒激光脉冲。由于双折射效应，不同偏振的激光在双折射元件内有不同的折射率，即不同的腔长，所以输出的两束飞秒激光，其重复频率有一个固定且微小的差。在腔外利用其偏振特性将两束光分开，即为重频有微小差频的两束飞秒脉冲序列。将其分别作为泵浦-探测系统的光源，即可实现快速时间分辨扫描实验。

发明内容

本发明的目的在于，实现从同一谐振腔中同时输出两个重复频率的飞秒激光脉冲，克服现有电路锁定双重频激光器的缺点，提高频差精度，简化系统复杂度。

本发明装置包含泵浦源和激光谐振腔，谐振腔内有增益晶体、锁模介质、腔镜、双折射元件等。泵浦光聚焦到增益晶体上在激光谐振腔内产生激光，利用锁模介质获得飞秒激光脉冲。谐振腔中有两个偏振态的激光可以同时起振，在腔内插入双折射元件导致对不同的偏振的激光折射率不同，则谐振腔可以输出偏振不同、重复频率也不同的两个飞秒脉冲序列。

正交偏振双重复频率飞秒激光器，其增益晶体衬底是各向同性的，使得谐振腔内的激光，可以以任意偏振方式起振。其增益晶体掺杂离子有较宽的发射谱，使得不同偏振的激光在腔内可以锁模，获得飞秒脉冲。