CN101447636A

CN101447636A - 产生用于超快光参量放大器的高稳定度超连续白光的方法

Info

Publication number: CN101447636A
Application number: CNA2008102269286A
Authority: CN
Inventors: 于志浩; 翁羽翔
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2009-06-03

Abstract

本发明公开了一种产生用于超快光参量放大器的高稳定度超连续白光的方法，具体为：根据激光性质及超连续白光泵浦光聚焦系统的焦距，使用直径1－3mm的小孔光阑对泵浦超连续白光的激光进行空间选择和限制。在本发明方案中，使用适当大小的小孔光阑对用于超快光参量放大器中作为种子光的超连续白光的泵浦光进行适当的空间选择从而稳定光参量放大器输出，并进一步对作为种子光的超连续白光进行了空间选择，达到了控制光束质量的目的。

Description

产生用于超快光参量放大器的高稳定度超连续白光的方法

技术领域

本发明涉及一种产生用于超快光参量放大器的高稳定度超连续白光的方法，利用该方法可显著提高超快光参量放大器的稳定性和光束质量。

背景技术

在超快脉冲激光技术的发展中，如何产生脉冲更短、光谱范围更灵活的激光光源一直是此领域中的热门研究方向。自从20世纪90年代科学家实现了在非线性晶体中的光参量放大之后，光参量放大技术被逐渐完善，迄今为止已经成为了一种较为成熟的超快激光技术手段。光参量放大技术以其很宽的光谱可调范围、极窄的脉冲宽度，在超快时间分辨、超快光谱学等科研领域得到了广泛的应用。

在光参量放大器中，普遍应用超快激光在某些透明介质中聚焦产生的超连续白光作为种子光，使用400nm左右的超快激光对非线性晶体进行泵浦，利用超连续白光本身的啁啾性质和晶体中的非线性光参量放大过程实现可调制的超短脉冲输出。由于非线性放大过程对种子光强度非常敏感，因而能否得到稳定而均匀的超连续白光就成为了整个光参量放大器输出是否稳定的关键。目前市场上商品化的光参量放大器，其中超连续白光产生部分的设计缺乏原则指导，调节困难，整机光束稳定性受到严重影响。

由于光参量放大器不同于激光和光参量振荡器，激光并不是在谐振腔内产生，因此控制光束质量相当困难。目前商品化的超快光参量放大器，其光束在远场发散严重，光斑模式均匀性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可显著提高超快光参量放大器产生超连续白光的稳定性和光束质量的方法。

为实现上述目的，本发明产生用于超快光参量放大器的高稳定度超连续白光的方法，具体为：首先，对聚焦激发超连续白光前的泵浦激光进行空间选择和空间限制，其中空间选择指用小孔选择泵浦光光斑中强度均匀的一部分(通常为光斑中心)，保证白光光谱空间分布均匀，空间限制指用小孔限制泵浦光光斑通过面积，在能够产生稳定白光的前提下，控制通光孔径尽量小。在实际实验中，结合激光器的输出模式，我们将小孔光阑调整至直径2mm左右。这一尺寸的选择既确保了可以选择出激光模式中强度分布相当均匀的一小部分，又避免了由于小孔过小，衍射太强造成的波前损失和变形。实验表明，虽然直径2mm的小孔也会导致相当程度的衍射，但在传播较近距离时对光的聚焦影响较小。在实际应用中，根据使用的激光本身性质及超连续白光聚焦系统焦距，选择相应的小孔直径。激光光斑越大，聚焦系统焦距越长，则小孔直径相应可选择较大。对于普通的超快激光器，小孔直径一般控制在1-3mm内。同时，将小孔光阑选择在激光强度中心最均匀的位置，以保证输出的超连续白光光谱分布均匀。若光谱出现空间分布(由红到蓝)，则说明泵浦光强度沿此方向分布不均匀，须进一步调整。按此方法进行调节后，能够得到相对稳定的白光。但如果入射光强度太低，可能会导致达不到阈值而不产生超连续白光；如果强度太高，则也可能产生多通道干涉。因此，有必要对入射光强度进行一定的限制，但相对于传统的超连续白光调节方法，此强度限制是相对宽松的。在实验中，我们对优化好的系统使用10-30μJ/脉冲的150fs激光对蓝宝石晶体进行泵浦均能够产生性质优秀的超连续白光

