CN101557073B - 远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统 - Google Patents

Abstract

一种远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由1550nm飞秒激光纤激光器、光纤耦合器、传光光纤与光纤连接器，光纤频率转换器、再生放大器、倍频晶体、光纤展宽器，光学参量放大器和压缩器构成，本发明的特点是信号光和泵浦光源来自同一光纤激光器，稳频效果好，通过在系统中用光纤传光来代替光在空气中传输，既能实现远程激光传输和远程光学参量啁啾脉冲放大控制，又保证了信号光脉冲与泵浦光脉冲亚10飞秒量级的高精度时间同步，而且还实现了光束结构的高精度控制，系统稳定性好，结构简单，灵活，易于操作和集成到远程的OPCPA放大系统中。

Description

远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统

技术领域

本发明涉及一种远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大(以下简称为OPCPA)激

背景技术

飞秒激光放大技术在过去的几年时间里的得到了快速发展，为人类充分探索微观超快现象及研究强场物理提供了前所未见的实用手段和发展机遇。尤其是超强超短的飞秒激光出现，由于它具有超高的峰值功率和超短的脉冲宽度，因而在ICF快点火，高能物理，高强度X射线辐照源，粒子加速，产生X射线激光，产生激光高次谐波，产生中子等物理学研究领域得到了广泛的应用，给科学家们带来了未曾预料到的一些新奇物理现象。

为了获得超强超短的飞秒激光，1992年由Dubietis提出，并由Ross等人在1997年对其进行发展的光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术，综合了啁啾脉冲放大(Chirped pulse amplification，CPA)技术和参量放大(OPA)技术的各自优点，成为了现代激光放大技术的研究热点。但是，OPCPA放大技术是基于非线性效应的参量放大过程，它对泵浦光脉冲的时间和空间均匀性以及稳定性要求很高，而且泵浦光和信号光的远程精确同步也是OPCPA技术的一大难题。因此，研究高稳定性高精度远程全光同步的光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)激光系统成为了当今最前沿的研究问题之一。

C.Y.Teisset等人于2005年在文章“Soliton-based pump-seed synchronization forfew-cycle OPCPA”(Optics Express，Vol.13 Issue 17，pp.6550-6557(2005))中，利用光子晶体光纤(PCF)实现了全光同步的OPCPA系统，但是作为OPCPA系统的种子源，由于钛宝石振荡器腔长的漂移和强度噪声，种子光频率稳定性较差，这既影响了系统的稳定性，也导致泵浦光和种子光之间产生较大的时间抖动，恶化了全光同步。而且该系统和其它现有的OPCPA激光放大系统一样，都只是局限于应用在实验室内近距离激光放大，不能实现远程OPCPA放大和操作。

目前，光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)激光系统的种子脉冲基本上都是采用振荡器来提供，图2为已有的光学参量啁啾脉冲放大激光系统的结构图。在图2中，泵浦源1产生的532nm的连续光用来泵浦钛宝石振荡器2，从而获得800nm的飞秒激光，该飞秒激光经过啁啾镜CM1和CM2后，入射到分束镜BS上将光束分成两路光，一路光经过高反射镜M1，M2和M3后，进入到自由空间脉冲展宽器PS上，自由空间脉冲展宽器PS将飞秒激光脉冲展宽到皮秒量级，展宽后的光脉冲直接注入到OPA放大器上，作为信号光。来自分束镜BS的另一路光依次经过高反射镜M4，M5和半波片H1后，由物镜L1耦合到光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，PCF)中，获得的1064nm的频移光，该频移光再依次经过第二个物镜L2，高反射镜M6和M7，半波片H2，光隔离器FI1，半波片H3，高反射镜M8，偏振片TFP1，半波片H4和光隔离器FI2后，进入到再生放大腔中进行放大，再生放大腔由曲面高反射镜M9，普克尔盒PC，四分之一波片Q1，偏振片TFP2，Nd:YAG增益棒(Nd:YAG1)，标准具E1和高反射镜M10组成。从再生放大腔中输出的放大脉冲最后由偏振片TFP2导出，并通过光隔离器FI2和半波片H4原路返回，然后通过偏振片TFP1和半波片H5进入到双通放大器中，双通放大器由偏振片TFP3，Nd:YAG增益棒(Nd:YAG2)，光隔离器FI3和高反射镜M11组成，来回两次通过Nd:YAG增益棒(Nd:YAG2)后的放大光脉冲最后由偏振片TFP3导出，再依次经过倍频晶体SHG倍频，高反射镜M13和M14后，直接注入到OPA放大器上作为泵浦光。这样，来自自由空间脉冲展宽器PS的信号光和来自高反射镜M14的泵浦光在OPA放大器上进行参量放大，便得到高能量的800nm的皮秒量级脉冲。

