CN101449438B - 使用负啁啾和闲频信号的光参量啁啾脉冲放大（opcpa）装置 - Google Patents
使用负啁啾和闲频信号的光参量啁啾脉冲放大（opcpa）装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置包括光脉冲展宽器(100)，用于暂时展宽激光，并采用了短波长在前型啁啾。泵浦激光器(210，220)发射泵浦激光。第一光参量放大(OPA)单元(310)接收泵浦激光和已经通过光脉冲展宽器的信号，并且放大信号，产生第一闲频信号。第一光信号分离单元(410)将第一OPA单元的输出光分离成第一闲频信号和剩余光(泵浦光和信号)。第二OPA单元(320)接收第一闲频信号和另一泵浦激光，并放大第一闲频信号，产生第二闲频信号。第二光信号分离单元(420)将第二光参量放大单元的输出光分离成放大后的第一闲频信号和剩余光(泵浦光和第二闲频信号)。光脉冲压缩器(600)暂时压缩放大后的第一闲频信号。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA，OpticalParametric Chirped Pulse Amplification)装置，更具体地，涉及一种使用负啁啾和闲频信号(idler)的OPCPA装置，该装置放大锁模(mode-locked)超短波激光源，该激光源存在于波段范围从几十飞秒(fs；10-15秒，femtosecond)至几皮秒(ps：10-12秒，picosecond)的波段中。
背景技术
光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)是一种将传统啁啾脉冲放大(CPA)技术与光参量放大(OPA)概念相结合的新的光放大技术，并且是近来被积极研究的激光放大技术。
在传统的OPCPA装置中，首先将采用长波长在前型啁啾(通过光栅对的反平行产生的正啁啾)的反平行衍射光栅结构应用于光脉冲展宽器，并在放大完成后，将采用短波长在前型啁啾(通过光栅对的平行产生的负啁啾)的平行衍射光栅结构应用于光脉冲压缩器，以便补偿发生在光脉冲展宽器中的脉冲的暂时性展宽。
参照图1至4对该结构进行详细描述。
图1是示出了传统OPCPA装置结构的示意图。
参照图1，传统的OPCPA装置包括：光脉冲展宽器10、泵浦光注入(pump-injection)分色镜81和82、泵浦激光器21和22、光参量放大(OPA)单元31和32、泵浦光去除分色镜41和42、束流收集器51和52、以及光脉冲压缩器60。
光脉冲展宽器10通过为每个频率的激光改变光程来暂时展宽激光。即，光脉冲展宽器10将超短波激光的输出光的脉冲长度(脉冲持续时间)从原始波段的几飞秒(fs；10-15秒)/几十皮秒(ps；10-12秒)展宽至几百皮秒(ps；10-12秒)/几毫微秒(ns；10-9秒)的波段(关于这项技术，是指设计成实现高效率的光放大并避免损坏光学零件的相关CPA技术)。
在本说明书中，光脉冲展宽器10的输出光也简称作‘信号’。
光脉冲展宽器10的具体结构将在稍后参照图2至4进行描述，因此这里省略对它的详细描述。
泵浦激光器21和22是用于提供泵浦激光(也简称为‘泵浦光(pump)’)的装置。
泵浦光注入分色镜81和82是用于接收泵浦光和信号并将泵浦光和信号传送至下一级(OPA单元)的装置。
OPA单元31和32利用泵浦放大信号，并产生闲频信号。因此，根据能量守恒泵浦光自身衰减至相应程度。
因而，OPA单元31和32的输出光包括泵浦光、放大后的信号、以及闲频信号。
根据泵浦光与信号之间的相位匹配结构，光参量放大分为共线相位匹配和非共线相位匹配。当设计条件恰好选择在非共线相位匹配设置时，可以获得比在共线相位匹配结构下更宽的增益带宽。因此，在进行宽带光参量放大(宽带OPA)时，普遍采用非共线相位匹配。在这种情况下，由于根据波长产生的角色散导致难以随后采用闲频信号，所以使用束流收集器将闲频信号消除。
泵浦光去除分色镜41和42将OPA单元31和32的输出光分成信号和剩余光(闲频信号和泵浦光)，并且改变它们的光程。
例如，泵浦光去除分色镜41和42将信号反射，使闲频信号和泵浦光通过，并用束流收集器51和52将通过的闲频信号和泵浦光消除。
一般来说，由于从超短波激光振荡器自身发射的输出光每个脉冲具有非常小的能量，所以将输出光通过多级放大(OPA)单元进行放大。
