[发明专利]一种高效率产生紫外飞秒脉冲激光的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于窄带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长 脉冲激光在非线性晶体中和频，高效率地产生紫外飞秒脉冲激光的方法。

背景技术

紫外飞秒脉冲激光，尤其是深紫外波段(DUV，200nm-300nm)的脉冲激光对应着许 多分子重要的电子跃迁波长，也对应着许多分子的电离能。而且，紫外超短脉冲激光可以 在飞秒时间尺度内表征分子中原子的运动。因此，紫外飞秒脉冲激光在化学和生物学研究 中有重要的意义。

在紫外飞秒脉冲激光的产生方面，现在主要有以下两种方案。第一种方案是通过在稀有气 体中的四波混频可以产生脉宽～10fs，波长在～200nm的紫外超短脉冲激光。(T.Fuji，T. Horio，and T.Suzuki.Generation of 12 fs deep-ultraviolet pulses by four-wave mixing through filamentation in neon gas[J]Opt.Lett2007，29：2481-2483)。但是由于三阶非线性效应的效率 太低，利用稀有气体中的四波混频产生的紫外飞秒脉冲能量很低，仅局限在～10μJ。第二 种方案是从钛宝石飞秒脉冲激光出发，利用二阶非线性效应例如倍频及和频来产生紫外飞 秒脉冲激光。从钛宝石飞秒脉冲激光出发需要2～3个飞秒倍频或和频过程才能得到紫外脉 冲激光。对于每一个飞秒脉冲倍频过程，由于飞秒脉冲带宽很宽，即使采用将飞秒脉冲角 色散之后注入以使每一个频率分量在晶体中都满足位相匹配的方法，每一个飞秒脉冲倍频 效率也只有10-20％。因此，产生紫外飞秒脉冲激光的总效率只有～1％甚至更低。

发明内容

针对现有的产生紫外飞秒脉冲激光的技术都存在产生效率过低的特点，本发明的目的 是提出一种简便可行、高效率地产生紫外飞秒脉冲激光的方法。

本发明提出的高效产生紫外飞秒脉冲的方法，从已有的激光源出发，连续采用多次窄 带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长脉冲激光在非线性晶体中和频，直到产生紫外波段的 皮秒啁啾脉冲，然后再利用光栅压缩得到紫外波段的飞秒脉冲。相比于宽带倍频，窄带长 脉冲与宽带啁啾长脉冲和频过程的光谱接收带宽主要由入射的宽带啁啾脉冲与产生的和 频宽带脉冲之间的GVM(群速度失配)决定，而入射窄带长脉冲与另外两个脉冲之间的 GVM作用可以忽略。因此，这种窄带长脉冲与宽带啁啾长脉冲和频效率要高于传统的宽 带倍频效率。从已有的激光源出发，为了得到紫外波段脉冲需要进行多个(一般为3～4个) 的二阶非线性和频过程，提高其中每一个二阶非线性和频过程的效率，产生紫外脉冲的总 效率也会得到提高。

本发明具体采用的两个初始激光源一个为输出脉冲中心波长1053nm，脉冲能量1.5mJ， 脉冲宽度75ps的Nd:YLF再生放大器(High Q Pico-Regen)，另外一个为输出脉冲中心波 长800nm，脉冲能量0.5mJ，脉冲宽度90fs的Ti：sapphire再生放大器(Coherent Libra)。 这两台重复率都为1kHZ的再生放大器时间上能够同步(时间抖动小于1ps)。为了使两个 和频脉冲达到脉宽匹配以提高和频效率，将800nm的90fs脉冲展宽成25ps的啁啾脉冲。 第一步和频由1053nm窄带皮秒激光源与啁啾展宽后的800nm宽带皮秒激光源在β-BBO晶 体中相互作用，产生中心波长在455nm的啁啾皮秒脉冲。为了产生中心波长在紫外的激光 脉冲，这样的和频过程还需要进行多次。具体的实现步骤由表1所示，表中几个和频过程 用到的晶体都是β-BBO。利用初始两个激光源，最终可以得到中心波长在198nm的紫外脉 冲激光。