光脉冲的传输则是通过光学镜片来改变光脉冲在空气中的传输方向来实现。针对种子源而言，振荡器由于具有体积较大，频率稳定性差，时间抖动较大等缺点，往往给光学参量啁啾脉冲放大激光系统的稳定性和全光同步带来巨大危害。而且，当种子脉冲在空间传输时，因光学镜架的稳定性差以及环境的影响，会引起光脉冲的形状发生改变，同时伴随着较大的时间抖动等，这些不利因素既严重影响着光学参量啁啾脉冲放大激光系统的光学同步和系统稳定性，又限制了OPCPA放大系统可适用环境。

发明内容

为了提高系统的稳定性，获得高精度远程全光同步以及实现远程OPCPA控制和操作，本发明提出了一种远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，该系统不仅能改善系统的稳定性，包括频率稳定性，而且保证了泵浦光和种子光的亚10飞秒量级高精度远程全光同步，还实现了OPCPA放大系统的远程操作。

本发明的技术解决方案是：

一种远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由飞秒光纤激光器、光纤耦合器、第一传光光纤与光纤连接器、光纤频率转换器、再生放大器、倍频晶体、反射镜、第二传光光纤与光纤连接器、光纤展宽器、第三传光光纤与光纤连接器、OPA放大器和压缩器组成，光路走向和元器件的位置如下：飞秒光纤激光器、产生的飞秒锁模脉冲系列经光纤耦合器分成两路光，其中一路光经过第一光纤与光纤连接器(3)注入到光纤频率转换器中，获得注入到再生放大器中的种子脉冲，再生放大器输出的放大脉冲经过倍频晶体倍频，得到的倍频光用于OPA放大器的泵浦光，从光纤耦合器中输出的另一路光经过第二光纤与光纤连接器连接到光纤展宽器后展宽，展宽后的脉冲系列再经过第三光纤与光纤连接器将光束引入到OPA放大器中，作为信号脉冲，该信号光脉冲与来自反射镜的泵浦光脉冲在OPA放大器中通过参量放大，从OPA放大器输出的放大信号脉冲最后经过压缩器压缩，得到高峰值功率的中红外飞秒脉冲。

所述的飞秒光纤激光器)的中心波长为1550nm，脉冲宽度为100飞秒。

所述的光纤耦合器是1×2的保偏光纤耦合器，功率分配比为30/70，输入到光纤频率转换器(4)的一路光功率占70％，输入到光纤展宽器(9)中另一路光功率占30％。

所述的第三光纤与光纤连接器的入射端是带有传光光纤的光纤连接头，输出端是带有传光光纤的光纤准直输出头，而第一光纤与光纤连接器和第二光纤与光纤连接器的两端都是带有传光光纤的光纤连接头，所用的传光光纤都是单模保偏光纤。

所述的光纤频率转换器是光子晶体光纤频率转换器，其入射端是光子晶体光纤连接头，输出端是光子晶体光纤准直输出头。

所述的倍频晶体是温控的三硼酸锂(LBO)晶体。

所述的OPA放大器为一级或者多级放大器。

所述的光源采用1550nm的飞秒光纤激光器，系统稳频效果好，时间抖动小，易于系统集成，以及大范围远距离的高精度光同步，可以在几十米乃至百米的范围内达到亚10飞秒的同步精度。

所述的1550nm飞秒激光的倍频光正好处于钛宝石(Ti:sapphire)激光器的工作范围，可以同步钛宝石激光器，作为种子源。

采用1×2的光纤耦合器代替自由空间分束镜作为分束器，功率分配比为30/70，输入到光子晶体光纤频率转换器的一路光功率占70％，输入到光纤展宽器中另一路光功率占30％。这种用光纤耦合器获得的两路光脉冲，不仅提高了系统的稳定性，而且有利于实现远程OPCPA控制，易于系统集成。

