CN100378566C - 宽带高增益再生放大器 - Google Patents

Abstract

一种适用于飞秒激光的宽带高增益再生放大器，其结构是在由凹面宽带全反射镜和平面宽带全反射镜构成的谐振腔内，沿光轴依次设置第一偏振片、普克尔盒、第二偏振片、色散元件和增益介质，在所述的谐振腔的两侧分别设有第一水平方向聚焦柱透镜、第一垂直方向聚焦柱透镜、第一泵浦光全反射镜及第二水平方向聚焦柱透镜、第二垂直方向聚焦柱透镜、第二泵浦光全反射镜的泵浦光输入结构，以调节输入到所述的增益介质上的泵浦光的能量分布与色散元件分离种子光的光谱成份相适应，使所述的增益介质对不同光谱成份的放大倍率趋于一致。本发明能消除再生放大器的增益窄化效应，具有放大效率高，增益带宽宽的优点。

Description

宽带高增益再生放大器

技术领域

本发明涉及飞秒激光，是一种应用于飞秒激光的宽带高增益再生放大器，属于飞秒脉冲放大，其特点是利用色散元件实现对不同的光谱成份的分别放大，具有增益带宽宽、放大效率高的优点。

背景技术

近年来啁啾脉冲放大技术(以下简称为CPA)的发展为人类成功地提供了脉冲宽度在飞秒量级(10^-15s)、峰值功率达太瓦(10¹²W)甚至拍瓦(10¹⁵W)量级的超短激光脉冲，其聚焦后的超高强度(10¹⁸W/cm²)在诸如电子加速等领域内具非常广泛的应用。CPA的基本思想是在放大前将飞秒量级的超短脉冲展宽成数百皮秒(10^-12s)甚至纳秒(10^-9s)量级的啁啾脉冲，经逐级放大后再进行压缩，从而获得超高功率，超短脉冲的输出。由于再生放大器能提供高增益(＞10⁶)，且放大次数具有任意可调性，因此成为啁啾脉冲放大系统优质的前端放大器。

再生放大器的工作原理是利用开关技术在某一时刻将振荡器输出的弱信号“导入”到一个具有一定贮能的谐振腔。注入的光信号作为一个种子，待种子光被充分放大以后再利用开关技术将其“倒出”腔外。在先技术提供了一个典型的再生发大器(C.P.J.Barty，G.Korn，F.Raksi et al，Regenerative pulseshaping and amplification of ultrabroadband optical pulses[J].Opt.Lett.1996，21(3)：219～221)，其光路布置如图1所示。能量弱的种子脉冲通过偏振片3反射入射普克尔盒5中，当种子脉冲通过普克尔盒5时，普克尔盒5上加半波电压，使得种子脉冲的偏振方向旋转90度，当种子脉冲通过普克尔盒5后将电压退回0，而种子脉冲透过偏振片4，在由宽带全反射镜1和宽带全反射镜2组成的再生放大器腔中来回振荡，并在通过增益介质6时能量被放大，当种子脉冲能量放大到最大时，再通过普克尔盒5时，普克尔盒5上再加上半波电压，使得种子脉冲的偏振方向旋转90度，这时种子脉冲通过普克尔盒5后将电压退回0，而种子脉冲被偏振片4反射而被倒出再生放大器。

在上述的装置中，种子脉冲的各种不同光谱成份沿着相同的路径在再生腔中振荡，因此在它们之间存在着非常强的竞争。尽管增益介质6的增益带宽可能很宽，但事实上只有在原子中心频率附近的光谱才有最大的受激发射截面，不同光谱成份被放大的速率不同。对于宽带的飞秒种子脉冲，当脉冲能量达到峰值时，中心频率附近的光谱已经将晶体内的大部分反转粒子数消耗完毕，而边缘部分的光谱也就不会被放大了，造成放大脉冲的带宽变窄，产生所谓的增益窄化效应。由于脉冲的时间宽度和频谱宽度呈反比关系，因此为了获得一定时间宽度的超短激光脉冲，一定要保证放大后的光脉冲具有相应的光谱宽度。所以增益窄化效应也就成为获得超短激光脉冲的瓶颈。