本发明一种产生优化光参量放大器光束质量的方法，具体为：使用直径约0.5-2mm的小孔对作为种子光的超连续白光进行空间选择和限制，来提高放大光的光束质量，所述小孔的直径由超连续白光聚焦系统的焦距决定。

通过一系列实验，我们对超连续白光产生中的抖动现象的产生进行了说明和分析，并提出了调节超连续白光的指导性原则。通过对非共线光参量放大器中作为种子光的超连续白光进行优化的调节，进而使整个系统得到非常稳定的功率输出和很好的光斑模式。

通过对超连续白光产生的泵浦光进行不同的空间限制实验，我们对超连续白光光谱空间分布及抖动进行了研究。实验表明，在泵浦光较强时，白光更容易产生空间上的光谱条纹状分布，且此条纹状分布与泵浦光的空间分布直接相关。根据文献报道，在透明介质中产生超连续白光时，在伴随的自聚焦效应和光束本身的扩散效应共同作用下，白光在晶体中呈丝状传播。因此我们判断，当泵浦光强度较强，聚焦焦距较短时，在透明介质中会在不同角度上形成白光通道，从而在不同通道间产生干涉，形成干涉条纹。而激光强度分布的轻微抖动就直接造成了白光产生通道在空间上的位移，从而引起干涉条纹的抖动。由于自聚焦效应是高阶非线性效应，因此对激光强度变化非常敏感。

传统的白光产生方法通过控制光强打到单一通道白光产生的目的。但由于对泵浦光空间上的限制不够，无法做到对泵浦光强度分布的选择均一而对称，导致产生的白光有空间上的色散。另外，同样是由于泵浦光空间角过大，产生白光的自聚焦通道能量过于分散，会导致光谱展宽不够。

由于非线性参量放大是在以泵浦光为轴的一个特定角度的锥面中效率最高，该角度指非线性光参量放大晶体在泵浦光照射下形成锥状可见散射的角度，约6.1度，种子光与此锥面重合部分都被放大，因此若种子光的光束质量较差或光斑过大，则会导致放大光模式较差。基于以上考虑，在产生超连续白光后，由于白光的光谱分布均匀，因此我们进一步的对产生的超连续白光进行空间选择，只保留中心位置直径0.5-2mm左右的光斑作为种子光进入晶体。具体数值选择与白光聚焦系统焦距相关，聚焦系统焦距越大，相应的可以选择越大的小孔直径。这样，产生的放大光强度集中，模式好，放大功率利用率高。本方法同样适用于其他应用超连续白光作为种子光的超快激光器件。

附图说明

图1为实施例中飞秒级非共线超快光参量放大器(NOPA)样机内部光路原理图；

图2为使用光电倍增管和锁相放大器系统对激光和NOPA输出功率进行测量数据比较；

图3为非共线超快光参量放大器(NOPA)在远5.5m外的远场输出典型光斑模式图。

图1中主要元件说明：1、15、25、26——平面银镀膜反射镜；2——800nm，10％反射分光片；3——光束压缩系统；7、12、29、34——一维手动平移台；4、11、18、20、28、33、38——凸透镜；5——凹透镜；6——1mm倍频BBO晶体；8——400nm，30％反射分光片；9、10、13、24、27、30、31、32、35——400nm平面全反射镀膜镜片；14、16——偏振片(可选)；17——泵浦光空间限制光阑；19——2mm蓝宝石晶体；21——种子光限制光阑；22——1mm非共线光参量放大BBO晶体；23——一级放大光准直光阑；36——2mm非共线光参量放大BBO晶体；37——二级放大准直光阑；38——出射光准直透镜。