也就是说，设置多个泵浦激光器21和22、OPA单元31和32、多个泵浦光去除分色镜41和42、以及多个束流收集器51及52，并且进行放大，直到获得期望强度的信号为止。
因此，在本说明书中，泵浦激光器21和22、泵浦光注入分色镜81和82、OPA单元31和32、泵浦光去除分色镜41和42、以及束流收集器51和52均标有‘第一和第二’的前缀。即，附图标号21是指第一泵浦激光器，而附图标号22是指第二泵浦激光器。因此，从第一泵浦激光器输出的光被称作第一泵浦，从第二泵浦激光器输出的光被称作第二泵浦。
如上所述，当信号放大达到期望强度时，最后通过使用光脉冲压缩器60完成暂时压缩。
附图标号71至74是用于改变光(束)路径的光路改变镜。
图2至4是示出了传统OPCPA装置的光脉冲展宽器结构的示意图，图2示出了反平行衍射光栅结构(折射型)，图3示出了反平行衍射光栅结构(反射型)，图4示出了反平行衍射光栅结构(Offner-三重型)。
参照图2，折射型反平行衍射光栅结构包括两个衍射光栅(分别称作‘第一衍射光栅’和‘第二衍射光栅’)111和112、两个透镜113和114、以及一个单屋脊镜115。
屋脊镜115的功能是在不同高度反射入射光。
现在描述入射光的光程。在光入射至第一衍射光栅111并被从第一衍射光栅111衍射后，衍射光穿过两个透镜113和114，并接着被入射至第二衍射光栅112并从第二衍射光栅112衍射。衍射光入射至屋脊镜115，并在不同高度被屋脊镜115反射。反射光经过第二衍射光栅112、两个透镜114和113以及第一衍射光栅111入射至光路改变镜71。
图2中的折射型反平行衍射光栅结构可能有以下问题。即，在包括透镜113和114的折射型反平行衍射光栅结构中，可能会发生透镜所造成的像差等等问题。
为了解决透镜所造成的像差问题，设计了图3中的反射型反平行衍射光栅结构。
参照图3，反射型反平行衍射光栅结构包括两个衍射光栅(分别称作‘第一衍射光栅’和‘第二衍射光栅’)121和122、两个柱形镜(或柱面镜)123和124、以及一个单屋脊棱镜125。
屋脊棱镜125执行与图2中的屋脊镜相同的功能。
描述图3中的光程。在光入射至第一衍射光栅121并从第一衍射光栅衍射后，衍射光穿过两个柱形镜123和124，并且接着入射至第二衍射光栅122并从第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊棱镜(或屋脊镜)125。入射光被屋顶棱镜125在不同高度反射。反射光通过第二衍射光栅122、柱形镜124和123、以及第一衍射光栅121入射至光路改变镜71。
反射型反平行衍射光栅结构可能有以下问题。具体来说，会发生因两个柱面镜相对于光轴的倾斜所造成的偏差问题(如像散和慧星象差)。
为了解决上述问题，设计了图4a(平面图)和图4b(侧面图)中的Offner三重结构。
参照图4，Offner三重结构包括单个的衍射光栅131，两个具有不同尺寸的球面镜(分别称做‘第一球面镜’和‘第二球面镜’)132和133、以及单屋脊棱镜(或单屋脊镜)134。
在上述结构中，屋脊棱镜134执行与图2中的屋脊镜相同的功能。
第二球面镜133比第一球面镜132尺寸大。
描述Offner三重结构的光程。在光入射至衍射光栅131并从衍射光栅衍射后，衍射光入射至第二球面镜133并从第二球面镜反射。在反射光入射至第一球面镜132并从第一球面镜衍射后，衍射光再次入射至第二球面镜133并从第二球面镜反射。反射光再次入射至衍射光栅131并从衍射光栅反射，并且反射光入射至屋脊棱镜134。入射光被屋顶棱镜134在不同高度反射。反射光穿过衍射光栅131、第二球面镜133、以及第一球面镜132，并且接着通过第二球面镜133和衍射光栅131输出。
接下来，描述传统的OPCPA装置的操作和效果。
首先，光经过具有如图2至4中所示结构的光脉冲展宽器10，并且因此输出了具有暂时被展宽的脉冲的波形，该波形中长波长在波长短之前。
经过光路改变镜71和72，光脉冲展宽器10的输出光(信号)入射至第一泵浦光注入分色镜81，并且第一泵浦激光器21的输出光(泵浦)也入射至第一泵浦光注入分色镜81。
信号和泵浦光都入射至第一OPA单元31。在第一OPA单元31中，当通过泵浦光放大信号的同时产生了闲频信号，并且因此泵浦光自身被衰减。
因此，第一OPA单元31的输出光包括泵浦光、放大后的信号、以及闲频信号。
输出光入射至第一泵浦光去除分色镜41，并分成放大的信号和剩余光(泵浦光和闲频信号)。即，衰减的泵浦光和闲频信号都穿过第一泵浦光去除分色镜41并被第一束流收集器51消除，同时放大的信号被第一泵浦光去除分色镜41反射。