目前，人们已经提出了很多种克服再生放大器中增益窄化效应的办法(参阅图1)，例如在腔中插入标准具7、双折射滤波片9，或者在谐振腔的一端插入棱镜对8和空间掩膜等。目的是对不同的光谱成份引入不同的损耗，用以平衡增益介质的增益不均匀性，弥补增益窄化效应。

这些方法共同的缺点是：

第一、这些方法对不同光谱成份的损耗曲线不能任意控制，因此仅能在有限带宽范围内弥补增益窄化效应。

第二、由于在腔中引入了损耗器件，造成了再生放大器效率的降低和稳定性的下降。

第三、它们还有各自的弱点。标准具7对厚度要求非常严格，因此加工困难，价格昂贵；应用棱镜对8控制损耗时由于空间掩膜(Spatial Mask)会将一部分光谱100％拦截，因此将造成再生放大器输出光谱成份的严重缺失和不连续；另外，标准具7和双折射滤波片9对角度的要求都非常严格，因此再生腔内器件微小的变动都将破坏再生放大器的输出光谱，谐振腔易失调。

发明内容

本发明为了克服上述现有的再生放大器结构的缺陷，提供一种宽带高增益再生放大器，在不插入损耗器件的条件下消除再生放大器的增益窄化效应。该再生放大器，具有放大效率高，增益带宽宽的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于飞秒激光的宽带高增益再生放大器，其结构是在由凹面宽带全反射镜和平面宽带全反射镜构成的再生腔内，沿光轴依次设置第一偏振片、普克尔盒、第二偏振片、色散元件和增益介质，在所述的再生腔的两侧分别设有第一水平方向聚焦柱透镜、第一垂直方向聚焦柱透镜、第一泵浦光全反射镜及第二水平方向聚焦柱透镜、第二垂直方向聚焦柱透镜、第二泵浦光全反射镜的泵浦光输入结构，以调节输入到所述的增益介质上的泵浦光的能量分布与色散元件分离种子光的光谱成份相适应，使所述的增益介质对不同光谱成份的放大倍率趋于一致。

所述的色散元件为棱镜对、或光栅对。

在本发明中：所述的色散元件的功能是将被放大光脉冲的不同光谱成份在空间上相互分开，使得不同的光谱成份在腔内沿不同的路径振荡，最重要的是用增益介质的不同部分对光脉冲不同的光谱成份进行放大，消除不同光谱成份在放大过程中的竞争。

本发明宽带高增益再生放大器的具体工作过程如下：来自展宽器的皮秒光脉冲从第一偏振片入射。通常普克尔盒两端无电压，此时的普克尔盒相当于一块没有双折射的介质片，光脉冲通过普克尔盒后偏振方向保持不变，从第二偏振片出射，无法进入再生腔。用同步电路触发高压脉冲发生器对普克尔盒两端施加一个半波电压，ns量级，此时普克尔盒相当于一个半波片，这时，脉冲序列中的某一个光脉冲通过普克尔盒后偏振方向旋转90度，因此透过第二偏振片进入再生腔。当被“导入”的光脉冲经平面反射镜反射返回普克尔盒时，普克尔盒上的半波电压已经撤销，光脉冲便被关在了再生腔里面。经过10几个来回的振荡后脉冲能量达到峰值。此时再在普克尔盒两端加上一个半波高压脉冲，使放大后的脉冲在第二偏振片处被“倒出”。为了保证普克尔盒开关能够每次仅“捕获”一个光脉冲，要求半波高压脉冲的开关时间至少要小于振荡器输出脉冲序列的脉冲间隔时间。

与先技术相比，本发明具有以下显著的特点：

1、本发明所述的色散元件的位置和作用与先技术中的棱镜对有着本质的区别。先技术中棱镜对放置在谐振腔的一端，目的是与空间掩膜共同作用引入损耗。而在本发明中，增益介质位于色散元件和平面宽带全反射镜之间，由于增益介质在不同波长处的受激发射截面不同，因此在相同的泵浦条件下放大倍数有所不同，色散元件的作用的是使得被放大光脉冲的不同光谱成份在空间上相互分离，实现不同光谱成份的分别放大，消除增益窄化效应的产生机制。