具体实施方式

我们将本发明产生用于超快光参量放大器的高稳定度超连续白光的方法实施于实验室中一台飞秒级非共线超快光参量放大器样机中。如图1所示，激光由反射镜1进入放大器，经800nm，10％反射分光片2分束后，90％功率进入光束压缩系统3，该光束压缩系统3包括一凸透镜4和凹透镜5，进入光束压缩系统3的激光经由凸透镜4和凹透镜5进入1mm倍频BBO晶体6，经400nm，30％分光片8反射后分出30％功率的400nm光聚焦在第一级1mm非共线光参量放大BBO晶体22上作为泵浦光。同时经由10％反射分光片2分束出的10％能量激光通过14、15偏振片组成的能量衰减器(可选装，在本次实验中未装)进入泵浦光限制光阑17，之后通过凸透镜18聚焦到2mm蓝宝石晶体19上产生超连续白光。凸透镜20收集并聚焦超连续白光到1mm非共线光参量放大BBO晶体22上成为种子光，途中使用种子光限制光阑21对光斑空间分布进行限制。经过一级放大的信号光通过银镜25、26反射并由透镜28聚焦到第二级2mm厚BBO晶体36上成为种子光。透过分束片8的400nm光经由平面全反射镜24、27、30、31、32、凸透镜33、平面全反射镜35聚焦到2mm非共线光参量放大BBO晶体36上作为泵浦光。最后经过两级放大的信号光经过光阑37和透镜38的准直输出。

在本实验中，根据激光的性质：激光输出功率、光斑尺寸、脉冲宽度和本飞秒级非共线超快光参量放大器的具体性质，对白光产生泵浦限制小孔的直径选择为2mm，对白光限制小孔的直径选择为1mm。激光输出功率越高、光斑尺寸越小、脉冲宽度越短，则光斑的功率密度越高，相应应对泵浦光进行衰减。相反，若激光功率较低，则应适当开大小孔保证达到阈值功率。聚焦透镜焦距越短，则焦点强度越强，可选择越小的小孔，反之须扩大小孔方能达到阈值功率。这一尺寸的选择既确保了可以选择出激光模式中强度分布相当均匀的一小部分，又避免了由于小孔过小，衍射太强造成的波前损失和变形。实验表明，虽然直径2mm的小孔也会导致相当程度的衍射，但在传播较近距离时对光的聚焦影响较小。在实际应用中，根据使用的激光本身性质及超连续白光聚焦系统焦距，选择相应的小孔直径。激光光斑越大，聚焦系统焦距越长，则小孔直径相应可选择较大。对于普通的超快激光器，小孔直径一般控制在1-3mm内。由于之前对泵浦光进行了10％分光，因此没有偏振片对泵浦光进行衰减。若激光功率很高，则需要对泵浦光进行适当衰减。小孔尺寸和聚焦调整适当后，超连续白光模块输出的白光光谱均匀，强度较弱但非常稳定。由于光参量放大过程为非线性过程，因此放大器输出功率依赖于激光器功率。如图2所示，我们使用光电二极管及斩波器、锁相放大器对激光功率和NOPA输出功率分别进行了典型的稳定性测量以用于比较。仪器设置每1s取一测量点，每测量点平均时间30ms。在此实验条件下测得激光抖动2.19％rms，放大器输出抖动为2.14％rms，整机功率稳定性甚至略高于输入激光功率。输出光斑模式见图3，在5.5米外的远场直径约2cm，估算发散角约为3.6mrad。

Claims

1.一种产生高稳定度用于超快光参量放大器的超连续白光的方法，其特征在于，根据激光性质及超连续白光泵浦光聚焦系统的焦距，使用直径1-3mm的小孔光阑对泵浦超连续白光的激光进行空间选择和限制。

2.一种产生优化光参量放大器光束质量的方法，其特征在于，使用直径约0.5-2mm的小孔对作为种子光的超连续白光进行空间选择和限制，来提高放大光的光束质量，所述小孔的直径由超连续白光聚焦系统的焦距决定。