如果放大的信号成功达到目标强度水平或更高强度，放大后的信号将直接入射至光脉冲压缩器60，否则，它将再次经历上述进程(从泵浦注入分色镜至束流收集器的进程)。
也就是说，如果从第一泵浦光去除分色镜41反射的信号(放大的信号)未能达到目标强度水平或更高强度，信号会入射到另一泵浦光注入分色镜(第二泵浦光注入分色镜)82，并且从第二泵浦激光器22产生的泵浦光也入射至第二泵浦光注入分色镜82。然后，重复上述进程，直至在通过第二OPA单元32、第二泵浦光去除分色镜42和第二束流收集器时上述信号成为放大到预定强度或更高强度的信号为止。
最后，放大的信号入射至光脉冲压缩器60，并且光脉冲压缩器60暂时压缩放大的信号。
然而，传统的OPCPA装置有以下问题。
也就是说，传统的OPCPA装置的问题在于，因为它将反平行衍射光栅结构(折射型、反射型、和Offner三重型)(参照图2至4)应用于光脉冲展宽器，同时将平行衍射光栅结构(参照图7)应用于光脉冲压缩器，而光脉冲结构的结构过于复杂。因此，传统OPCPA装置结构复杂，光学系统的调整变得困难，并且建造费用增加。
发明内容
因此，本发明为了解决上述问题，本发明的目的是通过以下特征，在解决传统OPCPA装置的问题(结构的复杂和成本的增加)的同时提供一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，该装置具有不同于传统的OPCPA装置结构的新结构。
第一，光脉冲展宽器采用的是使用短波长在前型啁啾的平行衍射光栅结构，而不是长波长在前型啁啾的反平行衍射光栅结构。
第二，在第一光参量放大(OPA)单元的输出光中，闲频信号替代放大后的信号入射至第二OPA单元，以及，
第三，与用在光脉冲展宽器中的结构相同的平行衍射光栅结构被应用于光脉冲压缩器。
详细描述本发明的上述目的。本发明不使用具有传统的复杂结构的光脉冲展宽器，而仅使用简单的衍射光栅对和共线相位匹配结构，在与传统结构的方向相反的方向上关于频率成分暂时展宽激光(有意识的负啁啾)，并使得激光通过两级光参量放大(2级OPA)。本发明意在通过使用以下方法从而从光脉冲压缩器的前级获取可压缩啁啾激光(啁啾光脉冲)，所述方法在丢弃初级放大(OPA)单元所放大的信号的同时只利用由初级放大(OPA)单元所产生的闲频信号，并且将取得的闲频信号作为信号用于随后的放大级。
特别是，对于几乎重叠的信号和泵浦光(几乎衰减的情况下)之间的关系，即，关于信号波长(λs)/泵浦光波长(λp)/闲频信号波长(λi)，现有技术满足λs<2λp<λi或λi<2λp<λs，而本发明满足
从而本发明提出新的OPCPA概念，该概念非常实用并且具有非常简单的结构，以便即使是在进行共线相位匹配时仍使大部分OPA增益成为宽带信号增益。
下面描述在光参量放大系统中闲频信号难以使用的原因。
首先，由于闲频信号在非共线相位匹配时会发生角色散(或角分散)，在稍后传送时光束会根据波长沿不同方向在空间穿行，因此，很难找到一种手段能够充分校正角色散。其次，角色散的问题可以通过在利用共线相位匹配的同时将闲频信号的偏光与普通光(普通波)匹配以使用闲频信号的方法解决，但通常是很难获得足够的宽频带增益以达到增益能均匀分布在信号的整个宽谱上的程度。第三，在特殊情况下，不考虑共线位相匹配，偶尔也可能获得能够将信号的整个频谱充分放大的宽频带增益，但在这种情况下，获得相对于放大后的信号的负啁啾脉冲，因此，仅使用典型的光脉冲压缩器不可能将脉冲的宽度恢复到原始宽度。此外，为了压缩和利用脉冲，需要新的光脉冲压缩器，该光脉冲压缩器由一系列具有宽直径(其加工很难)的昂贵的光学零件组成(其原因是，光脉冲展宽器通常具有比光脉冲压缩器更为复杂的结构)。
为了实现上述目标，本发明提供了一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，该装置包括：光脉冲展宽器，用于通过为每个频率改变激光的光程来暂时展宽激光，光脉冲展宽器采用了短波长在前型啁啾；一个或多个泵浦激光器，用于发射泵浦激光；第一光参量放大单元，用于接收泵浦激光和已经经过光脉冲展宽器的信号(信号光)，利用泵浦激光放大信号，并产生第一闲频信号；第一光信号分离单元，用于将第一光参量放大单元的输出光分离成第一闲频信号和剩余光(泵浦光和信号)；第二光参量放大单元，用于接收被第一光信号分离单元分离出的第一闲频信号和从另一个泵浦激光器输出的泵浦激光，利用泵浦激光放大第一闲频信号，并产生第二闲频信号；第二光信号分离单元，用于将第二光参量放大单元的输出光分离成放大后的第一闲频信号和剩余光(泵浦光和第二闲频信号)；以及光脉冲压缩器，用于暂时压缩放大后的第一闲频信号，其中在共线相位匹配下必须满足下面的关系式：关系式：
