检测激光脉冲的脉冲持续时间波动的系统以及产生激光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及一种具有激光源的光学系统，该激光源产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射。

此外，本发明涉及一种用于产生激光脉冲的方法。

具体地，本发明涉及用于产生皮秒和飞秒范围内的超短激光脉冲的激光系统和方法。

背景技术

各种应用(特别是科学应用)都需要具有最高性能和稳定性的超短激光脉冲。特别是当脉冲峰值功率是应用的基本参数时，除了平均功率的稳定性以及脉冲间能量稳定性之外，脉冲持续时间的稳定性也是至关重要的。

大多数高功率飞秒激光系统利用所谓的啁啾脉冲放大(简称CPA)(参见D.Strickland和G.Mourou的“Compression of amplified chirped optical pulses(放大的啁啾光脉冲的压缩)”，Opt.Commun.55(6)，447-449，1985)。在这个过程中，为了避免干扰非线性效应并且防止在放大介质中的材料退化，超短激光脉冲在放大之前借助于色散光学组件被暂时拉伸，这降低了峰值脉冲功率并且避免了在放大过程期间的前述干扰效应。在放大之后，时间拉伸的激光脉冲被理想地压缩，使得产生的激光脉冲是带宽受限的。这再次通过具有与用于拉伸的组件相比大大反转的色散值的色散光学组件来实现。

例如通过激光系统的组件中的热效应可以引起脉冲形状和/或脉冲持续时间的波动。特别地，脉冲拉伸或脉冲压缩的色散分量中的热效应通常是压缩脉冲持续时间中不希望的变化的主要原因。应注意，时间拉伸的激光脉冲的拉伸因数越大，并且平均功率(以及因此最终永远无法完全避免的用于压缩的光学组件中的热输入)越大，这些热效应的负面影响就越大。因此，特别是在具有高拉伸因数和高平均功率的CPA系统中可以观察到脉冲持续时间波动。

例如，可以使用自相关器来测量脉冲持续时间。这原则上允许检测脉冲持续时间的波动。同样地，非线性效应对脉冲峰值功率的依赖性可以用于观察与最佳脉冲压缩的偏差。对此可以设想的方法是频率转换(例如二次谐波产生)或通过自相位调制的光谱加宽。然而，关于必要的校正出现了以下问题：首先，所提及的用于检测脉冲持续时间波动的效应的灵敏度太低而无法检测应用中最小的、但最终具有决定性的脉冲持续时间波动。其次，校正所需的误差信号(控制变量)的导出对于实现相应控制是不可能的，因为从最佳压缩点开始的脉冲持续时间的延长不会导致关于所使用的CPA系统中的色散值的必要校正的符号的任何陈述。

原则上，用于超短激光脉冲的完整表征的已知的、更复杂的方法(诸如频率分辨光学开关(Frequency Resolved Optical Gating，FROG)、光谱相位相干直接电场重构法(Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction，SPIDER)或D扫描方法)可以用于确定要补偿的相位项。然而，这引起许多应用的不合理的高工作量以及相应高的成本。进一步的问题是用这样的方法测量的速度和适度的灵敏度。因此几乎不可能对脉冲持续时间进行实时校正。

发明内容

鉴于此，本发明的任务是提供一种光学系统，该光学系统允许以使得可以从检测中导出用于控制脉冲持续时间的误差信号的方式快速、灵敏且简单地检测超短激光脉冲的脉冲持续时间的波动。

