CN101752782B - 级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法 - Google Patents

Abstract

一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，其特点是在多级级联光学参量放大系统的第一级泵浦光的光路上，加入空心光纤压缩装置，由该装置输出的第一级泵浦光的脉冲宽度被压缩到周期量级，该周期量级的第一级泵浦光和信号光通过第一级光参量放大器，产生第一级信号光和第一级闲置光，选择第一级信号光或第一级闲置光作为第二级光参量放大器的信号光。本发明避免了使用尚不成熟的红外压缩技术，利用成熟的800nm附近压缩技术达到同样预期的效果，大大降低能量的损耗，使OPA系统的输出光源性能更优，有利于高次谐波产生，甚至于单阿秒脉冲实验的应用。

Description

级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法

技术领域

本发明是一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，将空心光纤脉冲压缩装置运用于光参量放大系统第一级泵浦光，属于激光技术领域。其特征在于利用充惰性气体的空心光纤压缩系统，将级联OPA中的第一级的泵浦光压缩，最终使OPA系统获得与第一级的泵浦光脉冲宽度相当激光脉冲输出。本装置将对于红外压缩的需求转化为对于可见光压缩的需求，优化OPA系统的输出脉冲，使其脉宽短至周期量级，能量高损耗极低，位高次谐波实验，阿秒脉冲产生等物理实验提供了有力的支持。

背景技术

飞秒激光光源的飞速发展，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。峰值能量极高的飞秒量级激光脉冲与物质相互作用可以产生几十甚至几百阶的高次谐波。当脉冲宽度进一步减小到周期量级时，高次谐波可以被连续输出，压缩后可以得到单个阿秒(10^-18s)脉冲。这对探测更快的物质动力学过程，如原子内部电子的运动有着重要的意义；阿秒脉冲是开拓阿秒光谱学、阿秒物理学及阿秒科学技术等新学科的重要工具。

为了获得优质的阿秒脉冲驱动光源，人们做出了很多的努力。1996年，Nisoli等人首次发展了利用充惰性气体的空心光纤展宽光谱再进行色散补偿的方式将10fs，能量超过200μJ的周期量级激光脉冲。近10年来，这一技术不断发展，脉冲宽度被压缩到近单周期，能量也提高到1mJ以上。然而，激光脉冲在惰性气体中的电离效应以及光在空心波导中的泄露和高阶模耦合的强烈损耗，极大的限制了脉冲能量的进一步提高。除此之外，在产生高次谐波的实验中，驱动光源的中心波长越长，越有利于获得更短脉宽的阿秒脉冲。但是钛宝石激光器出射的脉冲的中心波长处于800附近，单纯的空心光纤压缩技术不会明显改变入射脉冲的中心频率，这迫使人们寻找向红外波段发展的技术。光学参量放大技术(OPA)是目前将可见光波段的飞秒激光转换为红外波段激光脉冲的主要手段。改变OPA放大过程中泵浦光和信号光与晶体的角度，可以获得波长可调谐的红外脉冲。而且，运用差频技术(different frequencygeneration：DFG)，可以使OPA出射的脉冲载波包络相位(CEP)自稳定，这对于高次谐波的实验有着十分重要的意义。不足之处在于这种技术不具备脉冲压缩的功能，不能将钛宝石激光器出射的30fs到40fs的激光脉冲压缩的单阿秒脉冲产生实验所需要的周期量级。因此，近几年，将这两种技术结合，以获得高能量周期量级波长的红外可调谐OPA光源是目前激光技术领域研究的一个重要发展方向。2006年，意大利的实验小组将空心光纤置于OPA系统的前端，使钛宝石激光器出射的25fs，0.8mJ的激光脉冲先利用空心光纤压缩到5fs，300μm，再入射到两级OPA系统，获得了20μJ，光谱可支持11fs的可调谐红外光源。这种方法虽然可以获得短至十几个飞秒的红外脉冲，但是由于空心光纤本身对最高输出能量的限制，使入射到OPA系统的脉冲能量很难高于1mJ，再加上OPA系统的效率一般只有20％到30％，这使出射OPA系统的脉冲能量很难高于300μJ。第二年，这个小组又发展了一种新的方法。用空心光纤压缩技术压缩第一级信号光，将光谱展宽到能够支持6fs脉冲。但是由于后续的BBO晶体中严重的色散，最后出射OPA系统的脉冲会被展宽到15fs以上。2009年，加拿大的实验小组空心光纤压缩装置至于OPA系统的后端，将OPA系统获得的1425nm中心波长，1.2mJ，50fs的出射脉冲注入空心光纤，得到了1425nm中心波长，400μJ，13.1fs的激光脉冲。利用这种方式，出射脉冲能量有所提高，但是仍然只有几百个微焦，另外，这种方式需要对1425nm中心波长的脉冲进行色散补偿，但是目前，红外压缩技术目前还不成熟，适用于此区域补偿色散的啁啾镜还处于研发阶段，而且价格及其昂贵，不能得到普遍应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的OPA技术和空心光纤技术结合的不足，提供一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，将空心光纤技术引入OPA系统的第一级泵浦光，有效降低由于空心光纤对高能量限制所带来的能量损耗，使OPA系统可以获得高能量的周期量级(10fs以下)可调谐的红外激光脉冲的，使其更好地应用于阿秒科学研究。