其中λs是信号的波长，λp是泵浦光的波长，λi是闲频信号的波长。
优选地，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器可以具有相同的结构，并可以具有平行衍射光栅结构。
优选地，平行衍射光栅结构可以包括具有平行布置的两个衍射光栅以及用于在不同高度反射入射光的单屋脊镜。
优选地，第一和第二光参量放大单元可以使用非线性光介质，诸如β硼酸钡(BBO)，三硼酸锂(LBO)，钛氧磷酸钾(KTP)，以及磷酸二氢钾(KDP)。
优选地，OPCPA装置可进一步包括：第一泵浦光注入分色镜，其放置在第一光参量放大单元的上游，并被构造成具有用于泵浦波长的防反射膜和用于信号波长的宽带高反射膜；以及第二泵浦光注入分色镜，其放置于第二光参量放大单元的上游，并被构造成具有用于泵浦光波长的防反射膜和用于第一闲频信号波长的宽带高反射膜，该第一闲频信号对应于第二光参量放大单元的信号。
优选地，第一光信号分离单元可以是第一泵浦光去除分色镜，用于反射由第一光参量放大单元输出的第一闲频信号，并让剩余光(第一泵浦光和信号)从中通过，从而将第一光参量放大单元的输出光分离成第一闲频信号和剩余光。
优选地，第二光信号分离单元可以是第二泵浦光去除分色镜，用于反射从第二光参量放大单元输出的放大后的第一闲频信号，并让剩余光(泵浦和第二闲频信号)从那里通过，从而将第二光参量放大单元的输出光分离成放大后的第一闲频信号和剩余光。
优选地，OPCPA装置可进一步包括第一束流收集器，用于消除被第一光信号分离单元分离出的泵浦光和信号。
优选地，OPCPA装置可进一步包括第二束流收集器，用于消除被第二光信号分离单元分离出的泵浦光和第二闲频信号。
优选地，OPCPA装置可进一步包括第一光路改变镜，该第一光路改变镜安装于光脉冲展宽器的下游，并适于将入射光的光路改成朝向第一泵浦光注入分色镜。
优选地，OPCPA装置可进一步包括第二光路改变镜，用于将从第二泵浦光去除分色镜反射的光的光路改为朝向光脉冲压缩器。
附图说明
图1是示出了传统的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置的结构示意图；
图2至4是示出了传统的OPCPA装置的光脉冲展宽器的结构示意图；
图5是示出了根据本发明的OPCPA装置的方块图；
图6是示出了图5的OPCPA装置的结构的详细示意图；
图7是示出了根据本发明的实施例的OPCPA装置的光脉冲展宽器的结构示意图；
图8示出了OPCPA装置设计的应用实例，其被设计成具有适用于本发明的共线相位匹配结构；
图9是示出了被根据本发明的OPCPA装置的光脉冲展宽器所展宽的原始信号的啁啾状态的曲线图；
图10a和图10b分别是示出了信号和第一闲频信号的啁啾状态的曲线图，该信号和第一闲频信号是根据本发明的OPCPA装置的第一OPA单元的输出光；以及
图11是示出了放大后的第一闲频信号的啁啾状态的曲线图，该放大后的第一闲频信号是根据本发明的OPCPA装置的第二OPA的输出光。
重要部件的标号说明：
100：光脉冲展宽器
210，220：泵浦激光器
310，320：光参量放大(OPA)单元
410，420：光信号分离单元(泵浦光去除分色镜)
510，520：束流收集器
600：光脉冲压缩器
710至740：光路改变镜
810，820：泵浦光注入分色镜
具体实施方式
下面，将参照附图详细描述本发明的实施例。
图5是根据本发明的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置的方块图，图6是示出了图5的OPCPA装置结构的详细示意图。
参照图5和图6，根据本发明的OPCPA装置包括：光脉冲展宽器100、泵浦激光器210和220、光参量放大(OPA)单元310和320、光信号分离单元410和420、束流收集单元(束流收集器)510和520、以及光脉冲压缩器600。
光脉冲展宽器100是用于通过为每个频率的激光改变光程来暂时展宽激光的装置，采用了短波长在前型啁啾(参照图9)。即，光脉冲展宽器100暂时将超短波激光的输出光的脉冲长度(脉冲持续时间)从几飞秒(fs；10-15秒)/几十皮秒(ps；10-12秒)的初始波段展宽至几百皮秒(ps；10-12秒)/数毫微秒(ns；10-9秒)的波段。
