CN101473251A - 使用三阶色散啁啾的用于双光谱光参量啁啾脉冲放大（opcpa）的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OPCPA装置。本发明的OPCPA包括光脉冲展宽器(100)，用于使用奇数阶色散(主要使用三阶色散)输出啁啾激光。泵浦激光器(200)输出泵浦激光。OPA单元(300)接收泵浦激光和啁啾激光(信号)，使用泵浦激光放大信号，并产生闲频信号。光信号分离单元(400)将OPA单元的输出光线分离为信号、闲频信号、以及剩余光线(泵浦光)。光脉冲压缩器(600)补偿由光脉冲展宽器所赋予的奇数阶色散所致的脉冲啁啾，从而将信号和闲频信号临时压缩在一起，所述信号和闲频信号彼此交迭。

Description

使用三阶色散啁啾的用于双光谱光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的装置

技术领域

本发明通常涉及光参量啁啾脉冲放大(OPCPA，OpticalParametric Chirped Pulse Amplification)装置，且更具体地，本发明涉及这样一种OPCPA装置，该装置使得波长带宽以及能量放大系数加倍，从而不仅补偿了光谱损失，而且还获得了具有小于原始信号脉冲宽度的临时脉冲宽度的激光。

背景技术

通常，光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)用于将存在于数飞秒(fs；10^-15秒)范围内的波段中的超短波锁模(ultrashort mode-locked)激光源放大到数百飞秒。OPCPA是将传统啁啾脉冲放大(CPA)技术与光参量放大(OPA)的概念结合起来的一种新的光放大技术，并且是近来已被积极探究的激光放大技术。

在传统的OPCPA装置中，首先将采用长波长在前型(preceding-type，领先型)啁啾(由逆(反)平行光栅对施加的正啁啾)的逆平行衍射光栅结构应用于光脉冲展宽器，并且在放大完成后，将采用短波长在前型啁啾(由逆平行光栅对施加的负啁啾)的平行衍射光栅结构被应用于光脉冲压缩器，以使在光脉冲展宽器中出现的脉冲的临时展宽得以补偿。

参照图1至图4详细描述这样的OPCPA装置。

图1a是传统OPCPA装置的简单图表，且图1b是示出了图1a的OPCPA装置的构造的详细视图。

参照图1a和图1b，传统OPCPA装置包括：光脉冲展宽器10、泵浦光注入(pump-injection)分色镜80、泵浦激光器20、光参量放大(OPA)单元30、泵浦光去除(pump-removal)分色镜40、束流收集器50、以及光脉冲压缩器60。

光脉冲展宽器10通过改变每个频率的激光的光程(opticalpath，光路)而临时展宽激光。也就是说，光脉冲展宽器10将超短波激光器的输出光线的脉冲宽度(脉冲持续时间)从数飞秒(fs；10^-15秒)/数十皮秒(ps；10^-12秒)的初始波段展宽到数百皮秒(ps；10^-12秒)/几毫微秒(ns；10^-9秒)的展宽波段(关于这项技术，参考被设计用来实现有效的光放大且避免对于光学部件的损害的相关CPA技术)。

在这种情况下使用且设置在放大阶段的在先阶段中的光脉冲展宽器根据波长实施分散作用(dispersion)，并作为空间分散(光程长度差异)的结果展宽临时的脉冲宽度(临时脉冲持续时间)，这也被称作脉冲啁啾。

在本说明书中，光脉冲展宽器10的输出光线被简称为“信号”。

在传统OPCPA装置中，光线穿过上述光脉冲展宽器，并且因而输出临时啁啾信号(长波长在短波长之前)，如图4中所示。

泵浦激光器20是用于提供泵浦激光(也被简称作“泵浦光”)的装置。

泵浦光注入分色镜80是用于接收泵浦光和信号并将泵浦光和信号传输至下一级(OPA单元)的装置。

OPA单元30使用泵浦光将信号放大，并产生闲频信号(idler)。因此，根据能量守恒泵浦光自身衰减至相应程度。

因此，OPA单元的输出光包括泵浦光、放大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(phase matchingconfiguration)，光参量放大被分为共线相位匹配和非共线相位匹配。当在非共线相位匹配结构中适当地选择设计条件时，可获得比共线相位匹配更宽的增益带宽。因此，在进行宽带光参量放大(宽带OPA)时，通常使用非共线相位匹配。在这种情况下，由于根据波长的角色散导致难以随后使用闲频信号，因此使用束流收集器去除闲频信号。

泵浦光去除分色镜40将OPA单元30的输出光分离为信号和剩余光(闲频信号和泵浦光)，并改变其光路。

例如，泵浦光去除分色镜40反射信号、使得闲频信号和泵浦光从中穿过、并且使用束流收集器50去除穿过的闲频信号和泵浦光。

通常，由于从超短波激光振荡器自身中发射出的输出光线每一脉冲具有非常少量的能量，因此输出光线通过多级放大(OPA)装置进行放大。

在这种情况下，放大装置包括泵浦激光器21和22、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。提供多个放大装置，因此可获得具有期望强度的信号。

如上所述的，当执行了将信号放大至期望强度时，使用光脉冲压缩器60最终执行临时压缩。

参考标号71至74是用于改变光线(束)路径的光路改变镜。

图2a至图2d是示出了传统OPCPA装置的光脉冲展宽器的构造的视图，其中图2a示出了逆平行衍射光栅结构(折射型)、图2b示出了逆平行衍射光栅结构(反射型)、以及图2c和图2d示出了逆平行衍射光栅结构(Offner三重型)的平面图和侧视图。

首先，参照图2a，折射型的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、以及单个屋脊镜115。

屋脊镜115用于在不同的高度下反射入射光。

下面描述折射型的衍射光栅结构的光程。在光线入射到第一衍射光栅111上且从该第一衍射光栅衍射之后，衍射光穿过两个透镜113和114并入射到第二衍射光栅112上且从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊镜115上，并在不同的高度下从屋脊镜115反射。反射光通过第二衍射光栅112、两个透镜114和113、以及第一衍射光栅111入射到光路改变镜71上。

在这种情况下，相应分隔距离(即，处于平行光栅结构中的具有相同啁啾功率的光栅之间的相应分隔距离)用2f-s₁-s₂表示，其中，f表示透镜113和114的焦距，而s₁和s₂分别表示透镜113与衍射光栅111之间的距离和透镜114与衍射光栅112之间的距离。

在图2a的折射型逆平行衍射光栅结构中，可能出现以下问题。也就是说，在包括透镜113和114的折射型逆平行衍射光栅结构中，可能会出现由于透镜导致的色差(或色像差)等问题。