利用光纤展宽器代替自由空间展宽器来展宽飞秒脉冲，克服了体积大，结构复杂，稳定性差和调节困难等缺点，具有体积小，稳定性高，结构简单，设计灵活，便于远程操作和易于系统集成等优点。

所述的飞秒光纤激光器输出的中心波长位于光子晶体光纤的负色散区，且靠近它的零色散点。利用光子晶体光纤进行频率转换来获得1064nm的孤子脉冲，简单方便，稳定性高，易于系统集成。

用光子晶体光纤输出的光孤子作为再生放大器的种子源，具有光束质量好和远程操作灵活等优点。

用低损耗传光光纤与光纤器件代替光在空气中传输，既减少了空间白噪声和环境抖动对光传输稳定性的影响，又保证了高精度远程全光同步飞秒量级的OPCPA控制，增强了系统的稳定性和保证了高质量的光束结构，易于系统集成。

根据实际要求，可灵活的选择传光光纤的长度，使得系统中1550nm飞秒光纤激光器、光纤耦合器、第一光纤与光纤连接器、光子晶体光纤频率转换器、第二光纤与光纤连接器、光纤展宽器、第三光纤与光纤连接器的组合能有效的实现高精度远程全光同步和远程控制的OPCPA放大，而且由于这些器件之间采用光纤连接，系统的稳定性好。

通过在光路中引入传光光纤及光纤器件来减少了光学镜架的不稳定性及环境对光传输的影响，增强了系统的稳定性，实现了远程激光传输和远程OPCPA放大控制，保证了信号光脉冲与泵浦光脉冲亚10飞秒量级的高精度全光同步，而且获得了光束结构的高精度控制，系统稳定性好，结构简单，灵活，易于操作和集成到远程的OPCPA放大系统中。

本发明的最大优点是：

本发明系统的稳定性高，远程全光同步精度达到亚10飞秒量级，能实现远程OPCPA控制，结构简单，灵活，便于集成，为高功率激光放大系统提供稳定的、高对比度的种子光源以及集成到远程的OPCPA放大系统中。

附图说明

图1为本发明远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统的结构示意图。

图2为已有技术的光学参量啁啾脉冲放大激光系统的结构示意图。

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统的结构示意图。也是本发明的一个实施例的结构示意图。由图1可见，本发明远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由1550nm飞秒激光光纤激光器1、光纤耦合器2、第一光纤与光纤连接器3、光子晶体光纤频率转换器4、再生放大器5、倍频晶体6、反射镜7、第二光纤与光纤连接器8、光纤展宽器9、第三光纤与光纤连接器10、OPA放大器11和压缩器12组成，上述元器件的位置如下：所述的1550nm的飞秒光纤激光器1产生的飞秒锁模脉冲系列经所述的光纤耦合器2分成两路，其中一路光经过第一光纤与光纤连接器3注入到光子晶体光纤频率转换器4中，获得注入到再生放大器5中的1064nm种子脉冲，再生放大器5放大输出的1064nm放大脉冲经过倍频晶体6倍频，得到的532nm的倍频光用作OPA放大器11的泵浦光，从所述的光纤耦合器2输出的另一路光经过第二光纤与光纤连接器8输入到光纤展宽器9中展宽，展宽后的脉冲系列再经过第三光纤与光纤连接器10将光束引入到OPA放大器11中，作为信号光脉冲，该信号光脉冲在OPA放大器11中与泵浦光脉冲一起通过参量放大，从OPA放大器11输出的放大信号脉冲最后经过压缩器12压缩，得到高峰值功率的中红外飞秒激光脉冲。

本实施例用飞秒的光纤激光器1产生中心波长为1550nm，脉宽为100飞秒的飞秒脉冲，该飞秒脉冲通过1×2光纤耦合器2后分成两路光，一路光(能量为70％)通过第一传光光纤与光纤连接器3进入到光子晶体光纤频率转换器4，由于非线性效应，产生1064nm的孤子光脉冲，该孤子光脉冲然后依次经过再生放大器5放大和BBO/LBO倍频晶体6倍频后，得到高能量的532nm的光源，该光源经过532nm高反射镜7后，进入到OPA放大器11作为它的泵浦光。来自光纤耦合器2的另一路光(能量为30％)通过第二传光光纤与光纤连接器8进入到光纤展宽器9中，光纤展宽器9将飞秒脉冲展宽到皮秒或者纳秒量级，使之与注入到OPA放大器11中的532nm的泵浦光脉冲宽度相匹配，展宽后的1550nm的激光脉冲再经过第三传光光纤与光纤连接器10将其引入到OPA放大器11中，作为OPA放大器11的信号光。接着，532nm的泵浦光和1550nm的信号光在OPA中，通过光学参量放大作用，便获得高能量的1550nm的光源，该放大光源脉冲宽度为皮秒或者纳秒量级，这样的光源再经过压缩器12后就可获高峰值功率的飞秒光源。