这项任务是通过本发明借助于光学系统来解决的，该光学系统具有：

-激光源，被设计成产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射，

-至少一个色散光学元件，被设计成将群渡越时间色散(group transittimedispersion)施加到激光脉冲上，因此将啁啾施加到激光脉冲上，

-非线性介质，被设计为在传播通过介质期间激光脉冲的非线性光谱加宽，以及

-检测装置，适于检测光谱加宽。

此外，本发明通过一种用于产生激光脉冲的方法来解决该问题，该方法包括以下步骤：

-产生由激光脉冲的时间序列组成的脉冲激光辐射，

-将啁啾施加到激光脉冲上，

-对激光脉冲进行非线性光谱加宽，以及

-检测光谱加宽。

本发明的方法基于啁啾激光脉冲的光谱加宽。由色散光学元件施加的附加啁啾以使得可以基于光谱加宽灵敏地检测由激光源产生的(超短)激光脉冲的脉冲持续时间的波动的方式，即以使得可以从检测中导出用于控制脉冲持续时间的明确误差信号的方式来影响非线性介质中的后续光谱加宽。在此背景下，施加附加啁啾特别地产生如下优点：CPA系统中的未补偿色散的最小波动对附加啁啾激光脉冲的最终脉冲持续时间的影响显著大于(几乎)带宽受限的激光脉冲的情况。因此，本发明增加了脉冲持续时间波动检测的灵敏度。此外，由于附加施加的啁啾，(例如，由于自相位调制)非线性介质中的光谱加宽的变化取决于CPA系统中的未补偿色散的波动的符号。因此，可以直接导出误差信号以抵消在控制系统的框架内发生的波动。

在优选实施例中，色散光学元件被设计成在脉冲持续时间增加至少1.1倍、优选地至少1.5倍、特别优选地至少2.0倍的情况下实现激光脉冲的脉冲拉伸。已经示出，通过这些参数，可以在实际应用中合理地实现本发明所预期的目的。

用于施加附加啁啾的色散光学元件可以由诸如光纤、光栅阵列、棱镜阵列或一个或更多个色散镜之类的常见的光学组件形成。因此，本发明可以容易地实施。

方便地，非线性介质被设计成通过自相位调制实现光谱加宽。为此目的，非线性光学介质可以是例如光纤、体积光学元件、充气中空芯结构或多程池(multi-pass cell)。

在优选实施例中，用于检测光谱加宽的检测装置包括：光谱仪或与光谱滤波器(特别是带通滤波器、边缘滤波器或具有孔的色散元件(诸如光栅和棱镜))组合的至少一个光电传感器，至少一个光电传感器被设计成选择高于或低于中心波长(即在激光辐射由于非线性光谱加宽而接收附加光谱强度的光谱范围内)的光谱分量。在后一方式中，通过光谱滤波器和光电传感器(例如光电二极管)的简单使用，以使得检测信号是光电传感器的模拟输出信号的方式，可以检测光谱宽度，因此间接地检测脉冲持续时间变化，该模拟输出信号可以在控制的背景下直接用作误差信号。

在另一优选实施例中，提供了控制装置，该控制装置被连接到检测装置和激光源，由此控制装置被设计成从所检测的光谱加宽导出用于控制激光源的致动信号。在此背景下，致动信号方便地影响激光脉冲的脉冲持续时间。例如，如果激光源包括CPA系统，则致动信号可以用来影响CPA系统的至少一个色散光学组件，至少一个色散光学组件引起激光脉冲的拉伸或压缩，即，分别为拉伸器或压缩器。例如，可以通过利用致动信号控制色散光栅布置来调整色散光栅布置的距离。

在一个可能的实施例中，激光源被设计成产生基本上带宽受限的激光脉冲。然后，本发明可以用于稳定脉冲持续时间，例如，提高后续材料处理的质量或提高下游非线性脉冲压缩的稳定性。

附图说明

下面参考附图更详细地说明本发明的实施例的示例。示出：

图1：根据本发明的光学系统示意性地作为框图；

图2：根据本发明的非线性光谱加宽的利用的图示；

图3：三阶色散对非线性光谱加宽的影响的图示。

具体实施方式

图1的光学系统包括例如以已知设计的CPA系统的形式的激光源1，激光源1在1060nm的中心波长下发射脉冲持续时间为200fs的激光脉冲(半峰全宽(full width athalfmaxima,FWHM)，高斯形状的激光脉冲)。实际有用光束2离开系统并例如用于材料处理。根据本发明，部分光束3用于检测例如热引起的脉冲持续时间的波动。

在图1中，在光束路径的上方和下方示出了激光脉冲的脉冲形状和激光脉冲的光谱。

激光脉冲穿过色散光学元件4(例如具有适当色散的光纤)，该色散光学元件4将群渡越时间色散施加到激光脉冲上，因此将啁啾施加到激光脉冲上。在该示例中，例如0.025ps