本发明的具体技术解决方案是：

一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，其特点是在多级级联光学参量放大系统的第一级泵浦光的光路上，加入空心光纤压缩装置，由该装置输出的第一级泵浦光的脉冲宽度被压缩到周期量级，该周期量级的第一级泵浦光和信号光通过第一级光参量放大器，产生第一级信号光和第一级闲置光，选择第一级信号光或第一级闲置光作为第二级光参量放大器的信号光。

所述的空心光纤压缩装置是由沿光束前进方向的透镜、空心光纤、平凹镜和啁啾镜组合构成，入射所述透镜的激光光束在空心光纤的前端的位置聚焦，并且聚焦后的光斑直径为空心光纤内径的60％～80％，所述的空心光纤置于充惰性气体的管腔中。

所述的惰性气体为氖气、氩气、氙气和氪气。

所述的管腔中惰性气体的气压，根据光束在光纤内的所需要的自相位调制效应的强弱和光束在空心光纤中传播导致的能量损耗平衡确定。当所需要的自相位调制效应比较强，气压应相应升高，反之，气压应该降低。但是气压升高会引起能量损耗加剧，所以，实验中，应当根据实验需要，选择合适的气压以获得足够的自相位调制并保证能量损耗在可以接受的范围。

所述的啁啾镜组合提供的负色散补偿量，并且补偿量应该与从空心光纤出射的脉冲所拥有的正色散量相同，使补偿后的脉冲色散基本为零。

本发明级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法有以下优点：

1)因为与OPA系统前端的入射光和OPA系统后端的出射光相比，第一级泵浦光的能量比较低，只有几百微焦，在此引入基于空心光纤的压缩装置进行脉冲宽度压缩，有效的避免了空心光纤对高能激光脉冲的强烈能量损耗，提高了出射脉冲的能量。

2)由于空心光纤的波导效应对于光束的整形作用，第一级泵浦光脉冲在被压缩的同时，光束质量也得到改善，有利于后续的非线性过程的效果。

3)因为第一级泵浦光的中心波长是800nm，在此位置可以运用成熟的800nm附近空心光纤压缩技术，即避免在OPA系统的输出端使用尚不成熟的红外压缩技术，并与OPA后压缩得到同样的效果，具有普遍的推广意义。

4)相对于第一级信号光被压缩的方法，第一级泵浦光被压缩后的光束比前者少经过一个BBO晶体。BBO晶体是色散晶体，少经过一个即意味着减少了一部分BBO晶体强烈的色散对于脉冲的展宽，以便使我们的OPA系统获得更短的脉冲输出。

5)利用对第一级泵浦光的压缩，在OPA系统的出射端成功地获得10fs左右的可调谐的红外出射脉冲光源。

附图说明

图1为本发明级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法的结构示意图。

图2为本发明级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法应用实例的结构示意图。

图3是输入空芯光纤脉冲的光谱和经过充入300mbar氩气的空芯光纤展宽后的光谱。

图4是实验得到的自相关信号曲线和9fs的理论计算的自相关曲线的拟合图。

图5是发明的理论模拟的第一级光信号和闲置光的脉冲宽度示意图。

图6是发明的理论模拟的第二级光信号和闲置光的脉冲宽度示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法的结构示意图。是本发明的一个实施例，由图可见，本发明一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，入射该级联光学参量放大系统的激光脉冲G 40fs左右，中心频率在800nm附近。被第一分束片1，第二分束片2分为第一级泵浦光P1、第二级泵浦光P2和信号光SI。第一级泵浦光P1，经反射镜3反射进入透镜4聚焦，入射到充惰性气体的空心光纤5，由于空心光纤5中的自相位调制，光谱被展宽，调节空心光纤5内气压的强度以调节光谱展宽的范围。透镜4的焦距选择使焦点处的光斑直径大约等于光纤5内径的2/3，理论计算证明这时的能量耦合效率最高。同时，透镜4的焦点要位于光纤5的前端入口处，因为此时大部分能量都分布在基模上。平凹镜6将从光纤内出射的略微发散的宽光谱脉冲准直，入射啁啾镜组合7，最终将脉冲压缩到周期量级。啁啾镜组7的补偿带宽是从450nm附近到950nm附近。在第一光学参量放大器8和第二光学参量放大器10的参量放大过程中，与BBO晶体非线性作用时间取决于较短的入射脉冲宽度，因此，第一级被放大的信号光S和闲置光I的脉冲宽度与经过被空心光纤脉冲压缩装置压缩了的第一级泵浦光PI的脉冲宽度相当；第二级被放大的信号光SS和闲置光II的脉冲宽度由入射第二级光学参量放大器的信号光的脉冲宽度相一致。利用这一点，我们可以最终获得从OPA系统出射10fs以下的激光脉冲。