为了解决由于透镜导致的色差问题，而设计出了图2b的反射型逆平行衍射光栅结构。

参照图2b，反射型逆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(cylinder mirror，柱面镜)123和124、以及单个屋脊棱镜125。

屋脊棱镜125执行与图2a的屋脊镜相同的功能。

下面描述反射型逆平行衍射光栅结构的光程。在光线入射到第一衍射光栅121上且从该第一衍射光栅衍射之后，衍射光穿过两个柱形镜123和124入射到第二衍射光栅122上且从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊棱镜125上。入射光线在不同的高度下从屋脊棱镜125反射，并且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入射到光路改变镜71上。

在这种情况下，相应分隔距离用2f-s₁-s₂表示，其中，f表示柱形镜123和124的焦距，而s₁和s₂分别表示柱形镜123与衍射光栅121之间的距离和柱形镜124与衍射光栅122之间的距离。

图2b的反射型逆平行衍射光栅结构中可能具有以下问题。具体地，可能会出现由于两个柱形镜相对于光轴的倾斜而导致的偏差(诸如像散和彗差)问题。

为了解决上述问题，而设计了图2c(平面图)和图2d(侧视图)的Offner三重结构。

参照图2c和图2d，Offner三重结构包括单个衍射光栅131、具有不同尺寸的两个球面镜(分别称作“第一球面镜”和“第二球面镜”)132和133、以及单个屋脊棱镜134。

在上述结构中，屋脊棱镜134执行与图2a的屋脊镜相同的功能。

第二球面镜133大于第一球面镜132。

下面描述Offner三重结构的光程。在光线入射到衍射光栅131上且从该衍射光栅衍射之后，衍射光入射到第二球面镜133上且从该第二球面镜133反射。在反射光入射到第一球面镜132上且从该第一球面镜132反射之后，反射光再次入射到第二球面镜133上且从该第二球面镜133反射。反射光再次入射到衍射光栅131上且从该衍射光栅衍射，并且衍射光入射到屋脊棱镜134上。入射光线在不同的高度下从屋脊棱镜134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，然后通过第二球面镜133和衍射光栅131输出。

在这种情况下，相应分隔距离用2(R-s)表示，其中，R表示第二球面镜133的曲率半径，而s表示从第二球面镜133到衍射光栅131的距离。

图2e是示出了通过传统光脉冲展宽器中的逆平行衍射光栅结构执行的信号啁啾的图表。

图2e示出了由典型光脉冲展宽器产生的信号啁啾的计算机模拟的结果。在具有图2c和图2d的Offner三重结构的模拟中，如下设定用于衍射光栅的参数。也就是说，使用一级(first-order)衍射，衍射光栅中的凹槽数量被设定为1740条/mm，入射角被设定为62.8°，衍射角被设定为70.8°，并且相应分隔距离被设定为530mm。

因此，以1054nm的波长为中心，具有8nm光谱(范围从1050nm至1058nm)的信号被展宽约800ps。该值(800ps)是通过用光线的速度除光程-长度差(optical path-length difference)所获得的数值，其中光程-长度差为240mm，光线的速度为30万km/s。

例如，已穿过光脉冲展宽器的激光具有随波长被临时展宽的脉冲结构。在这种情况下，下面将描述光脉冲随波长被临时展宽的原因。也就是说，超短波激光包括具有不同波长分量的激光。因此，当光线穿过用于各个波长分量的衍射光栅结构时，其光线行进距离不同，因此由于各个波长分量的临时时延(temporal delay)之间的差异导致光脉冲被临时展宽，该临时时延可归因于光线行进距离的不同。

图3a是示出了传统OPCPA装置的光脉冲压缩器的构造的视图。

参照图3a，平行衍射光栅结构包括具有平行布置的两个衍射光栅141和142、以及用于在不同的高度下反射入射光的单个屋脊镜143。

下面描述平行衍射光栅结构的光程。在光线入射到第一衍射光栅141上且从该第一衍射光栅衍射之后，衍射光入射到第二衍射光栅142上且从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊镜143上，并在不同的高度下从屋脊镜143反射。反射光通过第二衍射光栅142和第一衍射光栅141被输出。

在这种情况下，相应分隔距离可由这两个衍射光栅141与142之间的距离表示。

图3b是示出了由传统光脉冲压缩器中的平行衍射光栅结构执行的信号啁啾的图表。

图3b示出了在典型光脉冲压缩器中产生的信号啁啾结构的计算机模拟的结果。在图3b的平行衍射光栅结构中，如下设定用于衍射光栅的参数。也就是说，使用负(-)一级衍射，每个衍射光栅的凹槽数量被设定为850条/mm，入射角被设定为5.0°，衍射角被设定为79.4°，并且相应分隔距离被设定为692mm。

因此，以1054nm波长为中心，具有8nm光谱的信号被临时展宽约800ps。在这种情况下，光程-长度差约为240mm。

而且，这种光脉冲压缩器可以将以1054nm的波长为中心，具有8nm光谱且已被典型的光脉冲展宽器临时展宽约800ps的信号临时压缩至其原始状态。

接下来，下面将描述传统OPCPA装置的操作和效果。

首先，原始信号穿过具有图2a至图2d构造的光脉冲展宽器10，因此输出了被临时展宽的波形，其中长波长在短波长之前(参照图4)。

光脉冲展宽器10的输出光线(信号)通过光路改变镜71和72入射到第一泵浦光注入分色镜81上，并且从第一泵浦激光器21输出的泵浦光线也入射到第一泵浦光注入分色镜81上。

信号和泵浦光均入射到第一OPA单元31上。在第一OPA单元31中，通过泵浦光放大了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的输出光线包括：泵浦光、放大的信号、以及闲频信号。

输出光线入射到第一泵浦光去除分色镜41上，并且被分离为放大的信号和剩余光线(泵浦光和闲频信号)。也就是说，被衰减的泵浦光和闲频信号两者均穿过第一泵浦光去除分色镜41且被束流收集器51去除，并且放大的信号从第一泵浦光去除分色镜41反射。

如果放大的信号成功地达到目标强度水平或更高强度，则放大的信号入射到光脉冲压缩器60上，否则，放大的信号再次经历以上程序(从泵浦光注入分色镜到束流收集器的程序)。

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，则信号入射到另一泵浦光注入分色镜(第二泵浦光注入分色镜)82上，并且从第二泵浦激光器22中产生的泵浦光也入射到第二泵浦光注入分色镜82上。之后，信号和泵浦光穿过第二OPA单元32、第二泵浦光去除分色镜42、以及第二束流收集器52。重复以上程序直到上述信号被放大至预定强度或更高强度为止。

