CN100452569C

CN100452569C - 光学参量啁啾脉冲放大激光系统

Info

Publication number: CN100452569C
Application number: CNB2007100414172A
Authority: CN
Inventors: 姜永亮; 冷雨欣; 陈晓伟; 李小芳; 徐至展
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: CN101055968A

Abstract

一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，包括钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器、第一分束片、CEP稳定信号脉冲源、OPCPA同步泵浦源、OPCPA放大级和压缩器，在该钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器的输出光束方向是第一分束片，该第一分束片将激光束分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是所述的CEP稳定信号脉冲源、OPCPA放大级和压缩器，所述的CEP稳定信号脉冲源由光子晶体光纤、啁啾镜、周期极化铌酸锂晶体和展宽器构成；所述的OPCPA放大级由第一双色镜、第一非线性晶体、第二双色镜和第二非线性晶体组成；所述的OPCPA同步泵浦源由调Q倍频YAG激光器、窄带钛宝石再生放大器、第二分束片和全反镜组成的。本发明装置可获得脉宽＜30飞秒的近红外超短激光脉冲输出。

Description

光学参量啁啾脉冲放大激光系统

技术领域

本发明涉及激光系统，特别是一种近红外波段的载波包络相位(以下简称为CEP)稳定的光学参量啁啾脉冲放大(以下简称为OPCPA)激光系统。

背景技术

近年来，超短脉冲激光技术得到了飞速的发展，啁啾脉冲放大(以下简称为CPA)技术与OPCPA技术的不断完善使得超短激光脉冲的脉宽不断窄化，已经成功地实现了周期量级超短超强脉冲的输出。目前，对超短脉冲系统的研究主要局限于800nm波段和1064nm波段。在惰性气体中高次谐波的产生以及超高速光通信等应用方面，获得近红外波段的超短脉冲具有重要的意义。

超短脉冲的载波包络相位(简称为CEP)定义为脉冲包络峰值和电场峰值之间的相对相位，CEP的作用在阿秒脉冲产生、光学原子钟和量子相干控制等领域中显得异常重要。超短脉冲激光系统中的CEP稳定方法可以分为主动和被动两种方式。主动CEP稳定方式是通过对系统的载波相位漂移(CEO)进行测量并反馈控制的方式实现的(Nature Vol.421，No.6，611-616，2003)。这种方式对飞秒振荡器的CEP稳定非常有效，但在kHz重复频率高能量放大方式下提供实时的测量反馈是难于实现的。日本的A.Baltuska等人提出了利用差频(差频)过程实现被动CEP稳定的方法(Physical Review Letters，Vol.88，No.13，133901，2002)。基于这种原理，意大利的C.Manzoni等人提出一种使用空心光纤为光谱展宽元件结合非线性晶体中的差频过程实现CEP稳定的光学参量放大(简称为OPA)脉冲激光系统(Optics Express，Vol.14，No.21，10109-10116)，其光路布置如图1所示。飞秒钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)系统1输出中心波长位于～800nm、单脉冲能量～1.5mJ和脉冲宽度～50fs的超短超强激光脉冲序列。该脉冲序列的一部分(～250μJ)输入CEP稳定信号脉冲发生部分6中，另一部分(～1.25mJ)经过分束片8后分为两部分，分别用作两级OPA过程的泵浦光。进入CEP稳定信号脉冲发生部分6中的脉冲序列首先由空心光纤3中的非线性作用进行光谱展宽，展宽的脉冲由啁啾镜4时域压缩后经过偏硼酸钡(简称为BBO)晶体5中的II类相位匹配差频过程得到CEP稳定的近红外信号脉冲。差频过程得到的信号光直接输入到OPA放大级14中进行放大，经过两级BBO晶体11、13中的飞秒脉冲泵浦非共线OPA过程得到放大后的CEP稳定飞秒脉冲输出。