光脉冲展宽器100的结构将参照图7详细描述，并且因此，省略对它的详细描述。
泵浦激光器210和220是用于输出泵浦激光(泵浦光)的设备，并且本发明还可以提供两个或更多的泵浦激光器(第一，第二，...，激光器)。
OPA单元310和320利用泵浦光来放大信号，并产生闲频信号。因此，泵浦光自身衰减至相应程度。
具体而言，第一OPA单元310的入射光包括：输出自第一泵浦激光器210的光(第一泵浦光)以及光脉冲展宽器100输出的光(信号)，第一OPA单元310的输出光包括：衰减后的第一泵浦光、放大后的信号、和第一闲频信号。
此外，第二OPA单元320的入射光包括：从第二泵浦激光器220输出的光(第二泵浦光)以及由第一光信号分离单元410分离出的光(第一闲频信号)，第二OPA单元320的输出光包括：衰减后的第二泵浦光、放大后的第一闲频信号，以及新产生的闲频信号(第二闲频信号)。
OPA单元310和320优选采用非线性光学介质实现。非线性光学介质可以包括钛氧磷酸钾(KTP)，磷酸二氢钾(KDP)，三硼酸锂(LBO)，β硼酸钡(BBO)等。非线性光学介质具有针对泵浦光、信号和闲频信号的波长的防反射膜。在这种情况下，非线性光学晶体的制造和相位匹配结构的设计均根据泵浦光和信号的波长而变化。
OPA单元实现了几乎衰减的信号-泵浦光之间的关系。在现有技术中，一般能满足λs<2λp<λi或λs>2λp>λi的关系，然而，在本发明中，
的关系必须得到满足。
在这种情况下，λs是指信号的波长，λp是泵浦光的波长，λi是闲频信号的波长。
如果满足上述关系式，即使是在共线相位匹配下(参照图8)，大部分OPA增益可作为宽频带增益而获取。
每一个光信号分离单元410和420都将光信号分离成期望被消除的光信号和期望被传递到下一级的光信号。束流收集器510和520分别消除那些期望被消除的光信号和那些已被光信号分离单元410和420分离的光信号。
光信号分离单元410和420可包括泵浦光去除分色镜(作为例子)，泵浦光去除分色镜的功能是让期望被消除的光从该泵浦光去除分色镜中通过，而反射期望被传送到下一级的光。
具体而言，第一泵浦光去除分色镜410具有用于第一闲频信号的波长的宽带高反射膜，并具有用于第一泵浦光和信号的波长的防反射膜。因此，第一泵浦光去除分色镜的入射光被第一泵浦光去除分色镜分离为第一闲频信号和剩余光(信号和衰减后的第一泵浦光)。
此外，第二泵浦光去除分色镜420具有用于第一闲频信号的波长的宽带高反射膜，并具有用于泵浦光和第二闲频信号的波长的防反射膜。因此，第二泵浦光去除分色镜的入射光被第二泵浦光去除分色镜分离为放大后的第一闲频信号和剩余光(第二闲频信号和第二泵浦光)。
信号和衰减后的第一泵浦光通过第一束流收集器510消除，并且第二闲频信号和第二泵浦光通过第二束流收集器520消除。
当然，本发明可以根据它的原理反向执行泵浦光去除分色镜的功能。即，泵浦光去除分色镜可以反射期望被消除的光，并可以让期望被传送到下一级的光通过，因此，为消除反射光，可在相应的位置上提供束流收集器。然而，在实践中，为避免输出光的散射，分色镜优选设计成反射将被传送到下一阶段的输出光。
在本发明中，可以将第二泵浦激光器220、第二OPA单元320、第二泵浦光去除分色镜420、以及第二束流收集器510设置为多个，以便直至获得所期望的信号强度后才进行放大。
最后被放大的光信号是被放大到波长不同于原始信号的波长的信号，并且这种信号被光脉冲压缩器600暂时压缩。
本发明可进一步包括泵浦光注入分色镜810和820，其放置于OPA单元310和320的上游，并适于接收泵浦光和信号(或闲频信号)，并将接收到的光传送到下一级(OPA单元)。
具体而言，第一泵浦光注入分色镜810具有用于泵浦光波长的防反射膜，并具有用于信号波长的宽带高反射膜。并且，第二泵浦光注入分色镜820具有用于泵浦光波长的防反射膜，并具有用于与第二OPA单元的信号相对应的第一闲频信号波长的宽带高反射膜。因此，泵浦光注入分色镜的用于将接收到的两个光束传送到OPA单元。
此外，在本发明中，安装了多个光路改变镜710至740，从而将从前一级输出的光传送至下一级。
光路改变镜710至740必须具有用于信号整个波长波段的宽带高反射膜，并且用于改变入射信号的路径。
举例详细描述光路改变镜。光路改变镜710和720可以安装在光脉冲展宽器100的下游，以将入射光的路径改成朝向第一泵浦光注入分色镜810。此外，光路改变镜730可安装在第二泵浦光去除分色镜420的下游，以将入射光的路径改成朝向光脉冲压缩器。