最后，放大的信号入射到光脉冲压缩器60上，并且光脉冲压缩器60临时压缩放大的信号。

然而，传统OPCPA装置具有以下问题。

也就是说，传统OPCPA装置使用二阶色散(群速度色散：GVD)形成线性脉冲啁啾结构。然而，这种结构的问题在于，由于信号和闲频信号(它们是OPA单元的输出光线)中的二阶色散项(second-order dispersion term)具有相同的量级并且具有相反的符号(sign，正负号)，因此在光脉冲压缩器中补偿脉冲啁啾是困难的。因此，具有的能量强度大致等于放大信号的能量强度的闲频信号通常不能被利用，并且必须被去除。

对于色散的详细描述，可参照图7。

发明内容

因此，考虑到现有技术中存在的上述问题而提出了本发明，本发明的目的是提供一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，其中光脉冲展宽器和光脉冲压缩器均使用三阶色散(其为奇数阶色散)，并且其中OPA单元的输出光线之中的信号和闲频信号两者均一起用于使得波长带宽以及能量放大系数加倍，从而不仅补偿了光谱损失，而且还获得了具有小于原始信号脉冲宽度的临时脉冲宽度的激光。

下面描述在上述构造中使用奇数阶色散的目的。

也就是说，偶数阶色散(诸如传统的二阶色散(群速度色散)和四阶色散)的缺点在于，由于在执行OPCPA时信号和闲频信号的项(term)具有相同的量级并且具有相反的符号，因此难以在光脉冲压缩器中进行同时的补偿。与此相反，奇数阶色散(诸如本发明中使用的三阶色散)的优点在于，由于信号和闲频信号的项具有相同的量级和符号，因此便于光脉冲压缩器中的补偿。

例如，在传统的OPCPA装置中难以一起利用放大的信号和闲频信号两者。其原因如下所述。

第一，由于在非共线相位匹配(该非共线相位匹配通常用于宽带光参量放大)中闲频信号发生角色散，当稍后传送时光束会根据波长在空间上沿不同方向穿行，因此难以寻求到能够充分校正角色散的方法。

第二，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(寻常波)匹配以使用闲频信号，能够解决闲频信号角色散的问题，但是通常难以获得足够的宽带增益以达到增益能均匀地分布在与超短波信号相对应的信号的整个宽频谱上的程度。

第三，在特殊情况中，不考虑共线相位匹配，偶尔也可获得能够使得信号的整个频谱充分放大的宽带增益，但是在这种情况下，放大的信号和闲频信号两者具有沿相反方向的啁啾脉冲(放大的信号和闲频信号的相反的啁啾状态(chirp-state))，因此仅使用典型的光脉冲压缩器不能将临时脉冲宽度恢复为原始宽度。

为了实现以上目的，本发明提供了一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，所述装置包括：光脉冲展宽器，用于使用奇数阶色散(主要为三阶色散)输出啁啾激光(chirped laser light)；泵浦激光器，用于输出泵浦激光；光参量放大单元，用于接收泵浦激光和啁啾激光(信号)、使用泵浦激光放大信号、并产生闲频信号；光信号分离单元，用于将光参量放大单元的输出光线分离为信号、闲频信号、以及剩余光线(泵浦光)；以及光脉冲压缩器，用于补偿光脉冲展宽器所赋予的奇数阶色散所致的脉冲啁啾，从而将信号和闲频信号临时压缩在一起，所述信号和闲频信号彼此交迭，其中在进行共线相位匹配的情况下满足以下关系式，<关系式>：

其中λ_s是信号的波长，λ_p是泵浦光的波长，以及λ_i是闲频信号的波长。

优选地，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中的每个均可实施为使用一半的U形啁啾结构(其使用三阶色散)用于信号，并且使用其剩余的一半用于闲频信号。

优选地，光脉冲展宽器可施加容许中心波长追随周围波长并容许周围波长在中心波长之前的啁啾，或者可施加容许中心波长在周围波长之前并容许周围波长追随中心波长的啁啾。

优选地，OPCPA装置还可包括用于去除残余偶数阶色散(即，四阶色散等)的装置。

优选地，偶数阶色散去除装置可为声光滤波器和啁啾镜(chirpmirror)中之一。

优选地，偶数阶色散去除装置可被放置在位于光参量放大(OPA)单元上游的光路上。

优选地，光脉冲展宽器可实施为使得逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置，从而当执行脉冲啁啾时去除二阶色散(群速度色散)。

优选地，光脉冲压缩器可实施为使得逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置。

优选地，可对用在逆平行衍射光栅结构中的衍射光栅和用在平行衍射光栅结构中的衍射光栅赋予不同的参数值。

优选地，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器可被设计为，使得用在光脉冲展宽器的逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构中的衍射光栅的参数值分别与用在光脉冲压缩器的平行衍射光栅结构和逆平行衍射光栅结构中的衍射光栅的参数值相同。

优选地，平行衍射光栅结构可包括具有平行布置的两个衍射光栅，以及用于在不同的高度下反射入射光线的单个屋脊镜。

优选地，光参量放大单元可被实施为使用非线性光学介质，并且非线性光介质可为β硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、磷酸钛氧钾(KTP)、以及磷酸二氢钾(KDP)中的一种。

优选地，光信号分离单元可为泵浦光去除分色镜，该泵浦光去除分色镜用于反射从光参量放大单元输出的闲频信号和放大的信号，以及使剩余光线(泵浦光)从中穿过，从而将光参量放大单元的输出光线分离为闲频信号、放大的信号，以及剩余光线。

优选地，OPCPA装置还可包括束流收集器，用于去除由光信号分离单元分离出来的泵浦光。

优选地，OPCPA装置还可包括镜(泵浦光注入分色镜)，用于接收光脉冲展宽器和泵浦激光器两者的输出光线以及将输出光线传输到光参量放大单元。

优选地，OPCPA装置还可包括布置在光脉冲展宽器的下游且适于将入射光线的路径改变成朝向泵浦光注入分色镜的光路改变镜。

优选地，OPCPA装置还可包括用于将由光信号分离单元分离出来的信号和闲频信号的路径改变成朝向光脉冲压缩器的光路改变镜。

附图说明

图1a是示出了传统OPCPA装置的简单图表；

图1b是示出了图1a的OPCPA装置的构造的详细视图；

图2a至图2d是示出了传统OPCPA装置的光脉冲展宽器的视图；

图2e是示出了通过传统光脉冲展宽器中的逆平行衍射光栅结构执行的信号啁啾的图表；

图3a是示出了传统OPCPA装置的光脉冲压缩器的视图；

图3b是示出了通过传统光脉冲压缩器中的平行衍射光栅结构执行的信号啁啾的图表；

图4是示出了主要使用群速度色散(二阶色散)的传统OPCPA装置的光脉冲展宽器的输出光线(信号)的视图；

图5是示出了根据本发明的OPCPA装置的构造的详细视图；

图6a是根据本发明的OPCPA装置的光脉冲展宽器和光脉冲压缩器的构造的简单框图；

图6b和图6c是示出了根据本发明实施例的光脉冲展宽器和光脉冲压缩器的构造的详细视图；

图7a是示出了根据本发明的在U形啁啾脉冲发生器中产生的信号啁啾结构的计算机模拟结果的图表，在该U形啁啾脉冲发生器中逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地(in series，或串联)布置；