由于空心光纤中的光谱展宽能力有限，该系统需要输出高能量脉冲的飞秒钛宝石CPA激光系统作为前级。并且放大级中采用的是BBO晶体中的飞秒脉冲泵浦非共线OPA过程来对信号脉冲进行放大，对系统的同步调节精度要求很高，系统的输出功率受到信号脉冲宽度和泵浦脉冲能量的制约也相当有限。另外，波长的调谐是通过转动晶体角度来实现的，对后面光路影响较大，而且不容易精确控制。

发明内容

本发明的目的是针对上述在先技术中存在的不足，提供了一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，该系统输出波长在1.55μm附近可调的超短脉冲的载波包络相位稳定的激光。

本发明的原理是利用非线性光子晶体光纤(PCF)将钛宝石锁模振荡器输出的飞秒脉冲的部分能量进行高效率光谱转换，然后基于周期极化铌酸锂晶体中的共线准相位匹配差频过程，获得近红外波长可调谐的CEP稳定信号光。信号光通过全光同步窄带泵浦OPCPA的方式得到放大。通过对周期极化铌酸锂晶体温度的控制实现对信号波长的精确调谐。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征是包括钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器、第一分束片、CEP稳定信号脉冲源、OPCPA同步泵浦源、OPCPA放大级和压缩器，其位置关系如下：在该钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器的输出光束方向是第一分束片，该第一分束片将激光束分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是所述的CEP稳定信号脉冲源、OPCPA放大级和压缩器，所述的CEP稳定信号脉冲源由同光轴的光子晶体光纤、啁啾镜、周期极化铌酸锂晶体和展宽器构成；所述的OPCPA放大级是沿光路依次由第一双色镜、第一非线性晶体、第二双色镜和第二非线性晶体组成的；所述的OPCPA同步泵浦源是沿光路依次由调Q倍频YAG激光器、窄带钛宝石再生放大器、第二分束片和全反镜组成的；所述的反射光束注入所述的窄带钛宝石再生放大器的谐振腔中进行放大，放大后经所述的第二分束片和全反镜分别经所述的第一双色镜和第二双色镜注入所述的OPCPA放大级进行同步泵浦。

本发明激光系统的工作步骤如下：

1)钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器产生中心波长位于800nm、单脉冲能量～80nJ和脉冲宽度＜50fs的超短脉冲序列；该脉冲序列由第一分束片分成两部分，分别注入到CEP稳定信号脉冲源和OPCPA同步泵浦源中用于产生OPCPA放大级的信号脉冲和泵浦脉冲。

2)注入CEP稳定信号脉冲源中的脉冲经过光子晶体光纤中的非线性光谱转换作用后，很大一部分能量被转移到550nm左右，光谱转换后的脉冲用啁啾镜进行时域压缩，然后通过周期极化铌酸锂晶体中550nm分量与850nm分量的差频过程得到中心波长位于1550nm附近的CEP稳定的宽带差频信号，再经过展宽器后得到OPCPA放大级的信号脉冲。在差频过程中，通过控制周期极化铌酸锂晶体的温度可以对差频信号的中心波长在一定范围内实现温度调谐。

3)输入OPCPA同步泵浦源中的脉冲经过由调Q倍频YAG激光器泵浦的窄带再生放大器后输出中心波长位于800nm的窄带高能量长脉冲序列，该脉冲序列由第二分束片分为两部分，分别用做两级OPCPA放大的泵浦光。

4)从CEP稳定信号脉冲源中输出的信号光直接入射并通过双色镜与800nm的泵浦光入射到非线性晶体中进行高增益预放，第一次放大后的信号光经过另一个双色镜与另一束泵浦光入射到非线性晶体上得到充分放大；

5)放大后的信号脉冲由压缩器压缩到～30fs量级，得到近红外波段CEP稳定的超短脉冲输出。

综上所述，与在先技术相比，本发明具有以下显著的特点：

1)采用特殊结构的非线性光子晶体光纤对脉冲光谱进行转换，并采用周期极化铌酸锂晶体作为差频器件，从而用nJ量级的振荡器飞秒脉冲就可以得到CEP稳定的近红外宽带信号光；而在先技术中需要百μJ量级的飞秒光才可以得到CEP稳定的信号光，转换效率低；

