[发明专利]用于超短激光脉冲表征的光学系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及激光系统和激光脉冲表征方法。特别地，本发明涉及通过检测在非线性光学介质中产生的横向非线性信号(例如，二次谐波产生信号)的单发超短激光脉冲表征的光学系统和方法，其中穿过非线性光学介质传播所述超短激光脉冲。

背景技术

自从Maiman在1960年第一次建设激光器[1]，该领域的一个重要科学技术目标是增加激光束传递的功率，并且探索仅在这样高的电磁场强度下才发生的新现象。该解决方案伴随着在锁模状态下操作的脉冲激光器，其中脉冲的能量在非常短的时间事件中发射。如今，具有飞秒(1fs＝10^-15s)脉冲持续时间的激光器可以产生拍瓦(1PW＝10¹⁵W)级的峰值功率。具有从几个光周期到数百飞秒的持续时间的光脉冲非常短，使得不存在对它们进行测量的直接方法。为此，通常会实现基于非线性光学相互作用(自动校正或互相关诊断)的技术。尽管这些方法可以提供对脉冲持续时间的良好的测量，但是它们通常不提供关于最终确定脉冲形状和持续时间的脉冲的光谱相位的完整信息。因此，这种短期事件的完整表征是非常重要的，并且经常是具有挑战性的。

已经提出了组合自相关和光谱测量的几种方法来克服这个问题并获得脉冲的振幅和相位重构[2-4]。现在最常用的方法是用于直接电场重构(SPIDER)的频率分辨光学门(FROG)或光谱相位干涉法的不同版本。FROG方法依赖于频谱地分辨时间选通信号，并通过频谱地分辨自相关信号产生类光谱图的曲线(trace)，并通过应用于曲线的迭代算法的方式来实现给定脉冲的完整表征[5、6]。另一方面，SPIDER方法依赖于光谱域中的干涉测量：使给定脉冲的频谱干扰其自身的时间和频移复制，并且记录所得到的光谱干涉图[7-9]。两种方法均可以为20-200fs范围内的脉冲提供非常好的结果。然而，标准FROG和SPIDER设备通常对对齐和相位匹配带宽要求非常敏感。即使最近与SPIDER相关的方法部分地克服了这个问题，在上述所有技术中，很少周期的激光脉冲的表征仍然是有挑战性的，并且通常需要特定的调谐和材料以适应脉冲的相关宽带宽。

最近引入基于相位扫描的脉冲表征的另一种方法，被称为多光子脉间干涉相位扫描(MIIPS)[10]。大多通常通过有源脉冲整形装置，将一组已知的频谱相位应用于要表征的脉冲，并且测量所产生的二次谐波产生(SHG)信号。通过发现局部引入的群延迟色散(GDD)量导致给定波长的压缩，直接从轮廓图获得脉冲初始GDD的近似值，而不需要任何数学检索程序[11-13]。然后将脉冲整形装置编程以引入与测量的GDD相对的GDD，并且必须重复整个实验和数值处理，直到达到给定的光谱相位。

最近的一种方法是自参考光谱干涉测量(SRSI)，其中从在非线性晶体中通过交叉极化波产生(XPW)的输入脉冲共线地产生具有平坦光谱相位的参考脉冲。由输入脉冲和参考脉冲的组合产生的光谱干涉模式允许直接检索光谱相位和强度。然而，该方法仅能测量具有非常接近傅立叶极限且不超过该极限2倍的持续时间的脉冲。因此，与大多数其他技术相比，SRSI具有对输入脉冲啁啾声的受限的容限和具有小的测量范围。另一方面，它只能测量放大的激光脉冲，因为XPW是三阶非线性过程，其需要每脉冲几微焦耳的能量来工作。

最近提出的称为色散扫描(d-扫描)的方法可以通过在啁啾反射镜和楔形对压缩器内逐渐插入楔形物并且测量非线性信号的相应光谱来使用一组已知的光谱相位以检索超短激光脉冲的相位，例如，非线性信号为在相位匹配的非线性晶体中产生的二次谐波。脉冲检索是通过整体迭代算法进行[14-16]。在色散扫描方法中，脉冲压缩器被用作诊断工具本身的一部分。与FROG或SPIDER相比，该方法是非常简单和稳健的。然而，基于啁啾反射镜和楔形压缩器的实施方案需要通过逐渐移动其中一个楔形物来扫描该组所施加的色散值的相位。该方法的工作原理非常好，只要激光器发射的脉冲串具有稳定的光谱和光谱相位，但不能在单发(single-shot)配置中工作，其中必须在单个测量和单脉冲中记录脉冲重构所需的所有数据的测量。色散扫描方法需要几个连续的对应于不同的楔形插入的实验步骤，以记录相位重构所需的所有数据。单发方法对于以低重复率的大功率激光器提供的脉冲进行表征至关重要。

因此，与现有技术相比，引入紧凑、稳健、对对准和波长较不敏感的、更便宜的新系统(和方法)，同时能够通过记录单发配置的脉冲重构所需的所有数据来表征超短激光脉冲，对超短激光脉冲的发展和应用具有很高的要求。

发明内容