图7b是示出了根据本发明的在另一种U形啁啾脉冲发生器中产生的信号啁啾结构的计算机模拟结果的图表，在该U形啁啾脉冲发生器中逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置；

图7c是示出了从图7a的图表中所示出的数值中推导出来的图表；

图8示出了OPCPA装置设计的应用实例，该OPCPA装置被设计成具有可应用于本发明的共线相位匹配结构；

图9是示出了通过根据本发明的OPCPA装置的光脉冲展宽器(使用三阶色散)被展宽的原始信号啁啾状态的图表；以及

图10a和图10b是示出了信号和闲频信号的啁啾状态的图表，该信号和闲频信号是根据本发明的OPCPA装置的OPA单元的输出光线。

<重要部件的参考标号说明>

100：光脉冲展宽器；200：泵浦激光器；

300：光参量放大(OPA)单元；

400：光信号分离单元(泵浦光去除分色镜)；

500：束流收集器；600：光脉冲压缩器；

700至770：光路改变镜；800：泵浦光注入分色镜。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。

图5是示出了根据本发明的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置的构造的详细视图。

参照图5，本发明的OPCPA装置包括：光脉冲展宽器100、泵浦激光器200、光参量放大(OPA)单元300、光信号分离单元400、束流收集器单元(束流收集器)500、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其光程而临时展宽激光的装置，但是该装置应用短波长(或长波长)在前型啁啾(参照图9)。也就是说，光脉冲展宽器100将超短波激光器的输出光线的脉冲长度(脉冲持续时间)从数飞秒(fs；10^-15秒)/数十皮秒(ps；10^-12秒)的初始波段临时展宽到数百皮秒(ps；10^-12秒)/数毫微秒(ns；10^-9秒)的波段。

在混合式啁啾脉冲放大(CPA)装置(其中OPCPA装置与典型CPA装置相互组合)的情况中，本发明的光脉冲展宽器100优选实施为使得远离中心波长的波长领先于靠近中心频率的波长。然而，仅从本发明的立场来看，可认为使得靠近中心波长的波长领先于周围波长(该周围波长远离中心波长)的结构与使得远离中心波长的周围波长领先于靠近中心波长的波长的结构是相同的结构，它们原则上并无差别。

与传统光脉冲展宽器不同，本发明的光脉冲展宽器100使用奇数阶色散。

此外，本发明的OPCPA装置可包括用于去除偶数阶色散的部件。稍后将结合图6的光脉冲展宽器和光脉冲压缩器一起描述该部件，因而此处省略对该部件的详细描述。

泵浦激光器200是用于输出泵浦激光(泵浦光)的装置。

OPA单元300使用泵浦光来放大信号，并产生闲频信号。因此，通过能量守恒使得泵浦光自身衰减至相应程度。

详细地说，OPA单元300的入射光线包括从泵浦激光器200输出的光线(泵浦光)，以及从光脉冲展宽器100输出的光线(信号)，并且OPA单元300的输出光线包括衰减的泵浦光、放大的信号、以及闲频信号。

OPA单元300优选使用非线性光学介质实现。非线性光学介质可包括磷酸钛氧钾(KTP)、磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)、β硼酸钡(BBO，偏硼酸钡)等。非线性光学介质具有用于泵浦光、信号、以及闲频信号的波长的抗反射涂层。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改变。

OPA单元300实现了一种几乎衰减的信号-泵浦光之间的关系。在现有技术中，通常要满足λ_s<2λ_p<λ_i或λ_s>2λ_p>λ_i的关系，而在本发明中，必须满足

的关系。

在这种情况中，λ_s表示信号的波长，λ_p是泵浦光的波长，λ_i是闲频信号的波长。

如果满足了上述关系式，即使是在共线相位匹配下，也能实现大部分OPA增益可作为宽带增益而获取(参照图8)。

光信号分离单元400将从OPA单元300中输出的光线分离成期望被去除的部分和期望被传输至下一级(例如，光脉冲压缩器)的部分。束流收集器500去除所述期望被去除且已被光信号分离单元400分离出来的光信号。

光信号分离单元400可包括例如泵浦光去除分色镜，并且泵浦光去除分色镜用于使期望被去除的光线从中穿过，并且用于反射期望被传输至下一级的光线。

详细地说，泵浦光去除分色镜400具有用于闲频信号和信号的波长的宽带高反射涂层，并且具有用于泵浦光的波长的抗反射涂层。因此，泵浦光去除分色镜400的入射光线可被泵浦光去除分色镜分离成闲频信号和剩余光线(信号和衰减的泵浦光)。

衰减的泵浦光被束流收集器500去除。

当然，本发明根据它的原理也可反向地执行泵浦光去除分色镜的功能。也就是说，泵浦光去除分色镜可反射期望被去除的光线，并可使得期望被传输至下一级的光线从中穿过，因此束流收集器可被设置在相应位置处以便去除反射光。然而，在实践中，为了避免输出光线中的色散，分色镜优选被设计成用于反射输出光线(该输出光线将被传输至下一级)。

如上所述，在本发明中，OPA单元的输出光线的泵浦光被去除，并且该输出光线的放大信号和闲频信号被入射到光脉冲压缩器600上。

光脉冲压缩器600补偿由光脉冲展宽器100施加的奇数阶色散所导致的脉冲啁啾，从而将交迭的信号和闲频信号临时压缩在一起。这样，本发明的OPCPA装置可将能量放大系数增加至传统OPCPA装置的大约两倍大，并且还可使其波长带宽加倍。

