用于激光脉冲的频谱展宽的设备以及激光系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于激光脉冲的频谱展宽的设备（100）。该设备（100）具有：带凸面镜（122）和凹面镜（121）的多程装置（120），其中凸面镜（122）和凹面镜（121）相对于彼此布置为使得耦合输入到多程装置（120）中的激光脉冲至少一次从凹面镜（121）被反射到凸面镜（122）并且至少一次从凸面镜（122）被反射到凹面镜（121）。该设备（100）还具有非线性光学介质（130），该非线性光学介质至少部分地布置在多程装置（120）内，使得该非线性光学介质（130）被耦合输入到多程装置（120）中的激光脉冲多次穿过。本发明专利技术还涉及一种激光系统（200），该激光系统具有按照本发明专利技术的用于激光脉冲的频谱展宽的设备。发明专利技术的用于激光脉冲的频谱展宽的设备。发明专利技术的用于激光脉冲的频谱展宽的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光脉冲的频谱展宽的设备以及激光系统


[0001]本专利技术涉及一种用于激光脉冲的频谱展宽的设备、一种激光系统和一种多程装置的用于激光脉冲的频谱展宽的用途。因此，本专利技术尤其是在激光


技术介绍

[0002]多程装置是激光束或激光脉冲在其中传播预定次数的循环并且然后被耦合输出的设备。多程装置通常应用于非线性光学过程的应用，诸如激光脉冲的非线性光学频谱展宽的应用，其中非线性光学介质以固体形式和/或以气体形式布置在多程装置中并且在激光脉冲或激光束在多程装置中传播期间被该激光脉冲或该激光束多次穿过。在多程装置中，激光束在自由空间中不受引导地传播，即没有对光束的引导传播，例如在光纤中的情况。多程装置也能用于其它非线性光学过程，诸如用于自频移和自压缩。
[0003]借助于在使用自相位调制（SPM）的情况下的频谱展宽和随后的激光脉冲的时间压缩、例如通过色散镜或通过光栅压缩器的时间压缩进行的非线性脉冲压缩是一种已知技术并且通常应用于飞秒激光系统。在此，经常利用固体非线性光学介质的克尔（Kerr）非线性，该克尔非线性表示非线性光学介质的折射率的强度依赖性。在此，折射率n可以在数学上表示如下：n = n
0 + n2I。
[0004]在此，n0表示与强度无关的折射率，n2表示非线性折射率并且I表示激光脉冲的强度。在此，当具有高峰值强度的激光脉冲传播经过非线性介质时发生的克尔非线性引起随时间的相位的快速调制，该随时间的相位可以表示如下：在此，k
n
表示波数，并且L表示激光脉冲在非线性介质中的传播长度。该随时间的相位也可以称为纵向时间相位，以便表达其对传播长度L的依赖性。随时间的相位的快速调制会导致在激光脉冲的频谱中形成新的频谱分量，原因在于频率是该随时间的相位的时间导数。这在数学上通过来表示，其中ω表示圆频率。通常，激光脉冲的强度取决于光束中的径向位置（表示为r），这会导致光程长度这会导致光程长度的径向或空间依赖性。在大多数的固体非线性介质中，这与按照高斯径向强度分布的激光脉冲的通常的强度分布一起导致激光束在足够高的强度下的自聚焦，借此可能导致激光束轮廓的劣化。由于激光脉冲强度的时间和空间依赖性，激光脉冲频率的频谱分布也可能在SPM之后具有不符合期望的径向空间依赖性。然而，1994年的实验表明：借助于激光脉冲在再生放大器腔中的多程传播可以抑制SPM的不符合期望的自聚焦或者径向的空间累积，而SPM的所希望的纵向相位可以增加（Li Yan, Yuan
‑
Qun Liu和C. H. Lee，“Pulse temporal and spatial chirping by a bulk Kerr medium in a regenerative amplifier”，IEEE J. Quantum Electron.，第30卷，第9期，第2194
‑
2202页，1994年）。在使用激光脉冲的不受引导的传播的情况下的脉冲压缩通常在多程装置中被执行，这些多程装置被设计成赫里奥特池（英文：Herriott Cell，HC），其中非线性光学介质布置在HC中。
[0005]非线性效应和/或累积相移的强度通常就它们的强度而言通过所谓的B积分来被表征或说明。该B积分通常仅针对激光脉冲在光轴上的位置来说明，即在r = 0时在脉冲的中心，并且在数学上表示如下：在此，λ表示激光脉冲的中心波长。B积分与激光脉冲的强度并且与非线性介质中的传播距离基本上成比例。对于所希望的强频谱展宽和高度脉冲压缩来说，高的B积分是合乎需要的。
[0006]然而，非常明显的非线性效应也会带来其它不符合期望的副作用，这些副作用不可能总是被避免并且可能导致各种问题。这样，例如在激光脉冲中存在的高峰值强度或者在传播经过非线性介质时存在的高峰值强度可能达到或超过临界自聚焦的阈，此时由于克尔非线性而发生自聚焦并且该自聚焦使激光脉冲在非线性介质中聚焦，使得该非线性介质发生损坏并且被毁坏。这例如可能由于固体非线性介质的毁坏而发生和/或由于气态非线性介质的电离而发生。例如，氩气的电离阈约为10
