[发明专利]用于产生自参照光学梳形频谱的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生时间等距短激光脉冲的经补偿序列的方法，时间等距短激光脉冲的梳形频谱包括单线，这些单线的载波包络偏移频率稳定在预定的值，本发明还涉及用于产生这种短激光脉冲序列的设备。“稳定”这里指的是将幅值设定为恒定值。稳定到预定值因此包括设定幅值，以使该幅值具有相对于时间保持恒定的预定值。

背景技术

短激光脉冲序列可以利用所谓的耦合模激光器产生。在激光介质中，利用激光器的谐振器中带宽足够宽的激光跃迁，可以激发出非常多的各种频率的自振荡。这种自振荡也称为模。借助适当的机构，可以在自振荡之间产生一致的相位关系。这就是所谓的模同步或模耦合。由于存在模耦合，所以在激光器的谐振器中以对应于激光脉冲的循环周期的时间间隔τ_R发射短激光脉冲。脉冲时间等距的直接结果就是这种激光器的频谱由等距单线构成，即所谓的梳形频谱。由于存在这种关系，所以产生这种短激光脉冲序列或者改型短激光脉冲序列的方法或设备也可以分别称为产生梳形频谱的方法或设备。频率空间中单线之间的距离Δf对应于谐振器中循环周期值τ_R的倒数。因此，适用：Δf＝1/τ_R。

从L.Xu等人在Opt.Lett.21，2008等(1996)上发表的文章“Route to phase control of ultrashort light pulses(超短光脉冲的相位控制的途径)”可知，单线i的频率f_i并不是频率差Δf的整数倍。相反，对于单线i的频率f_i存在以下关系：f_i＝f_CEO+iΔf。这里，f_CEO表示文献中称为载波包络偏移(CEO)频率的偏移频率。该偏移频率由以下情形产生：激光脉冲群速度分别偏离单个叠加激光模或者单线的相位速度。通常，单个激光模的电场以比激光脉冲包络略高的相位速度通过激光器的谐振器中的电介质传播。这导致谐振器中每次循环时，包络和单模之间存在相位偏移相对于时间来说，该偏移量意味着时间偏移发生在电场出现最大幅值和包络出现最大幅值之间。该时间偏移通常也称为载波包络偏移相位而时间偏移由正确给出，其中v₀是激光脉冲的载波频率。

由于载波包络偏移频率f_CEO的幅度主要取决于环境因素，例如温度和气压，而且也取决于激光介质的泵浦性能等，这里仅仅列举部分因素而非全部因素，所以，载波包络偏移频率相对于时间并不稳定。

在现有技术中，已经提出了许多方法来确定载波包络偏移频率f_CEO。H.R.Telle等人在Appl.Phys.B 69，327等(1999)上发表的公开出版物“Carrier-envelope offset phase control：A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation(载波包络偏移相位控制：用于绝对光学频率测量以及超短脉冲产生的新颖概念)”也描述了一些可行的方法。最为常用的是所谓的f-to-2f干涉法，其中部分激光信号导入干涉仪中。在干涉仪中，利用非线性光学处理来分别产生低能激光模或者梳形频谱低能单线的二次谐波，并使其与激光脉冲的梳形频谱的高能(高频)单线一起发生干涉。如果f_i是来自梳形频谱f_i＝i·Δf+f_CEO低能区域的频率，则在倍频后适用2f_i＝(2i·Δf+2f_CEO)。因此，如果倍频后的单线与二倍频率的单线f_2i＝2i·Δf+f_CEO发生干涉，则2f_i-f_2i＝(2iΔf+2f_CEO)-(2iΔf+f_CEO)＝f_CEO产生差拍信号。因此，差拍信号的频率直接表示载波包络偏移频率。

对于某些应用场合，知道载波包络偏移频率就足够了。但是，对于另一些应用场合，希望和/或需要保持基本电场和激光脉冲包络之间的相位偏移不变，优选使其最小为零。

例如，当产生脉冲长度处于阿秒范围内的短脉冲时，这是具有优势和/或是必须的。