此外，当本发明的OPA工作时，信号和闲频信号之间的偶数阶色散(或散射)(群速度色散：GVD，四阶色散：FOD等)的特征在于信号被转换成相反的信号，而奇数阶色散(三阶色散：TOD等)的特征在于信号保持不变。因此，衍射光栅对所产生的奇数阶色散在本发明的结构中积聚。但是，由于积累的奇数阶色散可以很容易地使用商业声光滤波器(例如，商业可编程声光色散滤波器：AOPDF，Dazzler等)或最近经常被利用的啁啾镜进行补偿，因此其在本发明中不是问题。
图7是示出了根据本发明实施例的OPCPA装置光脉冲展宽器的结构的示意图，其中示出了平行衍射光栅结构。
在本发明中，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器具有相同的结构。
例如，图2和图3的折射(反射)型反平行衍射光栅结构可以一起使用在光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中，并且图4的Offner-三重型反平行衍射光栅结构也可使用。
然而，在本发明中，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器都优选使用具有如图7的简单结构的平行衍射光栅结构，而不是使用图2至图4中的反平行衍射光栅结构。
参照图7，平行衍射光栅结构包括呈平行布置的两个衍射光栅141和142以及用于在不同高度反射入射光的单屋脊镜143。它的光程说明如下：在光入射至第一衍射光栅141并从该第一衍射光栅衍射后，衍射光入射至第二衍射光栅142并从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射至屋脊镜143，并在不同高度被屋脊镜143反射。反射光经过第二衍射光栅142和第一衍射光栅141输出。
图8示出了OPCPA装置设计的应用实施例，该装置被设计成具有可用于本发明的共线相位匹配结构。
图8a和8b是示出了OPA单元的参量增益曲线的曲线图。图8a是当泵浦光强度是400MW/cm2、BBO晶体的长度是15mm、且泵浦光的波长是532nm、并可用于放大具有范围从1045nm到1085nm的中心波长的信号时获得的曲线图。图8b是当泵浦光的强度是400MW/cm2、BBO晶体的长度是11mm、且泵浦光的波长是390nm、并可用于放大具有范围从770nm至790nm的中心波长的信号时所获得的曲线图(在这两种情况下，使用了对应类型I的相同的相位匹配，在类型I中信号和闲频信号的偏光都是普通波)。
具体而言，图8a和8b示出了光参量放大增益(参量增益)。例如，图8a中的实线代表通过设计为θ＝22.84°、α＝0°的放大级所获得的放大增益曲线，且还示出了关于具有波长为1030nm的信号获得的约2500倍的信号放大增益，以及关于具有波长为1050nm的信号获得的约1800倍的信号放大增益。
作为参考，图8a中的实线表示当θ＝22.84°且α＝0°时所获得的增益曲线，其中的虚线表示当θ＝22.85°且α＝0°时所获得的增益曲线，以及其中的点划线表示当θ＝22.86°且α＝0°时所获得的增益曲线。
此外，图8b中的实线表示当θ＝29.98°且α＝0°时所获得的增益曲线，其中的虚线表示当θ＝29.99°且α＝0°时所获得的增益曲线，以及其中的点划线表示当θ＝23.00°且α＝0°时所获得的增益曲线。在这种情况下，θ表示晶体光轴与泵浦光之间的夹角，α表示泵浦光与信号之间的夹角。
本发明使用共线相位匹配以利用闲频信号，如上所述，其必须满足下列条件(关系式)。
<条件> 
其中，λs是信号的波长，λp是泵浦光的波长，λi是闲频信号的波长。
如果上述条件得到满足，即使是进行共线相位匹配时，OPA增益仍可作为宽频带增益而获得。
图9是示出了被根据本发明的OPCPA装置的光脉冲展宽器展宽了的原始信号的啁啾状态的曲线图，图10a和10b是分别示出了信号和第一闲频信号的啁啾状态的曲线图，该信号和第一闲频信号是根据本发明的OPCPA装置的第一OPA单元的输出光。图11是示出了放大后的第一闲频信号的啁啾状态的曲线图，该第一闲频信号是根据本发明的OPCPA装置的第二OPA单元的输出光。
参照附图，如果单脉冲经过光脉冲展宽器100，脉冲变成被展宽的原始信号，如图9中所示。该信号在与经过传统的光脉冲展宽器10的信号方向相反的方向上啁啾。也就是说，在现有技术中，为了采用长波长在前型啁啾，脉冲经过反平行衍射光栅结构，而为了应用短波长在前型啁啾，脉冲经过平行衍射光栅结构。
