CN102368588B - 一种提高超短脉冲对比度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种提供超短脉冲对比度的方法，该方法所述方法采用有源增强的外腔相干合成光参量放大的方法，涉及一有源非共线光学谐振腔，所述的光学谐振腔结构可以是多面腔镜组成的环形或者折叠形，腔内包括一块非线性晶体实现参量放大，所述增强外腔的长度由粘附在一面腔镜上的一电子线路控制精密控制，通过所述电子反馈回路将所述增强外腔的长度对应的重复频率锁定在输入的种子脉冲的重复频率上。该方法有望实现优于10^-12脉冲对比度的高能激光输出，能帮助研究人员更清晰的认识激光与物质相互作用的过程与机理，也将为强场激光物理学、非线性光学的研究提供更可靠、更稳定的研究工具。

Description

一种提高超短脉冲对比度的方法

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种提供超短脉冲对比度的方法，该方法采用有源外腔相干合成光参量放大技术提高超短脉冲对比度。

背景技术

高功率高重复频率的飞秒激光脉冲在材料加工、医疗处理、激光化学与高能物理领域都有着广泛的应用前景。单个激光脉冲的峰值功率，已经从调Q技术所得到的吉瓦（GW，10⁹ W）量级提高到锁模技术得到的太瓦（TW，10¹² W）量级，对应的激光聚焦功率密度也已达到10²⁰-10²² W/cm²，产生的强电场、强磁场的极端实验条件为强场物理和高能密度物理的研究提供了基础工具。

在强场激光物理领域中，目前获得高峰值功率激光脉冲的主要途径是基于啁啾脉冲放大技术（CPA，chirped-pulse amplification）的激光系统，该系统体积小、成本低，能实现高重复频率的脉冲放大，获得高峰值功率脉冲。然而，在CPA放大过程中激光脉冲的前沿和后沿会产生很强的自发辐射放大（ASE, amplified spontaneous emission），同时，在选取单个脉冲的过程中，也会伴随产生小脉冲。超快超强激光与物质相互作用时，激光的聚焦强度通常达到10¹⁵ W/cm²，相应的脉冲前后沿ASE和小脉冲的强度也很大，它们的存在会改变主脉冲与靶材作用时等离子体的初始状态，影响作用过程甚至改变作用机制。因此，不断提高激光脉冲对比度，已成为飞秒超强激光研究领域的重要课题。

啁啾脉冲放大过程中，预脉冲产生的主要原因是前级预放大过程累积的自发辐射及主放大过程的ASE，其他如展宽器和压缩器中光栅平整度、光谱的小尺度调制、光谱剪切及调节误差、非线性自相位调制等因素，都会影响输出脉冲对比度。人们最早采用空间滤波和时间滤波技术，能获得10^-5的脉冲对比度，后来通过提高注入激光脉冲种子对比度和强度的技术，降低主放大级的放大倍数，将脉冲对比度提高到10^-7。2002年，美国的研究人员针对再生腔放大技术，提出能有效抑制前级预放ASE的环形腔放大技术，将单个啁啾脉冲放大系统输出激光的脉冲对比度推进到10^-8。

20世纪末提出的光参量啁啾脉冲放大（OPCPA，optical parametric chirped-pulse amplification）技术，结合了CPA高脉冲能量与OPA非线性放大过程的特征，具有增益高、带宽大、热沉低等优点，极大的促进了激光与物质相互作用领域的发展。由于是非线性放大的过程，相比一般的CPA，无ASE效应，输出激光的脉冲对比度能到达10^-9量级，远好于普通的CPA激光放大结果，但同步泵浦光的波形和脉宽引起的时间抖动也会产生预脉冲。 2005年提出的双啁啾脉冲放大技术，采用两组CPA放大系统，结合多次空间滤波，最终得到10^-10脉冲对比度的放大激光。近年来利用惰性气体、非线性晶体的三阶非线性特性，产生交叉偏振波，已经成功的将激光脉冲对比度提高到10^-11量级。

