CN102664342A - 光学参量啁啾脉冲放大器 - Google Patents

Abstract

一种光学参量啁啾脉冲放大器，包括飞秒脉冲振荡器、脉冲展宽器、时间同步控制器，OPCPA泵浦源和OPCPA放大器，其特点在于：所述的OPCPA泵浦源包括两台相同型号第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，所述的OPCPA放大器包括第一反射镜、第二反射镜和非线性晶体。本发明具有更好的稳定性和光束质量。

Description

光学参量啁啾脉冲放大器

技术领域

本发明涉及光学参量啁啾脉冲放大，特别是一种光学参量啁啾脉冲放大器。

背景技术

超短超强激光的出现，开创了强场激光物理研究的新领域，为高能量密度物理，激光等离子体物理，等离子体加速器及X射线激光等研究领域提供了稳定、可靠的实验手段和技术平台。这里的“超短超强”是指激光脉冲时间宽度极窄（一般小于200飞秒，飞秒即10^-15秒）峰值功率极高（大于1太瓦，太瓦即10¹²瓦）。

目前，小型化超短超强激光装置主要有两种装置。其一是基于啁啾脉冲放大（CPA）技术的钛宝石激光系统，该技术比较成熟。但其原理本身有无法克服的缺点，如输入脉冲对比度低、放大过程存在光谱增益窄化等。其二是采用光学参量啁啾脉冲放大（以下简称为OPCPA）和啁啾脉冲放大（以下简称为CPA）混合型超短超强激光装置，光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）是近年国际上提出的一种新的超短激光脉冲放大技术。相比于基于激光晶体的传统CPA技术，基于非线性光学晶体的OPCPA可能获得更宽的增益带宽和更高的单程增益，可实现较低脉冲对比度的放大，在放大过程中具有较低的B积分累积和较小的热畸变，利用光学参量啁啾脉冲放大替代钛宝石上激光系统中的再生放大，可获得更短和更高对比度的超强超短激光脉冲，从而提高超强超短激光系统的峰值输出功率和聚焦功率密度。

在现有技术中，典型的OPCPA放大装置如图1所示。钛宝石锁模振荡器1经脉冲展宽器2展宽后注入非线性晶体6；泵浦激光器4输出脉冲经反射镜5反射后以与信号光一定的夹角注入非线性晶体6；泵浦光与信号光的同步由同步控制系统3控制。信号光经OPCPA放大器放大后输出，再经CPA放大后引入到脉冲压缩器，或直接引入到脉冲压缩器，经压缩后输出超短超强激光脉冲。但是该过程中泵浦激光器4输出脉冲的强度波动及时间抖动会对信号光获得的增益产生较大影响，激光系统的输出稳定性在实际运行中非常重要，而作为非线性放大过程，OPCPA的稳定性直接影响到OPCPA在激光系统中的实际应用。现有的技术可以较好的控制泵浦激光器输出脉冲能量的大小，然而控制输出脉冲时间抖动的技术却不够成熟，即在非线性晶体上，相对于信号光注入时间，泵浦光注入时间总是具有一定的偏移量，而这个偏移量具有不确定性。这对信号光增益的影响表现为不同的偏移量造成了信号光获得的实际泵浦能量不同并最终导致信号光增益起伏。为了使信号光获得稳定的增益，一般采用饱和放大的方式对信号光进行放大，即泵浦激光器4输出较大能量，使得信号光增益对实际泵浦能量的变化不敏感。然而提高泵浦能量会导致放大后信号光对比度的降低，因此在高对比度亦即小信号增益条件下提高信号光增益稳定性成为一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种光学参量啁啾脉冲放大器，以提高光参量啁啾脉冲放大增益稳定性和光束质量。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种光学参量啁啾脉冲放大器，包括飞秒脉冲振荡器、脉冲展宽器、时间同步控制器，OPCPA泵浦源和OPCPA放大器，其特点在于：所述的OPCPA泵浦源包括第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，所述的OPCPA放大器包括第一反射镜、第二反射镜和非线性晶体，上述元件的相对位置关系如下：