在本发明中，泵浦光注入分色镜800优选设置在OPA单元300的上游。

泵浦光注入分色镜800用于接收泵浦光和信号，并且用于将泵浦光和信号传输至下一级(OPA单元)。

也就是说，泵浦光注入分色镜800具有用于泵浦光的波长的抗反射涂层，并且具有用于信号的波长的宽带高反射涂层。因此，泵浦光注入分色镜800可同时接收光脉冲展宽器的已从光路改变镜被反射的输出光线(信号)和泵浦激光器的输出光线(泵浦光)两者。

在本发明的一个实施例中，安装了多个光路改变镜730至750。

光路改变镜730至750是用于改变光路的装置，以使得从前一级输出的光线可被成功地输入至下一级。每个光路改变镜均具有用于信号整个波长范围的宽带高反射涂层。

例如，光路改变镜730和740被安装在光脉冲展宽器100的下游，并适合于改变光路，以允许从光脉冲展宽器输出的信号入射到泵浦光注入分色镜800上。

此外，光路改变镜750被安装在泵浦光去除分色镜400的下游，并适合于改变光路，以允许泵浦光去除分色镜400的输出光线(信号和闲频信号)入射到光脉冲压缩器600上。

光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中的每个均具有使用三阶色散的U形啁啾结构。在本发明中，使用一半的U形啁啾结构用于信号，并且使用剩余的一半用于闲频信号(参照图7a和图7b)。此外，使用具有的波长相当于1/2中心波长的泵浦光，该中心波长对应于U形啁啾结构的顶点。例如，如图7a和图7b所示，当1054nm的中心波长用作U形啁啾结构的顶点时，本发明使用具有波长为527nm的泵浦光。

此外，本发明优选还包括用于去除偶数阶色散(例如，四阶色散等)的装置。例如，由光脉冲展宽器和光脉冲压缩器的结构(逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构的连续布置)去除二阶色散(参照图6)。

偶数阶色散去除装置被安装成用于防止当光脉冲压缩器执行脉冲压缩时由于残余的偶数阶色散(四阶色散、六阶色散等)而导致脉冲压缩效率降低。

偶数阶色散去除装置包括商用声光滤波器(例如，商用可编程声光色散滤波器：AOPDF，Dazzler等)或啁啾镜，作为用于去除偶数阶色散的装置。

偶数阶色散去除装置优选被设置在定位于OPA单元300上游的光路上。

图6a是根据本发明的OPCPA装置的光脉冲展宽器和光脉冲压缩器的构造的简单框图，而图6b和图6c是示出了根据本发明实施例的光脉冲展宽器和光脉冲压缩器的构造的详细视图。

首先，参照图6a，OPCPA装置的光脉冲展宽器100和光脉冲压缩器600中的每个均通过使用逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构的连续布置而实施。

也就是说，在本发明中，输入信号(信号)首先穿过逆平行衍射光栅结构，随后穿过平行衍射光栅结构。在这种情况下，输入信号在光脉冲展宽器的情况中是指原始信号，而在光脉冲压缩器的情况中是指放大的信号和闲频信号。

如上所述，如果逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构是连续布置的，则二阶色散(群速度色散)可在脉冲啁啾时被去除，而三阶色散可最大化(参照图7)。

在本发明中，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器的构造通过使用逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构的连续布置而实施，或者相反地，通过使用平行衍射光栅结构和逆平行衍射光栅结构的连续布置而实施。然而，在本发明中，更优选的是，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中的每个均通过使用逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构的连续布置而实施。其原因是这两种结构原则上是相同的，但是，在实际实施中，仅当具有更简单结构的平行衍射光栅结构被布置在逆平行衍射光栅结构之后时在去除二阶色散时才有助于光学系统的调节。

可使用图2a至图2d的任一种逆平行结构作为该逆平行结构，但最优选地是使用图2c和图2d的逆平行衍射光栅结构(Offner-三重型)。

下面参照图6b和图6c详细描述这种结构。

在图6b中，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中的每个均通过使用逆平行衍射光栅结构(折射型)和平行衍射光栅结构的连续布置来实施。

现在描述其光程。在输入信号(光线)入射到逆平行衍射光栅结构(折射型)的第一衍射光栅111上且从该第一衍射光栅衍射之后，衍射光穿过两个透镜113和114，之后入射到第二衍射光栅112上且从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊镜115上，并且在不同的高度下从屋脊镜115反射。反射光通过第二衍射光栅112、两个透镜114和113、以及第一衍射光栅111被反射。在反射光的光路已被光路改变镜710′和720′改变之后，反射光入射到平行衍射光栅结构的第一衍射光栅141上。入射光从第一衍射光栅141衍射，并且入射到第二衍射光栅142上且从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊镜143上，之后在不同的高度下从屋脊镜143反射。反射光通过第二衍射光栅142和第一衍射光栅141被输出。

另外，在图6c中，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中的每个均通过使用逆平行衍射光栅结构(Offner三重型)和平行衍射光栅结构的连续布置而实施。

现在描述其光程。在输入信号(光线)入射到逆平行衍射光栅结构(Offner三重型)的衍射光栅131上且从该衍射光栅衍射之后，衍射光入射到第二球面镜133上且从该第二球面镜反射。在反射光入射到第一球面镜132上且从该第一球面镜反射之后，反射光再次入射到第二球面镜133上且从该第二球面镜反射。反射光再次入射到衍射光栅131上且从该衍射光栅衍射，之后衍射光入射到屋脊棱镜134上。入射光线在不同的高度下从屋脊棱镜134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，之后通过第二球面镜133和衍射光栅131被输出。

之后，输出光线的光路被光路改变镜710″和720″改变，并且输出光线入射到平行衍射光栅结构的第一衍射光栅141上。入射光从第一衍射光栅141衍射，之后入射到第二衍射光栅142上且从该第二衍射光栅衍射。衍射光入射到屋脊镜143上，之后在不同的高度下从屋脊镜143反射。反射光通过第二衍射光栅142和第一衍射光栅141被输出。

图7a是示出了根据本发明的在啁啾脉冲发生器中产生的信号啁啾结构的计算机模拟结果的图表，在该啁啾脉冲发生器中逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置，图7b是示出了根据本发明的在啁啾脉冲发生器中产生的信号啁啾结构的计算机模拟结果的图表，在该啁啾脉冲发生器中逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置，而图7c是示出了从图7a的图表中所示出的数值中推导出来的图表。