2)通过对差频周期极化铌酸锂晶体的温度调谐可以在一定范围内方便地实现对输出脉冲中心波长的调谐；

3)放大级中采用了全光同步窄带泵浦OPCPA的放大方式，可以有效地获得高增益放大；而先技术中采用的是BBO晶体中非共线宽带飞秒光泵浦OPA的放大形式，能够获得的脉冲能量有限。

附图说明

图1为在先技术可调谐近红外CEP稳定OPA超短脉冲激光系统结构示意图。

图2本发明光学参量啁啾脉冲放大激光系统结构示意图。

图3为本发明实施例中经过光子晶体光纤进行转换后的光谱。

图4为本发明实施例中计算得到的CEP稳定的差频信号光谱。

图5为本发明实施例中第一级OPCPA过程的增益谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2本发明光学参量啁啾脉冲放大激光系统结构示意图。由图可见，本发明光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器15、第一分束片16、CEP稳定信号脉冲源21、OPCPA同步泵浦源24、OPCPA放大级30和压缩器32组成，其位置关系如下：在该钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器15的输出光束方向是第一分束片16，该第一分束片16将激光束分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是所述的CEP稳定信号脉冲源21、OPCPA放大级30和压缩器32，所述的CEP稳定信号脉冲源21由同光轴的光子晶体光纤17、啁啾镜18、周期极化铌酸锂晶体19和展宽器20构成；所述的OPCPA放大级30是沿光路依次由第一双色镜26、第一非线性晶体27、第二双色镜28和第二非线性晶体29组成的；所述的OPCPA同步泵浦源24是沿光路依次由调Q倍频YAG激光器22、窄带钛宝石再生放大器23、第二分束片25和全反镜31组成的；所述的反射光束注入所述的窄带钛宝石再生放大器23的谐振腔中进行放大，放大后经所述的第二分束片25和全反镜31分别经所述的第一双色镜26和第二双色镜28注入所述的OPCPA放大级30进行同步泵浦。

如上所述，本激光系统主要包括以下部分：钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器15，分束片16，CEP稳定信号脉冲源21，OPCPA同步泵浦源24，OPCPA放大级30，压缩器32。钛宝石飞秒锁模振荡器15输出中心波长位于800nm、单脉冲能量～80nJ和脉冲宽度＜50fs的超短脉冲序列，该脉冲序列由第一分束片16分成两部分，分别注入到CEP稳定信号脉冲源21和OPCPA同步泵浦源24中。CEP稳定信号脉冲源21产生中心波长位于1.55μm附近的CEP稳定的宽带OPCPA信号光。其中光子晶体光纤17将输入的800nm飞秒脉冲大部分能量转移到位于550nm的光谱主峰上；由啁啾镜18时域压缩后的脉冲在周期极化铌酸锂晶体19中经历差频过程，由于差频过程的泵浦光和信号光来源于同一宽带脉冲，则输出的闲置光相位就会保持为常数而实现CEP稳定，忽略泵浦光损耗时，差频过程可以用如下的耦合方程来描述：

\frac{d A_{s}}{dz} = i κ_{DF} A_{p} A_{i}^{*} \exp (izΔk) - - - (1)

\frac{d A_{i}}{dz} = i κ_{DF} A_{p} A_{s}^{*} \exp (izΔk) - - - (2)