所述的飞秒锁模脉冲振荡器产生的超短脉冲序列经所述的脉冲展宽器，展宽到200ps量级，作为OPCPA的信号光注入所述的非线性晶体，同时所述的飞秒锁模脉冲振荡器产生的超短脉冲光作为时间基准触发所述的时间同步控制器同步控制所述的第一泵浦激光器和第二泵浦激光器的工作，所述的第一泵浦激光器输出的泵浦光脉冲经第一反射镜并以与信号光一定的夹角注入到所述的非线性晶体上，所述的第二泵浦激光器输出的泵浦光脉冲经第二反射镜以与信号光一定的夹角注入到非线性晶体上，通过控制使泵浦光与信号光三者同时注入到所述的非线性晶体上进行OPCPA放大。

所述的第一泵浦激光器和第二泵浦激光器是两台相同型号规格的激光器即OPCPA。

所述的脉冲展宽器为Offner脉冲展宽器、组合透镜式折叠型展宽器、全反射型折叠展宽器或Martinez双透镜望远镜光栅展宽器。

所述的OPCPA相位匹配方式为非共线I类相位匹配。

所述的第一泵浦激光器的泵浦光与信号光的夹角和OPCPA第二泵浦激光器的泵浦光与信号光的夹角的大小相同或者不同。

所述的OPCPA放大器中的非线性晶体，是偏硼酸钡（BBO）晶体、三硼酸锂（LBO）晶体或磷酸二氢钾（KDP）晶体。

本发明具有以下技术效果:

1、本发明光学参量啁啾脉冲放大器中的OPCPA放大器采用非线性晶体双泵浦光非共线相位匹配方式双泵浦，使得OPCPA光谱较宽，压缩后能够实现较窄的脉冲输出。

2、本发明装置中的OPCPA泵浦源为两台相互独立的激光器，避免了当双泵浦光同时注入非线性晶体时的干涉现象，提高了光束质量。

3、本发明的OPCPA泵浦源为两台相互独立的激光器，利用其输出脉冲随机性，降低了由于单台泵浦激光器输出脉冲时间抖动引起的注入到非线性晶体上信号光获得的实际泵浦能量的变化幅度。以此实现了OPCPA的小信号增益，在高对比度的条件下提高了信号光增益稳定性。

附图说明

图1为已有光参量啁啾脉冲放大装置结构示意图。

图2为本发明光学参量啁啾脉冲放大器实施例结构示意图

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，为本发明光学参量啁啾脉冲放大器实施例结构示意图，由图可见，本发明光学参量啁啾脉冲放大器实施例包括飞秒锁模脉冲振荡器1、脉冲展宽器2、时间同步控制器3、OPCPA泵浦源4及OPCPA放大器7。所述的OPCPA泵浦源4包括第一泵浦激光器5和第二泵浦激光器6，所述的OPCPA放大器7包括第一反射镜8、第二反射镜9和非线性晶体10，所述的第一泵浦激光器5输出光脉冲经第一反射镜8进入OPCPA放大器，并以与信号光一定的夹角注入到非线性晶体10上。所述的第二泵浦激光器6输出光脉冲经第二反射镜9进入OPCPA放大器，并以与信号光一定的夹角注入到非线性晶体10上。

所述的飞秒锁模脉冲振荡器1输出的光脉冲具有脉冲宽度极窄、光谱宽度较宽的特点，可为钛宝石、染料、Nd:YLF等锁模脉冲激光器。

飞秒锁模脉冲振荡器1产生的超短脉冲序列经脉冲展宽器2展宽到200ps量级，再送入OPCPA放大器7的非线性晶体10，作为OPCPA的信号光。

时间同步控制器3以飞秒锁模脉冲振荡器1产生的超短脉冲光作为时间基准，通过控制OPCPA泵浦源4触发时刻，两台泵浦激光器同步输出相同能量的泵浦光脉冲进入所述的OPCPA放大器；使泵浦光与信号光同时注入到非线性晶体10上