2、本发明所述的色散元件的目的不是也没有在腔中引入任何损耗器件。

3、本发明对器件制作和精度调节要求低，因此廉价经济，工作稳定。而在先技术中，腔内的标准具和双折射滤波片对加工精度要求苛刻，而且由于其对角度的敏感性，使得谐振腔容易失调。

4、本发明的输出光谱在宽带范围内无光谱缺失，而在先技术中，当腔内插入棱镜对或空间掩膜时有严重的光谱缺失。

5、本发明可以单独控制任意光谱成份的增益，因此可以实现输出光谱的可控制性。

附图说明

图1现有的典型再生放大器结构示意图

图2本发明宽带高增益再生放大器结构示意图

图3本发明增益介质上的泵浦光能量分布曲线图

图4本发明宽带高增益再生放大器的单程小信号增益曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2是本发明宽带高增益再生放大器实施例的结构示意图。由图可见，本发明宽带高增益再生放大器的结构是在由凹面宽带全反射镜10和平面宽带全反射镜11构成的再生腔内，沿光轴依次设置有第一偏振片12、普克尔盒14、第二偏振片13、棱镜对15和增益介质16，在所述的再生腔的两侧分别设有第一水平方向聚焦柱透镜17、第一垂直方向聚焦柱透镜18、第一泵浦光全反射镜21及第二水平方向聚焦柱透镜19、第二垂直方向聚焦柱透镜20、第二泵浦光全反射镜22，以调节输入到所述的增益介质16上的泵浦光的能量分布与棱镜对15分离出的光的光谱成份相适应，使所述的增益介质16对不同光谱成份的放大倍率趋于一致。

在本发明中：棱镜对15的功能是将被放大光脉冲的不同光谱成份在空间上相互分开，使得不同的光谱成份在腔内沿不同的路径振荡，最重要的是用增益介质16的不同部分对光脉冲不同的光谱成份进行放大，消除不同光谱成份在放大过程中的竞争。值得说明的是，本发明中棱镜对15的位置和作用与在先技术中的棱镜对8有着本质的区别，参见图1。在先技术中棱镜对8放置在谐振腔的一端，目的是与空间掩膜共同作用引入损耗。而在本发明中，增益介质16位于棱镜对15和平面宽带全反射镜11之间，棱镜对15的作用的是使得被放大光脉冲的不同光谱成份在空间上相互分离，实现不同光谱成份的分别放大。此处的棱镜对15也可以用其它色散元件代替，如光栅对。由于增益介质16在不同波长处的受激发射截面不同，因此在相同的泵浦条件下放大倍数有所不同，第一水平方向聚焦柱透镜17、第二水平方向聚焦柱透镜19，第一垂直方向聚焦柱透镜18、第二垂直方向聚焦柱透镜20以及第一泵浦光全反射镜21、第二泵浦光全反射镜22的功能是调节增益介质16上的泵浦光的能量分布，使增益介质16对不同光谱成份的放大倍数趋于一致，实现宽带激光输出。调解增益介质16上的泵浦光强度，也可以使用其它光学元件实现。

本发明宽带高增益再生放大器的具体工作过程如下：来自展宽器(图中未示)的皮秒光脉冲从第一偏振片12入射。通常普克尔盒14两端无电压，此时的普克尔盒14相当于一块没有双折射的介质片，光脉冲通过普克尔盒14后偏振方向保持不变，从第二偏振片13出射，无法进入再生腔。用同步电路触发高压脉冲发生器对普克尔盒14两端施加一个半波电压，ns量级，此时普克尔盒14相当于一个半波片，这时，脉冲序列中的某一个光脉冲通过普克尔盒14后偏振方向旋转90度，因此透过第二偏振片13进入再生腔。当被“导入”的光脉冲经平面反射镜11反射返回普克尔盒14时，普克尔盒14上的半波电压已经撤销，光脉冲便被关在了再生腔里面。经过10几个来回的振荡后脉冲能量达到峰值。此时再在普克尔盒14两端加上一个半波电压脉冲，使放大后的脉冲在第二偏振片13处被“倒出”。为了保证普克尔盒14开关能够每次仅“捕获”一个光脉冲，要求半波高压脉冲的开关时间至少要小于振荡器输出脉冲序列的脉冲间隔时间。