图7a和图7b可分别用作光脉冲压缩器和光脉冲展宽器，或者可以以相反顺序使用。

首先，在图7a中，啁啾脉冲发生器被构造成使得逆平行衍射光栅结构(Offner三重型)和平行衍射光栅结构连续地布置，衍射光栅的参数如以下所述进行设定。

也就是说，在逆平行衍射光栅结构中，使用一阶色散，衍射光栅中的凹槽数量被设定为1740条/mm，入射角被设定为62.8°，衍射角被设定为70.8°，并且相应分隔距离被设定为530mm。此外，在平行衍射光栅结构中，使用负(-)一阶色散，每个衍射光栅中的凹槽数量被设定为850条/mm，入射角被设定为5.0°，衍射角被设定为79.4°，并且相应分隔距离被设定为692mm。

因此，可设计出具有U形啁啾结构的啁啾脉冲发生器，其中，以1054nm的波长为中心，三阶色散被积聚/加强(emphasized)，而二阶色散被取消。

在图7b中，啁啾脉冲发生器被构造成使得逆平行衍射光栅结构(Offner三重型)和平行衍射光栅结构连续地布置，并且衍射光栅的参数设定如下。

也就是说，在逆平行衍射光栅结构中，使用负(-)一阶色散，衍射光栅中的凹槽数量被设定为850条/mm，入射角被设定为5.0°，衍射角被设定为79.4°，并且相应分隔距离被设定为692mm。此外，在平行衍射光栅结构中，使用一阶色散，每个衍射光栅中的凹槽数量被设定为1740条/mm，入射角被设定为62.8°，衍射角被设定为70.8°，并且相应分隔距离被设定为530mm。

因此，可设计出具有反U形啁啾结构的啁啾脉冲发生器，其中，以1054nm的波长为中心，三阶色散被积聚/加强，而二阶色散被取消。

在本发明的实施例中，在1054nm波长左面的一部分用作信号，而在1054nm波长右面的一部分用作闲频信号。

这两种类型的U形啁啾脉冲发生器(即，U形啁啾和反U形啁啾)都可用作光脉冲展宽器和光脉冲压缩器。这两种类型的U形啁啾脉冲发生器相同之处在于，逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置，但是，当这两种类型的U形啁啾脉冲发生器分别用在光脉冲展宽器和光脉冲压缩器中时，待用在光脉冲展宽器的逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构中的衍射光栅的参数值分别与待用在光脉冲压缩器的平行衍射光栅结构和逆平行衍射光栅结构中的衍射光栅的参数值相同。

此外，在光脉冲展宽器(或光脉冲压缩器)中，待用在逆平行衍射光栅结构中和待用在平行衍射光栅结构中的衍射光栅的参数值彼此不同。

接下来，参照图7c描述用于导出图7a的U形啁啾结构的运算法则。

使用以下等式表示在整个光学系统上获得的相位函数φ(ω)。

$\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)+\frac{\mathrm{d\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)}{\mathrm{d\&omega;}}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)+\frac{1}{2!}\frac{d^2\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)}{{\mathrm{d\&omega;}}^2}{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)}^2$

$=\underset{n=0}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{n!}\frac{d^n\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)}{d{\mathrm{\&omega;}}^n}{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)}^n$

角频率的变化特征被称作色散。在上述等式中，第一项表示绝对相位、第二项的系数表示群延时(group delay)、第三项的系数表示群速度色散(GVD)、第四项的系数表示三阶色散(TOD)、第五项的系数表示四阶色散(FOD)。

如果相位函数对角频率求导，则获得了以下等式。

$\frac{\mathrm{d\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\mathrm{d\&omega;}}=\frac{\mathrm{d\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)}{\mathrm{d\&omega;}}+\frac{d^2\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)}{d{\mathrm{\&omega;}}^2}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)$

$=\underset{n=0}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{n!}\frac{d^{n+1}\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&omega;}}_0\right)}{d{\mathrm{\&omega;}}^{n+1}}{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)}^n$

上述等式示出了群延时相对于角频率的变化，其表示具有相应波长的光线穿过光学系统所花费的时间。

在上述等式中，第一项表示具有中心波长的光线穿过光学系统所花费的时间、第二项GVD表示临时线性啁啾系数、第三项TOD表示二次函数形式(即，抛物线形式)啁啾系数、第四项FOD表示三次函数形式啁啾系数。

群速度色散(GVD)是相位中以二次型表示的色散，并且表示在某一系统中针对频率被线性啁啾的脉冲的啁啾量。传统光脉冲展宽器或光脉冲压缩器由于二阶色散的影响而获得了线性啁啾脉冲结构。与此相反，本发明主要使用三阶色散。

同时，当这两个光学系统应用具有相反符号(正负号)且具有相同量级的群速度色散时，似乎仅三阶色散(TOD)是最终影响穿过连续布置的光学系统的脉冲的啁啾结构的因素(factor)。在这种情况下，二阶色散的影响彼此抵消。例如，四阶色散、五阶色散等仅对脉冲的啁啾结构具有非常轻微的影响。

以下给出了对于这种情况的解释和说明。

也就是说，两个确定的光学系统的相位函数的微分(differentiation)(a)和(b)由以下等式表示：

(a)：C₁+a₁×(ω-ω₀)+a₂(ω-ω₀)²，...(对应于图7c的曲线(a))

(b)：C₂+b₁×(ω-ω₀)+b₂(ω-ω₀)²，...(对应于图7c的曲线(b))其中C₁、C₂、a₁、a₂、b₁、b₂为常数。

如果将等式(a)与等式(b)相加，则获得了以下等式。

即，获得了(a)+(b)＝(C₁+C₂)+(a₂+b₂)×(ω-ω₀)+...，其中a₁＝-b₁。

上述等式近乎是w的二次函数，并且具有仅由原始相位函数的三阶色散的影响导致的U形啁啾。因此，如果这两个光学系统被设计成使得a₁＝-b₁成立，但a₂和b₂可被累加为具有较大数值，则这两个光学系统的连续布置可用作U形啁啾的脉冲发射器。

图8示出了OPCPA装置的设计应用实例，该OPCPA装置被设计成具有可应用于本发明的共线相位匹配结构。

图8a和图8b示出了OPA单元的参量增益曲线。

图8a是当泵浦光的强度设为400MW/cm²、BBO晶体的长度为15mm、以及泵浦光的波长设为532nm、并可用于放大具有范围在1045nm至1085nm的中心波长的信号时获得的图表。图8b是当泵浦光的强度为400MW/cm²、BBO晶体的长度为11mm、以及泵浦光的波长设为390nm、并可用于放大具有范围在770nm至790nm的中心波长的信号时获得的图表，(对于这两种情况，使用与类型I相对应的相同的相位匹配，在类型I中信号和闲频信号两者的偏光均为寻常波)。