此后，拉伸的激光脉冲穿过非线性介质5(例如，具有适当非线性折射率的光纤)，其中激光脉冲的光谱加宽基本上通过自相位调制发生。假定脉冲能量恒定，激光脉冲的脉冲持续时间的变化通过二次方的自相位调制影响光谱加宽，这提供了附加的“杠杆”以增加检测激光源1的CPA系统中的脉冲持续时间波动的灵敏度。光谱加宽的激光脉冲被馈送至检测装置6。这在其输出处产生取决于光谱加宽的信号。这用作控制装置7的输入信号，即用作控制变量或误差信号，控制装置7进而连接至激光源1。控制装置7从检测单元6的输出信号导出用于控制激光源1的致动信号。致动信号影响激光脉冲的脉冲持续时间在于激光源1的至少一个色散光学组件(例如CPA激光系统)受致动信号的影响。以此方式，有用光束2中的激光脉冲的脉冲持续时间是稳定的。

下面参考图2更详细地说明误差信号的明确导出。因此，考虑啁啾激光脉冲的光谱加宽。在该示例中，应用以下参数：脉冲能量＝1μJ、非线性折射率＝3.2·10

为了导出灵敏且明确的误差信号，在该示例中通过光谱带通滤波器例如在1027nm波长处(即在激光脉冲的中心波长之外)检测所传输的功率是合适的。滤波器特性必须根据应用进行相应地适配。这在图2b和2c中示出。图2a以对数图示出了光谱加宽的激光脉冲的整个光谱。图2b是光谱8、9、10在光谱的短波长侧上的边缘的线性表示。图2c示出了光电二极管的输出信号，该光电二极管将在1027nm处的激光辐射的强度(即在穿过带通滤波器之后)转换为电信号作为无意地施加在激光源1中的群渡越时间色散的函数。负的无意群渡越时间色散导致信号相对于对应于带宽受限的激光脉冲的情况的目标值的增加，而正的无意群渡越时间色散导致信号相对于对应于带宽受限的激光脉冲的情况的目标值的减少。在所示出的示例中，假设信号是以伏特为单位的电压，在0.0ps

如以上参考图1说明的，以此方式测量的信号被用作控制的误差信号。可设想的是，不仅基于该信号在CPA系统的光栅压缩器中调整光栅间距，而且通过所谓的空间光调制器(Spatial-Light-Modulator，SLM)或所谓的声光可编程色散滤波器(Acousto-OpticProgrammable Dispersive Filter，AOPDF/DAZZLER)校正色散。在其他可能性中，还可以设想到使用温控啁啾光纤布拉格光栅作为CPA系统中的可变拉伸器元件、可变小型压缩器或附加棱镜压缩器。

还应该注意：

-控制的目标状态不必是带宽受限的激光脉冲的状态。同样地，它可以被稳定到不同的预定的脉冲持续时间。

-根据本发明施加的附加啁啾也可以是负的。这只会改变图2c中的误差信号特性的符号。

-检测的灵敏度可能受到非线性加宽量、附加啁啾以及光电二极管之前的光谱滤波器的波长的选择的影响。

-通过自相位调制的光谱加宽仅是示例性的。可以使用导致取决于脉冲持续时间或脉冲峰值功率的光谱加宽的任何非线性效应。因此，不同类型的非线性介质可以用于光谱加宽。

-脉冲持续时间的检测可能受到脉冲能量的波动的影响(因为例如较低的脉冲能量也会导致加宽减少)。这种误差情况可以例如通过同时测量总功率/脉冲能量或者通过在几个光谱位置处进行测量来消除。

在实践中，所提及的热诱导和不希望的脉冲持续时间波动将主要由可以主要由二阶色散描述的效应引起。然而，应当提及的是，本发明的方法还允许在二阶色散与三阶色散之间进行区分。根据上面结合图2描述的示例，图3的图示出了在如上所述的其他方面相同的假设下，由于自相位调制，附件不希望的三阶色散对光谱加宽的影响。光谱8再次对应于带宽受限的激光脉冲的目标条件。0.0005ps