当具有如此波形的脉冲经过第一OPA单元310时，产生放大的信号(参照图10a)和闲频信号(参照图10b)。
闲频信号具有长波长在短波长之前的结构。
如上所述，本发明被设置成使得第一OPA单元310的输出光中、信号和泵浦光都被分离并消除，而第一闲频信号被选择并被传送至下一级(第二OPA单元)。
当第一闲频信号通过第二OPA单元320时，产生放大的闲频信号，如图11中所示。
下面描述根据具有上述结构的本发明的OPCPA装置的操作和效果。
经过具有图7中所示结构的光脉冲展宽器100的激光具有根据波长被暂时展宽的形态。光脉冲展宽器100使用采用短波长在前型啁啾的方案，并因此输出如图9所示的波形。
光脉冲展宽器100的输出光(信号)通过光路改变镜710和720入射至第一泵浦光注入分色镜810，并且第一泵浦激光器210的输出光(第一泵浦光)也入射至第一泵浦光注入分色镜810。
信号和泵浦光同时入射至第一OPA单元310。在这种情况下，当使用泵浦光放大信号时，产生了闲频信号，并且泵浦光自身被衰减。
因此，第一OPA单元的输出光包括衰减后的第一泵浦光、放大的信号、以及第一闲频信号。
输出光入射至第一泵浦光去除分色镜410，并被分离为第一闲频信号和剩余光(第一泵浦光和信号)。第一泵浦光和信号穿过第一泵浦光去除分色镜410，并被第一束流收集器510消除，并且第一闲频信号被第一泵浦光去除分色镜410反射。
第一闲频信号入射至另一泵浦光注入分色镜(第二泵浦光注入分色镜820)，由第二泵浦激光器220所产生的泵浦光(第二泵浦光)也入射至第二泵浦光注入分色镜820。
第一闲频信号和第二泵浦光都入射至第二OPA单元320。在这种情况下，当使用泵浦光放大第一闲频信号时，产生新的闲频信号(第二闲频信号)，并且第二泵浦光自身也被衰减。
因此，第二OPA单元320的输出光包括衰减的第二泵浦光、放大的第一闲频信号、以及第二闲频信号。
输出光入射至第二泵浦光去除分色镜420，并被分离为第一闲频信号和剩余光(第二泵浦光和第二闲频信号)。即，第二泵浦光和第二闲频信号穿过第二泵浦光去除分色镜420，并被第二束流收集器消除，并且放大的第一闲频信号被第二泵浦光去除分色镜420反射。
放大的第一闲频信号相当于是被放大以具有与原始信号不同的波长的信号。
当放大的第一闲频信号是被放大到预定强度或更高强度的光时，该放大的第一闲频信号入射至光脉冲压缩器，否则该放大后的第一闲频信号经历上述过程(从第二泵浦光注入分色镜至第二束流收集器的过程)。
如果第一闲频信号是最终被放大至预定强度或更高强度的光，该第一闲频信号入射至光脉冲压缩器600，并且光脉冲压缩器600暂时压缩放大的闲频信号。
工业适用性
因此，本发明的优点在于，用于本发明的光脉冲展宽器具有比传统的光脉冲展宽器更简单的结构，因此使OPCPA装置的结构进一步简化。此外，本发明的优点还在于光学系统的调整得以简化，整个光学系统的稳定性得到了改善，并且制造成本降低。
另外，本发明的优点还在于，光通过光学介质时所发生的相当程度的散射可以通过转换结构(如长波长-短波长转换或短波长-长波长转换)消除。
此外，通过OPA单元的放大因数，传统的OPCPA装置选择性地放大信号和噪声，因此它的优势在于信噪比(SNR)相比典型的CPA单元有所改善，然而，如果使用本发明的结构，本发明具有使用信号产生的闲频信号完成放大的结构，从而可以预见，伴随着与放大因数相对应的信噪比SNR的改善，噪音的放大能够被进一步消除，因此，本发明提供了一种方案，以解决在将高功率激光聚焦在目标上产生的在前脉冲(pre-pulse)问题。
Claims (12)
1.一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，包括：
光脉冲展宽器，用于通过对每个频率的激光改变激光的光程来暂时展宽激光，所述光脉冲展宽器采用短波长在前型啁啾；
一个或多个泵浦激光器，用于发射泵浦激光；
第一光参量放大单元，用于接收所述泵浦激光以及已经经过所述光脉冲展宽器的信号光，使用所述泵浦激光放大所述信号光，并产生第一闲频信号；
第一光信号分离单元，用于将所述第一光参量放大单元的输出光分离为所述第一闲频信号和第一泵浦光、信号光；
第二光参量放大单元，用于接收被所述第一光信号分离单元分离出的所述第一闲频信号以及从另一泵浦激光器输出的泵浦激光，使用所述泵浦激光放大所述第一闲频信号，并产生第二闲频信号；