随着电子加速、先进光源、阿秒物理、超快物质、快点火聚变和激光核物理研究的深入，来自高能激光系统的打靶光脉冲聚焦后光强高达10²⁰-10²¹ W/cm²，尽管现有技术已能获得10^-11的脉冲对比度，但剩余预脉冲的焦斑光强仍超过10¹⁰ W/cm²，如此高强度的预脉冲，在主脉冲达到靶材之前会引起靶材的破裂和预电离，影响实验结果。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术中，提出一种提高超短脉冲对比度的方法，该方法提供一种新型的有源外腔相干合成光参量放大的方法来提高输出脉冲对比度的技术，有望实现优于10^-12脉冲对比度的高能激光输出，能帮助研究人员更清晰的认识激光与物质相互作用的过程与机理，也将为强场激光物理学、非线性光学的研究提供更可靠、更稳定的研究工具。

本发明的目的实现由以下技术方案完成：

一种提高超短脉冲对比度的方法，其特征在于：所述方法采用有源增强的外腔相干合成光参量放大的方法，该方法涉及一有源非共线光学谐振腔，所述的光学谐振腔结构可以是多面腔镜组成的环形或者折叠形，腔内包括一块非线性晶体实现参量放大，所述增强外腔的长度由粘附在一面腔镜上的一电子线路控制精密控制，通过所述电子反馈回路将所述增强外腔的长度对应的重复频率锁定在输入的种子脉冲的重复频率上。

所述方法采用的步骤如下：以常见四境折叠腔为例，所述增强外腔重复频率锁定后，第一个经由所述输入耦合镜进入腔内的种子脉冲经曲面镜聚焦到所述非线性晶体上，与所述同步泵浦脉冲发生参量作用，实现种子脉冲的放大，所述第一个种子脉冲在腔内传输一次，完成参量放大，回到所述输入耦合镜；由于所述增强外腔长度已被精确锁定，放大后的第一个种子脉冲与第二个种子脉冲同时入射到输入耦合镜处，实现电场的相干叠加，幅度增强，合成后的脉冲在增强腔内传输，再经所述两面曲面镜聚焦在所述非线性晶体上，发生参量放大，经放大的合成后的脉冲在输入耦合镜处又能与下一个种子脉冲相干合成，参量放大，循环往复。

经过所述增强外腔放大的脉冲也可加入声光调制器、电光调制器等光学开关以腔倒空的方式实现输出。

本发明的优点是，在于有源的同步泵浦方式能精确控制泵浦脉冲与种子脉冲的作用时间，减少ASE的产生，还能补偿脉冲在增强腔内传输的损耗，降低对腔镜反射率的要求。外腔长度的精密锁定，实现了不同时刻进入腔内脉冲的相干合成，提高参量放大过程中种子脉冲的强度，避免增益饱和。脉冲相干合成与有源参量放大两种效应在精密锁定的增强腔内交替发生，每次主脉冲都获得比预脉冲大得多的增益，激光脉冲对比度大幅提高，突破现有技术10^-11的瓶颈。

附图说明

附图1 本发明原理结构图；

附图2 本发明实施例一脉冲合成放大示意图；

附图3 本发明实施例二脉冲合成放大示意图；

附图4 本发明实施例三脉冲合成放大示意图；

附图5 本发明实施例四脉冲合成放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5中标号1-8代表的是输入耦合镜1、输出镜2、曲面镜3、曲面镜4、非线性晶体5、电子线路控制6、声光调制器7、曲面镜8

光参量啁啾脉冲放大的种子源可采用掺钛蓝宝石激光器 (Ti:S)，镁橄榄石激光器（Cr:F），掺镱、铒光纤激光器（Yb、Er-fiber）等任意波长的超短脉冲激光器，传统固体激光器和光纤激光器皆可。

光参量啁啾脉冲放大的泵浦源根据非线性晶体和种子源波长的要求，选择合适波段的高功率激光器或放大器。泵浦激光与种子激光的同步方式不限，可采用主动或者被动的结构，电子反馈回路主动控制同步、主从激光器注入同步和光谱部分放大同步技术均可。