本实施例与图2现有技术相比，具有以下优点：

(1)种子光脉冲是用光纤激光器代替传统的振荡器来提供，稳频效果好，时间抖动小，体积小，易于系统集成和实现高精度全光同步。

(2)用光纤耦合器来代替分束镜，既提高了系统稳定性，又便于系统集成和用于远程控制系统中。

(3)用光纤传输光脉冲代替光在空气中传输，既实现了光束结构的高精度控制，又保证了高精度远程全光同步飞秒量级的OPCPA控制，增强了系统的稳定性和保证了高质量的光束结构，易于系统集成和远程操作。

(4)用光纤展宽器代替自由空间展宽器，体积小，稳定性高，便于远程操作和集成。

(5)与图2相比，图1中需要的光学器件少，连接容易，结构简单，稳定性高，易于集成和远程操作。

(6)利用图2的激光系统得到是800nm的近红外超短超强激光光源，而利用图1发明的激光系统得到是1550nm的中红外超短超强激光光源，该中红外超短超强激光的倍频光正好处于钛宝石(Ti:sapphire)激光器的工作范围，可以同步钛宝石激光器，作为种子源。

Claims (7)

1.一种远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由飞秒光纤激光器(1)、光纤耦合器(2)、第一光纤与光纤连接器(3)、光纤频率转换器(4)、再生放大器(5)、倍频晶体(6)、反射镜(7)、第二光纤与光纤连接器(8)、光纤展宽器(9)、第三光纤与光纤连接器(10)、OPA放大器(11)和压缩器(12)组成，光路走向和元器件的位置如下：飞秒光纤激光器(1)产生的飞秒锁模脉冲系列经光纤耦合器(2)分成两路光，其中一路光经过第一光纤与光纤连接器(3)注入到光纤频率转换器(4)中，获得注入到再生放大器(5)中的种子脉冲，再生放大器输出的放大脉冲经过倍频晶体(6)倍频，经过反射镜(7)后进入到OPA放大器(11)，作为泵浦光脉冲，从光纤耦合器(2)中输出的另一路光经过第二光纤与光纤连接器(8)输入到光纤展宽器(9)后展宽，展宽后的脉冲系列再经过第三光纤与光纤连接器(10)将光束引入到OPA放大器(11)中，作为信号光脉冲，该信号光脉冲与来自反射镜(7)的泵浦光脉冲在OPA放大器(11)中通过参量作用而得到放大，从OPA放大器(11)输出的放大信号脉冲最后经过压缩器(12)压缩，得到高峰值功率的中红外飞秒脉冲。

2.根据权利要求1所述的远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的飞秒光纤激光器(1)的中心波长为1550nm，脉冲宽度为100飞秒。

3.根据权利要求1所述的远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的光纤耦合器(2)是1×2的保偏光纤耦合器，功率分配比为30/70，输入到光纤频率转换器(4)的一路光功率占70％，输入到光纤展宽器(9)的另一路光功率占30％。

4.根据权利要求1所述的远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的第三光纤与光纤连接器(10)的入射端是带有传光光纤的光纤连接头，输出端是带有传光光纤的光纤准直输出头，而第一光纤与光纤连接器(3)和第二光纤与光纤连接器(8)的两端都是带有传光光纤的光纤连接头，所用的传光光纤都是单模保偏光纤。

5.根据权利要求1所述的远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的光纤频率转换器(4)是光子晶体光纤频率转换器，其入射端是光子晶体光纤连接头，输出端是光子晶体光纤准直输出头。

6.根据权利要求1所述的远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的倍频晶体(6)是温控的三硼酸锂晶体。

7.根据权利要求1所述的远程全光同步光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的OPA放大器(11)为一级或者多级放大器。

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