第二光信号分离单元，用于将所述第二光参量放大单元的输出光分离为放大的第一闲频信号和第二泵浦光、第二闲频信号；
声光滤波器，用于补偿奇数阶色散的闲频信号中的负啁啾脉冲；以及
光脉冲压缩器，用于暂时压缩所述放大的第一闲频信号，
其中，共线相位匹配时，必须满足下列关系式：
<关系式>
其中，λs是所述信号光的波长，λp是所述泵浦光的波长，λi是所述闲频信号的波长。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器具有相同的结构。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器具有平行衍射光栅结构。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述平行衍射光栅结构包括具有平行结构的两个衍射光栅以及用于在不同高度反射光的单屋脊镜。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二光参量放大单元使用非线性光学介质。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第一泵浦光注入分色镜，所述第一泵浦光注入分色镜放置于所述第一光参量放大单元的上游，并被构造成具有用于所述泵浦光的波长的防反射膜，并且具有用于所述信号光波长的宽带高反射膜；以及
第二泵浦光注入分色镜，所述第二泵浦光注入分色镜放置于所述第二光参量放大单元的上游，并被构造成具有用于所述泵浦光波长的防反射膜，并且具有用于所述第一闲频信号波长的宽带高反射膜，所述第一闲频信号对应于所述第二光参量放大单元的信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光信号分离单元是第一泵浦光去除分色镜，用于反射从所述第一光参量放大单元输出的所述第一闲频信号，并使所述第一泵浦光、信号光从所述第一泵浦光去除分色镜通过，从而将所述第一光参量放大单元的输出光分离为所述第一闲频信号和所述第一泵浦光、信号光。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二光信号分离单元是第二泵浦光去除分色镜，用于反射从所述第二光参量放大单元输出的所述放大的第一闲频信号，并使所述第二泵浦光、第二闲频信号从所述第二泵浦光去除分色镜通过，从而将所述第二光参量放大单元的输出光分为所述放大的第一闲频信号和所述第二泵浦光、第二闲频信号。
9.根据权利要求1或7所述的装置，进一步包括第一束流收集器，所述第一束流收集器用于消除被所述第一光信号分离单元分离出的所述第一泵浦光和所述信号光。
10.根据权利要求1或8所述的装置，进一步包括第二束流收集器，所述第二束流收集器用于消除被所述第二光信号分离单元分出的所述第二泵浦光和所述第二闲频信号。
11.根据权利要求6所述的装置，进一步包括第一光路改变镜，所述第一光路改变镜安装于所述光脉冲展宽器的下游，并适于将入射光的路径改为朝向所述第一泵浦光注入分色镜。
12.根据权利要求8所述的装置，进一步包括第二光路改变镜，用于将从所述第二泵浦光去除分色镜反射的光的路径改为朝向所述光脉冲压缩器。
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| 刘红军，陈国夫，赵卫，王屹山，赵尚弘.用光学参量啁啾脉冲放大技术产生TW级激光脉冲系统的最优化设计.《物理学报》.2001,第50卷(第9期),全文. * |
| 熊红军,赵卫,陈国夫.用于OPCPA展宽器的原理和优化设计.《光子学报》.2004,第33卷(第12期),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100749342B1 (ko) | 2007-08-14 |
| WO2007139272A1 (en) | 2007-12-06 |
| CN101449438A (zh) | 2009-06-03 |
| US20090161202A1 (en) | 2009-06-25 |
| JP2009538443A (ja) | 2009-11-05 |
| JP4691606B2 (ja) | 2011-06-01 |
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