请参见图2，图2为本发明级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法应用实例的结构示意图。入射光束G的中心波长800nm，脉宽40fs，由第一分束片1，第二分束片2分成三束光：信号光SI，第一级泵浦光P1和第二级泵浦光P2。信号光SI在白宝石13中成丝产生超连续谱WL。第一级泵浦光P1由反射镜4反射进入透镜4经过空心光纤压缩装置，被压缩到10fs以下，所述的空心光纤压缩装置是由沿光束前进方向的透镜4、空心光纤5、平凹镜6和啁啾镜组合7构成，然后同被展宽的信号光入射第一级OPA放大8。选择合适的从第一级OPA放大8晶体出射的激光同第二级泵浦光一起入射第二级OPA放大10，最后可以获得能量高于1mJ，10fs左右的，波长可调谐范围为1200-2400nm的红外激光脉冲。

本装置的工作原理：

如图2所示，钛宝石激光器的输出脉冲G脉宽为40fs，能量高达8mJ，重复频率1kHz，中心波长在800nm附近。第一分束片1的反射率为92％，透射率为8％，第二分束片2的反射率为10％，透射率为90％。因此入射光束被两个分束片分为三束光，信号光SI(64μJ)，一级泵浦光P1(0.58mJ)，二级泵浦光P2(7.3mJ)。信号光SI经过透镜12，白宝石晶体13和透镜14，获得展宽光谱范围为500nm～2400nm准直光。一级泵浦光P1先经过0级半波片11，改P偏振S偏振，再通过焦距为1m的透镜4被聚焦入空心光纤5中。空心光纤5的长度是1m，内径为250μm。由于一级泵浦光P1的能量低于0.6mJ，我们使用Ar气作为非线性气体介质，气压设定在300mbar.。当脉冲在空心光纤中传播时，由于激光脉冲与非线性气体的自相位调制效应，光谱得到大大的展宽。图3是空心光纤前后的光谱图。从光纤出射的宽光谱脉冲经凹面镜反射准直，入射到啁啾镜组7补偿-270fs2色散，得到大约9fs，能量为0.32mJ的周期量级激光脉冲。图4为啁啾镜后测量得到的9fs自相关信号曲线拟合图。此SI偏振的9fs泵浦光P1和信号光SI分别由透镜19和透镜15以I类相位匹配近共线的方式会聚到2毫米厚第一级BBO晶体8。通过平移台18调节脉冲SI和P1的延迟，得到放大得到信号光束S，并产生闲置光束I。光束S和I的宽度均为9fs。理论模拟的光束I和S的脉冲宽度示意图如图5所示，为了方便对比，图中纵坐标所示均是归一化的光强，在实际情况中，泵浦光的光强是信号光强的103倍。我们将信号光束S与剩余的P1透射光用第一挡板20挡住，选取闲置光I为第二级OPA过程的信号光SS与第二级泵浦光P2以II类匹配，同样是近共线的方式入射第二级BBO晶体10，通过平移台24调节脉冲S和P2的延迟，产生放大得到信号光束SS，闲置光束II。光束SS和II的脉冲宽度小于10fs，理论模拟的光束II和SS的脉冲宽度示意图如图6所示。与图5类似，图中纵坐标所示均是归一化的光强。闲置光束II与剩余的P2透射光束由第二挡光板27挡住，信号光束SS是我们所需要的10fs以下，1mJ以上，波长可调谐范围为1200-2400nm的红外激光脉冲。

本发明将空心光纤压缩技术和OPA技术合理的结合，解决了可调谐OPA系统脉冲压缩问题。为高次谐波产生实验，阿秒产生实验等物理实验提供的更加优质的光源选择。

Claims (4)

1.一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，其特征是在多级级联光学参量放大系统的第一级泵浦光(P1)的光路上，加入空心光纤压缩装置，由该装置输出的第一级泵浦光的脉冲宽度被压缩到周期量级，该周期量级的第一级泵浦光和信号光(SI)通过第一级光参量放大器(8)，产生第一级信号光(S)和第一级闲置光(I)，选择第一级信号光(S)或第一级闲置光(I)一个作为第二级光参量放大器(10)的信号光，所述的空心光纤压缩装置是由沿光束前进方向的透镜(4)、空心光纤(5)、平凹镜(6)和啁啾镜组合(7)构成，入射所述透镜(4)的激光光束在空心光纤(5)的前端的位置聚焦，并且聚焦后的光斑直径为空心光纤内径的60％～80％，所述的空心光纤(5)置于充惰性气体的管腔中。

2.根据权利要求1所述的级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，其特征在于：所述的惰性气体为氖气、氩气、氙气和氪气。

3.根据权利要求1所述的级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，其特征在于：所述的管腔中惰性气体的气压，根据光束在光纤内的所需要的自相位调制效应的强弱和光束在空心光纤中传播导致的能量损耗平衡确定。

4.根据权利要求1所述的级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，其特征在于：所述的啁啾镜组合(7)提供的负色散补偿量，并且补偿量应该与从空心光纤出射的脉冲所拥有的正色散量相同，使补偿后的脉冲色散基本为零。

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