脉冲展宽器2可以为Offner脉冲展宽器、组合透镜式折叠型展宽器、全反射型折叠展宽器、或Martinez双透镜望远镜光栅展宽器。

所述的第一反射镜8、第二反射镜9和非线性晶体10，所述的第一反射镜8和第二反射镜9为反射率高于98%的镜片。

所述的非线性晶体10可为BBO、LBO或者KDP晶体。

本发明光学参量啁啾脉冲放大器实施例的工作过程如下：

1、飞秒锁模脉冲振荡器1产生中心波长为800nm，脉宽10fs的超短锁模脉冲序列作为信号光

2、飞秒锁模脉冲振荡器1输出超短脉冲的同时将同步信号输入至时间同步控制器3作为时间基准。

3、信号光经脉冲展宽器2展宽至200ps后，注入OPCPA放大器7中的非线性晶体10。

4、时间同步控制器3触发OPCPA泵浦源4，OPCPA泵浦源4中的第一泵浦激光器5和第二泵浦激光器6各自输出能量为90mJ、脉冲宽度为7ns、时间抖动量为0.5035ns(rms值)的光脉冲。

5、所述的两台泵浦激光器输出的光脉冲分别经第一反射镜8、第二反射镜9反射后与信号光同时注入非线性晶体10。其中第一反射镜8和第二反射镜9为800nm波段具有反射率高于99%膜层的镜片。非线性晶体10为BBO晶体，采用I类非共线匹配方式，第一泵浦激光器泵浦光与信号光的夹角为2.38°，第二泵浦激光器泵浦光与信号光的夹角为2.38°，所述的非线性晶体切割角度为23.8°，晶体长度为13.5mm。

6、信号光完成双台泵浦激光器泵浦OPCPA的放大过程后经OPCPA放大器7出射。

之后，可以根据实际对脉冲能量和功率的需要，经CPA放大阶段放大后进入脉冲压缩器，或者，直接进入脉冲压缩器，压缩脉冲宽度并输出超短超强的激光脉冲。

实验表明，本发明具有比单台激光器泵浦非线性晶体时具有更好的稳定性和光束质量。

Claims (6)

1.一种光学参量啁啾脉冲放大器，包括飞秒脉冲振荡器（1）、脉冲展宽器（2）及时间同步控制器（3），该系统还包括OPCPA泵浦源（4）及OPCPA放大器（7），其特征在于：所述的OPCPA泵浦源包括第一泵浦激光器（5）和第二泵浦激光器（6），两台泵浦激光器同步输出相同能量的光脉冲进入所述的OPCPA放大器；所述的OPCPA放大器（7）包括第一反射镜（8）、第二反射镜（9）和非线性晶体（10），上述元件的相对位置关系如下：

飞秒锁模脉冲振荡器（1）产生的超短脉冲序列经所述的脉冲展宽器（2），展宽到200ps量级，作为OPCPA的信号光所述的非线性晶体（10），同时所述的飞秒锁模脉冲振荡器（1）产生的超短脉冲光作为时间基准经所述的时间同步控制器（3）同步控制所述的第一泵浦激光器（5）和第二泵浦激光器（6）的工作，所述的第一泵浦激光器（5）输出的泵浦光脉冲经第一反射镜（8）并以与信号光一定的夹角注入到所述的非线性晶体（10）上，所述的第二泵浦激光器（6）输出的泵浦光脉冲经第二反射镜（9）以与信号光一定的夹角注入到非线性晶体（10）上，通过控制使泵浦光与信号光三者同时注入到所述的非线性晶体上。

2.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大器，其特征还在于所述的第一泵浦激光器（5）和第二泵浦激光器（6）是两台相同型号规格的激光器即OPCPA。

3.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的脉冲展宽器为Offner脉冲展宽器、组合透镜式折叠型展宽器、全反射型折叠展宽器或Martinez双透镜望远镜光栅展宽器。

4.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大器，其特征在于OPCPA相位匹配方式为非共线I类相位匹配。

5.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的第一泵浦激光器的泵浦光与信号光的夹角和OPCPA第二泵浦激光器的泵浦光与信号光的夹角的大小相同或者不同。

6.根据权利要求1至5任一项所述的光学参量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的非线性晶体（10）是BBO晶体、LBO晶体或KDP晶体。