采用掺钛蓝宝石连续锁模激光器输出的800nm，83MHz连续锁模脉冲序列，每个脉冲宽度约9fs，经过光栅对脉冲展宽器展宽后得到～0.7ns的连续锁模脉冲序列作为输入种子脉冲序列，从第一偏振片12入射。通常普克尔盒14两端无电压，光脉冲通过普克尔盒14后偏振方向保持不变，因此从第二偏振片13出射，无法进入再生腔。用同步电路触发高压脉冲发生器使普克尔盒14产生一个半波高压脉冲，宽度约8ns(小于脉冲间隔～12ns)，被选中的光脉冲在再生腔内经过约15个来回左右的振荡后脉冲能量达到峰值。此时再在普克尔盒14两端产生一个半波高压脉冲，宽度约8ns，使得放大后的脉冲在第二偏振片13处被“倒出”再生腔外。

我们为实现100nm的宽带激光放大。使用棱镜对15将740nm-860nm的光谱在空间展宽成为～1cm。为了尽量减小玻璃棱镜对15的插入损耗，我们将入射角和出射角均设计成布儒斯特角(对应800nm)。通过我们的计算，当采用SF10玻璃棱镜时，顶角为60.6度，入射角为59.7度，当棱镜间顶点距离为90cm时，740nm-860nm的光谱在空间被展宽为～1cm。

根据以上设计，我们选用的钛宝石晶体为截面2cm×1cm、厚度1cm的条状晶体作为增益介质16，吸收系数为1.3cm^-1。通过数值计算，当两束倍频YAG泵浦光中心间距1cm，中心强度分别为2J/cm²和1.92J/cm²，l/e半径为6mm时(参见图3)，可以得到如图4所示的宽带单程小信号增益曲线。从图中可以看到，我们已经在将近100nm的光谱范围内得到了平坦的增益曲线，考虑到增益饱和效应，实际能得到的输出光谱会更宽。

在实际操作中，由于所选择晶体的尺寸、吸收系数，以及腔内损耗等原因，实际需要的泵浦光强度分布将与计算结果有所偏差。可以通过调整第一水平方向聚焦柱透镜17、第一垂直方向聚焦柱透镜18、第一泵浦光全反射镜21及第二水平方向聚焦柱透镜19、第二垂直方向聚焦柱透镜20、第二泵浦光全反射镜22，可以微调泵浦光在晶体16上的强度分布。通过旋转第一泵浦光全反射镜21、第二泵浦光全反射镜22可以改变泵浦光两个峰值之间的距离，通过沿通光方向前后移动第一水平方向聚焦柱透镜17第二水平方向聚焦柱透镜19可以分别调整泵浦光两个峰的宽度，通过沿通光方向前后移动第一垂直方向聚焦柱透镜18和第二垂直方向聚焦柱透镜20可以分别调整泵浦光两个峰的高度。通过以上方法微调泵浦光在钛宝石晶体(16)上的能量分布，直到得到平坦且宽阔的输出光谱。

Claims (3)

1.一种应用于飞秒激光的宽带高增益再生放大器，其特征是在由凹面宽带全反射镜(10)和平面宽带全反射镜(11)构成的再生腔内，沿光轴依次是第一偏振片(12)、普克尔盒(14)、第二偏振片(13)、色散元件(15)和增益介质(16)，在所述的再生腔的上下两侧分别设有第一水平方向聚焦柱透镜(17)、第一垂直方向聚焦柱透镜(18)、第一泵浦光全反射镜(21)及第二水平方向聚焦柱透镜(19)、第二垂直方向聚焦柱透镜(20)、第二泵浦光全反射镜(22)。

2.根据权利要求1所述的宽带高增益再生放大器，其特征是所述的色散元件(15)为棱镜对、或光栅对。

3.根据权利要求2所述的宽带高增益再生放大器，其特征是所述的棱镜对的入射角和出射角均为布儒斯特角。

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