[发明专利]具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置

说明书

一种具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置，包括第一掺镱皮秒激光器和第二掺镱皮秒激光器，在所述的第二掺镱皮秒激光器的激光输出方向依次是分束片、凸透镜、充有惰性气体的空心光纤装置、凹面镜和啁啾镜组，所述的第一掺镱皮秒激光器输出的激光经反射镜在所述的分束片与所述的第二掺镱皮秒激光器输出的激光合束，经所述的凸透镜、充有惰性气体的空心光纤装置、凹面镜和啁啾镜组输出具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲。本发明装置具有抗时间抖动的稳健性，能产生具有高峰值功率、高平均功率、高重复频率的光束质量得到改善和优化的飞秒脉冲，有利于强场物理的相关研究。

技术领域

本发明涉及超强超短激光脉冲，特别是一种具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置，以利于强场超快物理的相关研究。

背景技术

基于钛宝石激光器的超短超强激光脉冲经历了快速的技术进步，成为了许多超快科学研究的有力工具，例如原子分子系统的时间分辨测量、高次谐波产生、激光粒子加速等领域。钛宝石激光器的主要优势在于其较宽的增益带宽，可产生小于30fs的短脉冲。虽然这些光脉冲的峰值功率对于探测非微扰物理过程是充足的，但由于钛宝石激光器较高的量子缺陷，产生光脉冲的重复频率和平均功率较低。然而，很多强激光物理过程不仅要有高峰值功率，也需要高重复频率及高信噪比的光脉冲。为了获得高平均功率的激光，需要使用新的激光介质，比如镱。

虽然掺镱激光器的平均功率很高，但其增益带宽较窄，输出脉冲的时域宽度通常为皮秒量级。而大多数前沿研究，需要短于100fs的光脉冲。因此，要采用非线性压缩来实现这一目标。皮秒或飞秒脉冲非线性压缩的原理是通过脉冲在透明介质中的非线性传输，得到强度梯度注入的频谱展宽，称为自相位调制效应。对于高斯型脉冲，被展宽的频谱带线性啁啾。在啁啾补偿后，脉冲宽度最终被压缩。目前存在多种非线性压缩的方案，例如使用一片或几片固体透明材料、一个气室或一段波导。近年来，国内外多个小组相继进行了借助空心光纤结构对高平均功率激光压缩的研究，充分利用了其大的频谱展宽和好的空间模式控制的优势。例如，Emaury等人实验证明了输出接近1ps脉宽的激光源和Kagome光纤能够产生10W平均功率和88fs宽度的脉冲。之后，相应的输出参数分别提高到了46W和108fs。等人利用Kagome光纤进行非线性压缩获得了更高的平均功率，能产生76W和31fs的激光脉冲。然而，Kagome光纤由于空心孔径很小，限制了输入脉冲能量、最大只能为几十微焦。对于毫焦量级能量的超强激光脉冲，可通过充气空心光纤来进行光谱展宽，这类光纤的内径为几百微米。充气空心光纤已经成为了在可见和红外波段范围的飞秒脉冲的重要压缩器，可以用于同时具有高平均功率和高峰值功率的激光脉冲。例如，Rothhardt等人使用了内径均为250μm的两级充气空心光纤将210fs脉冲压缩到7.8fs，并且该脉冲有53W高平均功率和25GW高峰值功率。等人通过一个小于300fs激光源和两级250μm内径、1m长的空心光纤，获得了小于2个光周期、216W高平均功率和17GW高峰值功率的脉冲。然而，对于皮秒脉冲，由于脉冲较低的光强梯度和大口径空心光纤较小的非线性，其频谱展宽程度很小。单纯地增加输入脉冲能量或充入空心光纤中气体的气压，会导致脉冲能量复杂的时空分布，以及较差的模式形状。

虽然一些小组曾经使用过双色激光脉冲通过空心光纤压缩来展宽光谱，但他们都用的是两束飞秒脉冲，借助自相位调制和交叉相位调制效应引起频谱展宽。另一方面，等人报道了利用压缩频率梳的方式来产生高功率亚皮秒的脉冲，具体是将两束接近1μm中心波长的窄线宽连续波激光耦合到光纤中，借助级联四波混频效应产生频率梳。鉴于这两种技术各自的优越性，将二者联系起来，比如：相比于飞秒或连续光，输入脉冲是皮秒量级；把自相位调制、交叉相位调制和四波混频效应都用于频谱展宽，从而形成一个分立带状的光谱。

发明内容

本发明要解决的问题就是提供一种具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置。该装置具有抗时间抖动的稳定性，能产生具有高峰值功率、高平均功率、高重复频率的光束质量得到改善和优化的飞秒脉冲，有利于强场物理的相关研究。

本发明的技术解决方案如下：