14 W/cm2。其它气体也具有类似的电离阈。如果激光脉冲在这种非线性介质中的强度超过该电离阈，则该非线性介质被电离，由此该激光脉冲至少部分地被耗散并且激光脉冲的光束轮廓被显著劣化。固体非线性介质的毁坏例如可能以非线性介质的浑浊或者甚至机械毁坏的形式存在。因而，通过激光束连续传播经过非线性光学介质所引起的频谱展宽对于其中达到毁坏阈或者由于临界自聚焦而预期达到毁坏阈的激光脉冲的这种峰值功率来说不可及。
[0007]至少为了至少部分地规避或减少由于在激光脉冲的频谱展宽中的临界自聚焦所引起的限制，在现有技术中已知一种方法，在该方法中，通过激光脉冲多次传播经过短的非线性光学介质来实现频谱展宽（参见DE 10 2014 007 159 A1）。在此，非线性介质保持得短，使得该激光脉冲在发生显著自聚焦以及尤其是发生临界自聚焦之前重新离开该非线性介质。为了仍然获得对于频谱展宽来说足够的B积分，使激光脉冲多次、即以多次循环地传播经过非线性光学介质。由于在激光脉冲每次经过非线性光学介质之后通过凹面镜来使激光脉冲再次聚焦，所以可以至少部分地减少或消除自聚焦的影响。
[0008]然而，在一般情况下使用非线性效应并且特别是使用非线性频谱展宽和脉冲压缩时的另一个限制在于所使用的光学元件的毁坏阈。通常，在HC中使用两个相对的凹面镜，通过这两个相对的凹面镜借助于激光脉冲在这些镜之间的多次反射来产生多程装置。在此，激光脉冲或激光束通过凹面镜来被聚焦，使得在光束直径较小的区域并且尤其是在焦点处可出现非常高的强度，所述强度可能明显超过所使用的光学器件的毁坏阈。出于该原因，对于这种使用两个凹面镜的多程装置，应始终确保：在激光脉冲到达光学元件上的位置，光束直径足够大并且相对应地强度足够小，以便避免超过该毁坏阈以及随之而来的光学元件的毁坏。因而，为了利用这种装置来对具有高脉冲能量的脉冲进行频谱展宽，需要相对应的放大（Upscaling），即光程长度和所使用的光学元件的直径必须被选择得足够大，使得可以使用足够大的光束直径，以便避免达到或超过该毁坏阈。这样，在现有技术中例如已知带有两个凹面镜的HC，为了对脉冲能量为40 mJ的激光脉冲进行压缩，该HC具有相当长的为8 m的长度（公开于M. Kaumanns等人的Eds., Multipass spectral broadening with tens of millijoule pulse energy. Optical Society of America，2019年）。更糟糕的是：优选地
用作用于色散控制的色散光学元件的电介质镜的毁坏阈在某些情况下是金属高反射镜的毁坏阈的2分之一至3分之一。因而，在打算使用这种电介质镜时，最大脉冲能量应被选择得还更小和/或光学器件的直径和光程长度应被选择得还更大。其中比如将凹面镜与平面镜一起使用的多程装置的折叠也带来了如下缺点：由于光束直径较小，在平面镜处会预期明显更高的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于激光脉冲的频谱展宽的设备（100），其中所述设备具有：
‑ꢀ
带凸面镜（122）和凹面镜（121）的多程装置（120），其中所述凸面镜（122）和所述凹面镜（121）相对于彼此布置为使得耦合输入到所述多程装置（120）中的激光脉冲至少一次从所述凹面镜（121）被反射到所述凸面镜（122）并且至少一次从所述凸面镜（122）被反射到所述凹面镜（121）；
‑ꢀ
非线性光学介质（130），所述非线性光学介质至少部分地布置在所述多程装置（120）内，使得所述非线性光学介质（130）被耦合输入到所述多程装置（120）中的激光脉冲多次穿过。2.根据权利要求1所述的设备（100），其中所述非线性光学介质（130）被设计成无源的。3.根据权利要求1或2所述的设备（100），其中所述设备（100）被设计成无源的。4.根据上述权利要求之一所述的设备（100），其中所述多程装置（120）被设计为使得耦合输入到所述多程装置（120）中的激光脉冲从所述凹面镜（121）多次、可选地超过十次被反射到所述凸面镜（122）并且从所述凸面镜（122）多次、可选地超过十次被反射到所述凹面镜（121）。5.根据上述权利要求之一所述的设备（100），其中所述多程装置（120）被设计为使得耦合输入到所述多程装置（120）中的激光脉冲从所述凹面镜（121）直接被反射到所述凸面镜（122）并且从所述凸面镜（122）直接被反射到所述凹面镜（121）。6.根据权利要求1至4之一所述的设备（100），其中所述多程装置（120）还具有一个或多个偏转镜（124）。7.根据上述权利要求之一所述的设备（100），其中所述非线性光学介质（130）具有固体介质和/或气态介质。8.根据权利要求7所述的设备（100），其中固体非线性光学介质至少部...

【专利技术属性】
技术研发人员：O，
申请(专利权)人：汉堡联邦国防军大学，
类型：发明
国别省市：