[发明专利]载波相位自稳定的中红外飞秒激光脉冲产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术领域，特别是涉及一种载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲激光产生方法及装置。

背景技术

飞秒激光脉冲作为研究瞬态超快现象及强场物理规律的有力工具，一直是激光技术领域最热门的研究内容之一。对于周期量级飞秒脉冲，载波包络相位(简称载波相位)是一个极其重要的参数，代表了飞秒脉冲的电场分布。由于飞秒振荡器中色散元件的存在，通常相邻脉冲之间具有一个载波相位漂移ΔΦ，如图1所示。近年来，通过自参考、差频、光谱干涉等测量载波相位技术，结合电子锁相环技术已经成功实现了飞秒脉冲载波相位的稳定控制(文献1.D.J.Jones etal，Science288 635(2000)；文献2.Fuji T，et al Opt.Lett.30332(2005)；文献3.Baltuska A et al，Nature421611(2003))，并且由此推动了频标、阿秒等前沿领域的革命性进展。例如，借助载波相位稳定的飞秒放大激光脉冲驱动惰性气体产生高次谐波技术，所合成的极紫外激光脉冲的脉宽已经达到了80as(1阿秒＝10^-18秒)(文献4.E.Goulielmakis et al，Science320，1614(2008))，为研究原子内电子运动规律提供了最佳手段。

为了产生更深紫外、更短脉宽的阿秒脉冲，需要采用长波长的飞秒脉冲作驱动源(文献5.B.Shan et al，Phys.Rev.A65，011804(2001))，特别是载波相位稳定的中红外飞秒激光脉冲源。在可见和近红外波段，获得超短脉冲激光通常都采用谐振腔锁模技术，但是由于缺乏合适的激光增益介质，这种技术很难直接应用到中红外区。超短中红外激光脉冲的产生主要是利用了非线性频率转换技术，将可见的超短脉冲频率下转换到中红外区，所采用的技术包括：光学参量振荡(OPO)，参量放大(OPA)，四波混频(FWM)及差频产生(DFG)等，其中参量振荡法需要谐振腔的精确匹配，并且对输入光及非线性晶体的要求较高；参量放大要求泵浦光能量很高，且受晶体材料透光范围限制，输出光调谐范围相对较小。四波混频属于三阶非线性，效率较低。相比之下，差频法具有单通实验结构无需复杂腔型调整、输出激光调谐范围宽、效率较高等综合优点，因而受到了研究者的青睐。

差频法产生中红外飞秒脉冲的技术方案及装置很多，通常都采用钛宝石振荡器或放大器输出的飞秒脉冲进行频率转换。如文献6(MiriamR.X.de Barrors et al，Opt.Lett.，205(1995))采用同步双波长钛宝石振荡器输出的激光在AgGaS₂晶体中差频获得重复频率在82MHz的中红外飞秒激光，调谐范围为7.5m-12.5m，脉宽在450fs-650fs这一范围内波动。文献7(J.Song et al，Opt.Lett.，273(2002))以双波长钛宝石放大激光作差频源，AgGaS₂为差频晶体，混合得到脉宽730fs、9m-11m范围内可调谐的中红外脉冲输出。文献8(James M.Fraser et al，App1.Phys，3621(1997))利用84MHz，90fs的钛宝石振荡器泵浦实现OPO振荡后，再利用信号光和闲频光在AgGaSe₂晶体中差频产生中红外飞秒脉冲，差频产生的中红外调谐范围为8m-18m，脉宽为310fs。

以上技术方案及装置光路结构复杂，需要分光调延时光路，而且产生的中红外波长范围偏远红外端、脉宽较宽，特别是中红外飞秒脉冲的载波相位随时间在漂移，无法用做阿秒产生的驱动源。文献9(R.A.Kaindl et al，Opt.Lett.，2311(1998))采用钛宝石振荡器输出的20fs脉冲分别注入到GaSe晶体和GaAs晶体中，得到了调谐范围为9～18m，脉宽140fs的中红外激光输出。这种技术原理上通过对同一束光的差频自动将载波包络相位消除，得到的是载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲，但是由于采用的飞秒脉冲的光谱范围不够宽，脉宽不够窄，而且没有考虑色散补偿及使用的非线性晶体是双折射相位匹配类型，所以导致产生的中红外脉冲也偏向远红外端，脉宽大于100fs。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明提供一种光路结构简单、脉宽足够窄的载波相位自稳定的中红外飞秒脉冲产生方法及装置。