有源非共线的光学谐振腔可采用环形或者折叠结构，以最常见的四境折叠腔为例。一面平面镜作为输入耦合镜，将激光系统输出的种子光导入到增强腔里，两面对种子光全发射的曲面镜将腔内激光聚焦到非线性晶体表面，实现参量放大，另一块平面镜作为输出镜，也可加入声光调制器、电光调制器等光学开关以腔倒空的方式实现输出。

腔内发生参量作用的非线性晶体根据种子光、泵浦光的波段，非线性效应的强弱、抗损伤阈值的需要，转换效率等要求灵活选择。增强腔的长度由粘附在一面腔镜上的压电陶瓷精密控制，通过电子线路控制6，将外腔长度对应的重复频率锁定在输入脉冲的重复频率上。重复频率锁定后，第一个进入腔内的种子脉冲由输入耦合镜1进入腔内，经对种子脉冲全反射的曲面镜3、4聚焦到用于光参量啁啾脉冲放大的非线性晶体5上，与同步的泵浦脉冲发生参量作用，实现种子脉冲的放大。同步泵浦的方式保证只在有种子脉冲通过非线性晶体时才发生参量作用，脉冲强度增强，对比度提高，与通常的啁啾脉冲放大过程相比，从根源上避免了增益介质被连续泵浦产生的ASE。第一个种子脉冲在腔内传输一次，完成参量放大，回到输入耦合镜1，由于外腔长度已被精确锁定，第一个种子脉冲与下一个进入腔内的种子脉冲即第二个种子脉冲同时入射到输入耦合镜1处，实现电场的相干叠加，幅度增强，对比度继续提高，合成后的脉冲在增强腔内传输，再经曲面镜聚焦在非线性晶体上，发生参量放大。放大后的脉冲在输入耦合镜处1又能与下一个进入腔内的种子脉冲相干合成，参量放大，循环往复。多个脉冲在腔内不断相干合成，参量放大，最终从输出镜2输出。有源的外腔结构补偿激光脉冲传输过程中的损耗，每次相干合成和参量放大的过程中，主脉冲相对强度持续提高。同时，腔内脉冲在输入耦合镜处不断的相干合成作用，使每次发生参量放大时种子激光脉冲的强度不断增加，有效克服了传统OPCPA过程中的增益饱和限制。

实施例一：如图2所示，重复频率可调、腔倒空方式输出的有源外腔相干合成示意图，实施细节：

（1）种子脉冲由输入耦合镜1进入增强腔，腔长由电子线路6控制的压电陶瓷精确锁定。

（2）输入脉冲经声光调制器7，曲面反射镜8、3聚焦到非线性晶体5，在同步泵浦脉冲的作用下，发生参量过程，脉冲幅度被放大。

（3）放大的脉冲经曲面反射镜4反射到输入耦合镜1，与下一个进入腔内的脉冲相干合成，合成后的脉冲在腔内传输，在非线性晶体内继续被参量放大，不断与后续进入腔内的脉冲相干合成，脉冲幅度和对比度不断提高。

（4）增强后的脉冲在声光调制器7的作用下，以腔倒空方式经输出镜2输出，输出脉冲的重复频率随声光调制器驱动频率变化。

实施例二：如图3所示，利用Ti: S激光作为种子源、分频放大技术获得同步泵浦光实现有源外腔相干合成的光参量啁啾脉冲放大示意图。

实施细节：

（1）选用一台商售的钛蓝宝石激光器，其输出光谱范围覆盖650 nm到1100 nm。

（2）采用镀膜AR@800 nm / HR@910 nm的双色镜将钛蓝宝石激光器输出的光谱中心在910 nm波段的激光滤出，进入光学展宽器，展宽至皮秒量级，作为光参量啁啾脉冲放大过程的种子脉冲。