其中下标i，s，p分别代表闲置光、信号光和泵浦光，A为光电场变量，κ_DF为差频过程耦合系数，Δk为相位失配量，z为光在晶体中传播的距离。

差频后的宽带脉冲经过展宽器20展宽后作为信号脉冲输入到OPCPA放大级30中进行放大。OPCPA同步泵浦源24产生中心波长位于800nm的窄带ps量级的脉冲激光，其中窄带再生放大器23是用调Q倍频YAG激光器22泵浦的。窄带再生放大器23输出的激光脉冲经第二分束片25分为两部分，分别用做两级OPCPA放大的泵浦光。OPCPA放大级30主要由非线性晶体27和29组成，放大后的信号脉冲由压缩器32压缩到～30fs量级，得到近红外波段CEP稳定的超短脉冲输出。OPCPA放大级中的增益可以用下式来描述：

G＝1+(ξL)²(sinh B/B)² (3)

其中：G为信号光增益，

B = \sqrt{{(ξL)}^{2} - {(ΔkL / 2)}^{2}},

ξ为小信号增益，L为晶体厚度，Δk为相位失配量。

本实施例的结构如图2所示。采用可以输出脉宽～50fs，中心波长800nm单脉冲能量～80nJ的钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器15，通过第一分束片16分为～10nJ和～70nJ两部分。前者作为种子光注入到OPCPA放大级同步泵浦源24中进行窄带放大，后者注入到OPCPA信号光发生系统21中。注入70nJ脉冲经光子晶体光纤17中的非线性光谱变换作用后，得到能量～10nJ光谱形状如图3所示的超连续谱输出，经过啁啾镜18的压缩之后得到～9nJ(～10fs)的超短脉冲。通过1mm厚的周期极化铌酸锂晶体19中的差频过程，可以得到中心波长位于1550nm左右能量～5pJ的CEP稳定的脉冲输出，经过棱镜对展宽器20的展宽作用后得到～5ps的信号脉冲。根据方程(1)、(2)计算得到的差频过程的闲置光光谱形状如图4所示。OPCPA放大级同步泵浦源24中采用输出波长532nm的调Q倍频YAG激光器22泵浦窄带钛宝石再生放大器23，输出～5mJ(10ps)的800nm窄带脉冲作为OPCPA的泵浦光入射到OPCPA放大级30中。OPCPA放大级30中采用两级放大：第一级放大中采用3mm厚的周期极化铌酸锂晶体27得到高增益放大，在100μJ的泵浦能量下可以获得～1μJ的信号放大输出，根据方程(3)计算得到的第一级OPCPA过程的增益谱如图5所示；第二级放大采用5mm厚的三硼酸锂(LBO)晶体29，在4.9mJ的泵浦能量下可以获得～0.5mJ的1550nm宽带啁啾脉冲输出。最后，经过压缩器32后可以得到脉冲能量＞0.2mJ、脉冲宽度～30fs的中红外CEP稳定的超短脉冲输出。

Claims

1、一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征是由钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器(15)、第一分束片(16)、CEP稳定信号脉冲源(21)、OPCPA同步泵浦源(24)、OPCPA放大级(30)和压缩器(32)组成，其位置关系如下：在该钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器(15)的输出光束方向是第一分束片(16)，该第一分束片(16)将激光束分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是所述的CEP稳定信号脉冲源(21)、OPCPA放大级(30)和压缩器(32)，所述的CEP稳定信号脉冲源(21)由同光轴的光子晶体光纤(17)、啁啾镜(18)、周期极化铌酸锂晶体(19)和展宽器(20)构成；所述的OPCPA放大级(30)是沿光路依次由第一双色镜(26)、第一非线性晶体(27)、第二双色镜(28)和第二非线性晶体(29)组成的；所述的OPCPA同步泵浦源(24)是沿光路依次由调Q倍频YAG激光器(22)、窄带钛宝石再生放大器(23)、第二分束片(25)和全反镜(31)组成的；所述的反射光束注入所述的窄带钛宝石再生放大器(23)的谐振腔中进行放大，放大后经所述的第二分束片(25)分成反射光束和透射光束，反射光束进入第一双色镜(26)，透射光束被全反镜(31)反射后进入第二双色镜(28)，经所述的第一双色镜(26)和第二双色镜(28)的光注入所述的OPCPA放大级(30)进行同步泵浦。