详细地，图8a和图8b是光学参量放大增益(参量增益)。例如，图8a的实线表示通过放大级(其被设计为θ＝22.84°，α＝0°)所获得的放大增益曲线，并且示出了相对于波长为1030nm的信号获得了大约2500倍的信号放大增益，并且相对于波长为1050nm的信号获得了大约1800倍的信号放大增益。

作为参考，图8a的实线表示当θ＝22.84°并且α＝0°时所获得的增益曲线、图8a的虚线表示当θ＝22.85°并且α＝0°时所获得的增益曲线、并且图8a的点划线表示当θ＝22.86°并且α＝0°时所获得的增益曲线。

此外，图8b的实线表示当θ＝29.98°并且α＝0°时所获得的增益曲线、图8b的虚线表示当θ＝29.99°并且α＝0°时所获得的增益曲线、并且图8b的点划线表示当θ＝23.00°并且α＝0°时所获得的增益曲线。在这种情况下，θ表示晶体的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，这必须满足如上所述的以下条件(关系式)。

<条件>

其中λ_s是信号的波长，λ_p是泵浦光的波长，λ_i是闲频信号的波长。

如果满足上述条件，即使是在执行共线相位匹配时，OPA增益可作为宽带增益而获得。

图9是示出了通过根据本发明的OPCPA装置的光脉冲展宽器(使用三阶色散)展宽的原始信号的啁啾状态的图表，以及图10a和图10b是分别示出了信号和闲频信号的啁啾状态的图表，该信号和闲频信号是根据本发明的OPCPA装置的OPA单元的输出光线。

图9和图10示出了这种情况，其中，例如，如上所述图7b用于光脉冲展宽器，并且U形啁啾结构的中心波长左面的一部分(即，短波长部分)用作信号。

参照附图，如果单个脉冲穿过光脉冲展宽器100，则获得了被临时展宽的信号，如图9中所示。

该信号不同于已穿过传统光脉冲展宽器10的信号的啁啾状态。也就是说，在现有技术中，逆平行衍射光栅结构用于光脉冲展宽器，因此输出长波长在前型信号。与之相反，在本发明中，其中逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续连接的结构用于光脉冲展宽器，因此如图9中所示，输出短波长(或长波长)在前型信号。在这种情况下，该信号具有使用三阶色散的特征脉冲啁啾结构。

当具有这样的啁啾状态的光学信号穿过OPA单元300时，产生了放大的信号(参照图10a)和闲频信号(参照图10b)。

该闲频信号具有长波长在短波长之前的啁啾状态。

如上所述的，本发明实施为使得OPA单元300的输出光线的泵浦光被分离并去除，并且使得输出光线的闲频信号和放大信号被选择并被传输到下一级(光脉冲压缩器)。

之后，信号和闲频信号两者被光脉冲压缩器临时压缩在一起。因此，能量放大因数和波长带宽被加倍，从而不仅补偿了光谱损失，而且还获得了具有小于原始信号脉冲宽度的临时脉冲宽度的激光。

具有上述构造的本发明的OPCPA装置的操作和效果如下所述。

已穿过具有图6b或图6c构造的光脉冲展宽器100的激光具有根据波长被临时展宽的啁啾状态，其中二阶色散(GVD)被去除。

当U形啁啾结构的中心波长左面的一部分(即，短波长部分)用作光脉冲展宽器100的信号时，输出了图9的波形。

光脉冲展宽器100的输出光线(信号)通过光路改变镜720至740入射到泵浦光注入分色镜800上，并且从泵浦激光器200中输出的光线(泵浦光)也入射到泵浦光注入分色镜800上。

信号和泵浦光两者同时入射到OPA单元300上。在OPA单元中，当使用泵浦光放大信号时，产生了闲频信号，并且泵浦光本身被衰减。

因此，OPA单元的输出光线包括衰减的泵浦光、放大的信号、以及闲频信号。在这种情况中，信号和闲频信号具有几乎相同的强度。

在本发明中，如果必要，声光滤波器或啁啾镜被设置在形成于OPA单元上游的光路上，以使得偶数阶色散(具体地，剩余的四阶色散)被去除。因此，仅留下奇数阶色散(包括三阶色散(TOD))。

OPA单元的输出光线入射到泵浦光去除分色镜400上，并被分离为闲频信号、信号、以及剩余光线(泵浦光)。也就是说，泵浦光穿过泵浦光去除分色镜400并被束流收集器500去除，并且信号和闲频信号两者都从泵浦光去除分色镜400被反射。

信号和闲频信号两者都入射到光脉冲压缩器600上，并且光脉冲压缩器600补偿U形三阶色散(该U形三阶色散由光脉冲展宽器施加)所导致的脉冲啁啾，并因此临时压缩信号和闲频信号。

在上述构造中，如果已穿过光脉冲压缩器的激光未被放大至用户所期望的强度(预定强度或更高强度)，则本发明允许激光重复地经过从光脉冲展宽器到光脉冲压缩器的放大过程。在这种情况下，尽管可采用使用光脉冲压缩器压缩光线(信号和闲频信号)随后使用光脉冲展宽器展宽光线的方法，但利用光脉冲展宽器和光脉冲压缩器具有相同结构这个实际情况，通过适当地改变相应衍射光栅的参数，可将光脉冲压缩器和光脉冲展宽器整体形成为单个部件。

尽管出于解释的目的已披露了本发明的优选实施例，但是本领域中普通技术人员应该理解，在不背离所附权利要求中披露的本发明保护范围和精神的前提下，各种改进、添加和替换都是可行的。

工业适用性

本发明的OPCPA装置的优点在于，光脉冲展宽器和光脉冲压缩器(它们中的每个都具有逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构的连续布置)被构造成使得三阶色散(其为奇数阶色散)被加强，同时群速度色散被去除，并且使得具有几乎相同强度的信号和闲频信号同时一起入射到光脉冲压缩器上，从而加倍波长带宽以及能量放大系数。

因此，本发明不仅可补偿光谱损失，而且还获得了具有小于原始信号脉冲宽度的临时脉冲宽度的激光。

此外，利用上述方法，在使用镱(Yb)等的近红外区中，本发明的构造可相对于超短波光源(光纤激光源等)(具有从1020nm至1060nm范围内的波长)将信号的光谱加倍至大约40nm至80nm。具体地，这样的构造获得了与Ti：蓝宝石超短波激光源(近来已用在许多领域中)具有微小差别的带宽，并且可直接用于增加存在于OPCPA装置的1000nm至1100nm范围内波长带的Nd-序列和Yb-序列超短波激光源的波长带宽，所述OPCPA装置使用532nm掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)加倍泵浦光。

Claims (24)