（3）采用镀膜AR@800 nm / HR@1030 nm的双色镜将钛蓝宝石激光器输出的光谱中心在1030 nm波段的激光滤出，用显微物镜耦合进入光纤，作为光参量啁啾脉冲放大过程同步泵浦光的种子源。

（4）用单模光纤或者空间展宽器对1030 nm种子激光的时域宽度进行展宽，避免超短脉冲放大过程中超高峰值功率对光学器件造成的损伤和不利的非线性效应引起的脉冲畸变。

（5）采用级联的两级掺镱单模光纤放大器对滤出的1030 nm波段的种子光进行预放大，泵浦激光器为输出最大功率500 mW、输出波长976 nm的半导体激光器，种子光平均功率可提高至50-200 mW。

（6）采用掺镱双包层光子晶体光纤对种子脉冲进行功率主放大，通过空间耦合，将种子光经透镜聚焦，耦合进入增益光纤的纤芯。泵浦激光器为输出平均功率数百瓦甚至千瓦的半导体激光器，其输出的泵浦光经两个非球面透镜整形，通过透镜聚焦，从增益光纤的另一端耦合进入光纤，每级放大器之间都插入空间或光纤隔离器，避免后级背向散射光进入前级影响放大效果。

（7）将高功率1030 nm的激光引入由两块高抗损伤阈值的透射式光栅构成的压缩器，补偿放大过程中各级增益光纤和展宽器引入的二阶色散，压缩脉宽。

（8）经过光学宽带倍频，获得与钛蓝宝石激光器910 nm种子脉冲同步的、重复频率80 MHz、中心波长515 nm、平均功率200 W、脉冲宽度数百飞秒的激光脉冲，作为光参量啁啾脉冲放大过程的泵浦光。

（9）将由（2）、（8）获得的种子脉冲和泵浦脉冲引入图2所示的增强腔结构，非线性晶体选用BBO，将增强腔长度对应的重复频率和种子脉冲、泵浦脉冲的重复频率精密锁定，实现有源外腔相干合成的光参量啁啾脉冲放大。参量放大过程输出中心波长在910 nm，平均功率80 W，脉冲对比度优于10^-11的激光脉冲。

实施例三：如图4所示，利用Ti: S激光作为种子源、交叉吸收调制技术获得同步纳秒方波实现有源外腔相干合成的光参量啁啾脉冲放大示意图。

实施细节：

（1）选用一台中心波长800 nm，光谱宽度60 nm，重复频率240 kHz的钛宝石激光器。

（2）搭建一台半空间半光纤结构，重复频率240 kHz的掺镱光纤激光器，在光纤激光器内增加一个800/1064 nm波段的波分复用器，在波分复用器之后紧跟一段长度1 m的掺铒光纤，作为交叉吸收调制的吸收介质。

（3）选用800 nm的分束镜片，将钛宝石激光输出的激光分为两部分，一部分平均功率200 mW的激光作为种子脉冲，另一部分平均功率20 mW的激光作为交叉吸收调制的注入光。

（4）选用显微物镜将20 mW的注入光耦合进入单模光纤，再经800/1064 nm的波分复用器注入掺镱光纤激光器内，在腔内1 m长掺铒光纤的作用下，实现从掺镱激光器与主钛宝石激光器的精密同步，同步后掺镱激光器输出平均功率3 mW，脉冲宽度3-5 ns的方波脉冲。

（5）选用掺镱光纤预放大器、掺镱光纤主放大器对同步后的纳秒方波脉冲进行功率放大，获得平均功率300 W，脉冲宽度5 ns的高功率同步方波脉冲，再经光学倍频到515 nm波段的脉冲，作为光参量放大的同步泵浦激光。

（6）将（3）和（5）获得的种子脉冲和纳秒方波注入到增强外腔，同时通过电子线路锁定外腔的腔长，800 nm中心波长的种子脉冲在外腔里发生参量作用，幅度增大，同时与后续的脉冲相干合成，最终经声光调制器输出高对比度的激光脉冲。

实施例四：如图5所示，掺铒激光作为种子源、主动同步技术获得泵浦光实现外腔增强的光参量啁啾脉冲放大示意图。

实施细节：

（1）光参量啁啾脉冲放大过程的种子脉冲采用中心波长1560 nm的掺铒光纤振荡器产生，泵浦源采用中心波长1030 nm的掺镱光纤放大器的输出脉冲。

（2）掺镱光纤激光器的重复频率为78 MHz，可以采用非线性偏振旋转锁模或者可饱和吸收体锁模的方式，输出的脉冲经过光栅展宽器或者单模光纤，脉冲宽度展宽至数百皮秒。

（3）展宽后的脉冲经级联的掺镱光纤预放大器和掺镱特种光纤主放大器，平均功率可由几个毫瓦提高到数十瓦。

（4）采用光栅压缩器，对放大的脉冲进行色散补偿。最终得到平均功率6 W、脉冲宽度500 fs、光谱宽度5 nm的1030 nm激光脉冲。

（5）种子源掺铒光纤振荡器的重复频率与掺镱光纤振荡器的重复频率一致，均为78 MHz。用5 m长的单模光纤，将掺铒光纤振荡器输出的脉冲展宽到3 ps。精密控制信号脉冲的啁啾和其与泵浦脉冲的延迟，可以实现在信号脉冲光谱中心1565 nm附近4 nm的位相匹配，获得最优的参量转换效率。

（6）将种子脉冲和泵浦脉冲同时注入到对应于78 MHz重复频率的有源相干合成外腔内，泵浦耦合镜的耦合比为10%，选择PPLN作为增益介质，晶体附近的两面曲面镜可将种子脉冲和泵浦脉冲的光斑大小聚焦至100μm，实现参量过程的模式匹配。

（7）采用Hänsch–Couillaud方法将有源外腔的长度和掺镱光纤振荡器的腔长精密锁定。通过电子反馈回路控制粘附在掺铒光纤振荡器一面腔镜上的压电陶瓷，实现泵浦脉冲和种子脉冲重复频率的精密锁定。

（8）精密同步的种子脉冲在有源外腔内发生参量作用，同时不断与后续进入腔内的脉冲相干合成，幅度增加，脉冲对比度提高，最终通过声光调制器输出。

Claims (3)

1.一种提高超短脉冲对比度的方法，其特征在于：所述方法采用有源增强外腔相干合成光参量放大的方法，该方法涉及一有源非共线光学谐振腔，所述的光学谐振腔结构是多面腔镜组成的环形或者折叠形，腔内包括一块非线性晶体实现参量放大，所述有源增强外腔的长度由粘附在一面腔镜上的一电子线路精密控制，通过电子反馈回路将所述有源增强外腔的长度对应的重复频率锁定在输入的种子脉冲的重复频率上。

2.根据权利要求1所述的一种提高超短脉冲对比度的方法，其特征在于，所述方法采用的步骤如下：所述有源增强外腔重复频率锁定后，第一个经由输入耦合镜进入腔内的种子脉冲经曲面镜聚焦到所述非线性晶体上，与同步泵浦脉冲发生参量作用，实现种子脉冲的放大，所述第一个种子脉冲在腔内传输一次，完成参量放大，回到所述输入耦合镜；由于所述有源增强外腔长度已被精确锁定，放大后的第一个种子脉冲与第二个种子脉冲同时入射到所述输入耦合镜处，实现电场的相干叠加，幅度增强，合成后的脉冲在增强外腔内传输，再经两面所述曲面镜聚焦在所述非线性晶体上，发生参量放大，经放大的合成后的脉冲在输入耦合镜处又能与下一个种子脉冲相干合成，参量放大，循环往复。

3.根据权利要求1所述的一种提高超短脉冲对比度的方法，其特征在于，经过所述有源增强外腔放大的脉冲加入光学开关以腔倒空的方式实现输出，所述光学开关包括声光调制器、电光调制器。

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