1.一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，所述装置包括：

光脉冲展宽器，用于使用奇数阶色散输出啁啾激光；

泵浦激光器，用于输出泵浦激光；

光参量放大单元，用于接收所述泵浦激光和所述啁啾激光(信号)、使用所述泵浦激光放大所述信号，并产生闲频信号；

光信号分离单元，用于将所述光参量放大单元的输出光线分离为所述信号、所述闲频信号、以及剩余光线(泵浦光)；以及

光脉冲压缩器，用于补偿由所述光脉冲展宽器所赋予的奇数阶色散所致的脉冲啁啾，从而将所述信号和所述闲频信号临时压缩在一起，所述信号和所述闲频信号彼此交迭，

其中，在进行共线相位匹配的情况下满足以下关系式，

<关系式>

其中λ_s是所述信号的波长，λ_p是所述泵浦光的波长，以及λ_i是所述闲频信号的波长。

2.根据权利要求1所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器被设计以去除二阶色散(群速度色散)并且使得三阶色散最大化。

3.根据权利要求1所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器中的每个均实施为使用一半的U形啁啾结构用于所述信号，并且使用其剩余的一半用于所述闲频信号，所述U形啁啾结构使用三阶色散。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲展宽器施加容许中心波长追随周围波长并容许所述周围波长领先于所述中心波长的啁啾。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲展宽器施加容许中心波长领先于周围波长并容许所述周围波长追随所述中心波长的啁啾。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，还包括用于去除残余偶数阶色散的装置。

7.根据权利要求6所述的OPCPA装置，其中，所述偶数阶色散去除装置为声光滤波器和啁啾镜中之一。

8.根据权利要求6所述的OPCPA装置，其中，所述偶数阶色散去除装置被放置在位于所述光参量放大(OPA)单元上游的光路上。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲展宽器实施为使得逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置，从而当执行脉冲啁啾时去除二阶色散(群速度色散)。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲压缩器实施为使得逆平行衍射光栅结构和平行衍射光栅结构连续地布置。

11.根据权利要求9所述的OPCPA装置，其中，对用在所述逆平行衍射光栅结构中的衍射光栅和用在所述平行衍射光栅结构中的衍射光栅赋予不同的参数值。

12.根据权利要求10所述的OPCPA装置，其中，对用在所述逆平行衍射光栅结构中的衍射光栅和用在所述平行衍射光栅结构中的衍射光栅赋予不同的参数值。

13.根据权利要求11或12所述的OPCPA装置，其中，所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器被设计为，使得用在所述光脉冲展宽器的所述逆平行衍射光栅结构和所述平行衍射光栅结构中的所述衍射光栅的参数值分别与用在所述光脉冲压缩器的所述平行衍射光栅结构和所述逆平行衍射光栅结构中的所述衍射光栅的参数值相同。

14.根据权利要求9所述的OPCPA装置，其中，所述平行衍射光栅结构包括具有平行布置的两个衍射光栅，以及用于在不同的高度下反射入射光线的单个屋脊镜。

15.根据权利要求10所述的OPCPA装置，其中，所述平行衍射光栅结构包括具有平行布置的两个衍射光栅，以及用于在不同的高度下反射入射光线的单个屋脊镜。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，其中，所述光参量放大单元使用非线性光学介质而实施。

17.根据权利要求16所述的OPCPA装置，其中，所述非线性光学介质为β硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、磷酸钛氧钾(KTP)、磷酸二氢钾(KDP)中之一。

18.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，其中，所述光信号分离单元为泵浦光去除分色镜，所述泵浦光去除分色镜用于反射从所述光参量放大单元输出的所述闲频信号和所述放大的信号，以及使剩余光线(泵浦光)从中穿过，从而将所述光参量放大单元的所述输出光线分离为所述闲频信号、所述放大的信号、以及所述剩余光线。

19.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，还包括束流收集器，用于去除由所述光信号分离单元分离出来的所述泵浦光。

20.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，还包括镜(泵浦光注入分色镜)，用于接收所述光脉冲展宽器和所述泵浦激光器两者的输出光线以及将所述输出光线传输到所述光参量放大单元。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，还包括布置在所述光脉冲展宽器的下游且适于将入射光线的路径改变成朝向泵浦光注入分色镜的光路改变镜。

22.根据权利要求1至3中任一项所述的OPCPA装置，还包括用于将由所述光信号分离单元分离出来的所述信号和闲频信号的路径改变成朝向所述光脉冲压缩器的光路改变镜。

23.一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，所述装置包括：

光脉冲展宽器，用于使用奇数阶色散输出啁啾激光；

泵浦激光器，用于输出泵浦激光；

光参量放大单元，用于接收所述泵浦激光和所述啁啾激光(信号)，使用所述泵浦激光放大所述信号，并产生闲频信号；

光信号分离单元，用于将所述光参量放大单元的输出光线分离为所述信号、所述闲频信号、以及剩余光线(泵浦光)；以及

光脉冲压缩器，用于补偿由所述光脉冲展宽器所赋予的奇数阶色散所致的脉冲啁啾，从而将所述信号和所述闲频信号临时压缩在一起，所述信号和所述闲频信号彼此交迭，

其中，所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器被设计成去除二阶色散(群速度色散)并且使得三阶色散最大化，

其中，在进行共线相位匹配的情况下满足以下关系式，

<关系式>

其中λ_s是所述信号的波长，λ_p是所述泵浦光的波长，以及λ_i是所述闲频信号的波长。

24.一种光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置，所述装置包括：

光脉冲展宽器，用于使用奇数阶色散输出啁啾激光；

泵浦激光器，用于输出泵浦激光；

光参量放大单元，用于接收所述泵浦激光和所述啁啾激光(信号)，使用所述泵浦激光放大所述信号，并产生闲频信号；

光信号分离单元，用于将所述光参量放大单元的输出光线分离为所述信号、所述闲频信号、以及剩余光线(泵浦光)；以及

光脉冲压缩器，用于补偿由所述光脉冲展宽器所赋予的奇数阶色散所致的脉冲啁啾，从而将所述信号和所述闲频信号临时压缩在一起，所述信号和所述闲频信号彼此交迭，

其中，所述光脉冲展宽器和所述光脉冲压缩器被设计成使用一半的U形啁啾结构用于所述信号，并且使用其剩余的一半用于所述闲频信号，所述U形啁啾结构使用三阶色散，

其中，在进行共线相位匹配的情况下满足以下关系式，

<关系式>

其中λ_s是所述信号的波长，λ_p是所述泵浦光的波长，以及λ_i是所述闲频信号的波长。

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