CN101814689A - 啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大提高飞秒激光信噪比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大来提高飞秒激光信噪比的方法及其装置，属于超短脉冲技术领域。该方法是先将飞秒激光光源输出的待提高信噪比的飞秒激光展宽成啁啾信号光，然后通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大来实现高倍放大信号而低倍放大噪声以提高啁啾信号光的信噪比；最后通过光脉冲压缩器将啁啾信号光压缩成具有较高信噪比的飞秒激光。实现该方法的装置包括飞秒激光光源，飞秒激光器，第一和第二非线性光学晶体，第一和第二光脉冲展宽器，光脉冲放大器，光脉冲压缩器，第一和第二二向色镜。本发明的方法及其装置不仅能有效地提高飞秒激光的信噪比，且还能实现飞秒激光的高效放大。

Description

啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大提高飞秒激光信噪比的方法

技术领域

本发明属于超短脉冲技术领域，特别涉及一种通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术来提高飞秒激光信噪比的方法，以及实现该方法的装置。

背景技术

自激光诞生以来，高功率超短脉冲激光技术发展迅速。当前，人们已采用啁啾脉冲放大(CPA)技术获得了峰值功率高达拍瓦量级的飞秒激光脉冲。此飞秒激光脉冲经过聚焦后，其光场强度可达10²²W/cm²，由此获得的光场强度数百倍甚至数百万倍于原子内电场强度，该激光电场提供了极端的物理条件，从而为人类探索未知世界提供了强有力的手段。在激光与物质相互作用过程中，强度为10¹³W/cm²的激光可使物质产生等离子体，从而削弱主脉冲。因此，要求这类激光系统的信噪比达到10⁹～10¹¹或其以上，对EW乃至更高功率的激光系统而言，其信噪比要求则更高。然而，现有的高功率超短脉冲激光装置输出的激光脉冲的信噪比通常为10⁷～10⁸，与超高峰值功率激光的要求还存在一定的差距。因此，提高高功率超短脉冲激光的信噪比是超短脉冲技术领域研究的热点问题之一。

在现有技术中，提高飞秒激光信噪比的方法主要包括以下几种：

1、可饱和吸收体法

该方法可用于高功率的啁啾脉冲放大(CPA)系统中，它可将信噪比提高两个数量级。在文献(K.H.Hong，B.Hou，J.A.Nees，E.Power，G.A.Mourou.Generationand measurement of ＞10⁸ intensity contrast ratio in a relativistic kHzchirped-pulse amplified laser.Applied Physics B：Lasers，2005，81(4)：447-457)中，利用该方法获得了4×10⁸的信噪比，信噪比相对原来提高了400倍。但该方法实现的过程中出现的非线性相移导致了光束空间轮廓的变形，以及非线性饱和吸收所要求的峰值功率一般会超过大多数介质产生自聚焦所需要的能量，这也会扭曲光束的空间轮廓。

2、电光开关法

目前，电光开关的时间门可短至4ns-7ns，能有效去除前级再生放大器漏光噪声。电光开关可级联使用，信噪比可提高2-3个量级。然而，采用电光开关只能解决主脉冲前沿几个ns量级的噪声，而对几个ps到ns量级的噪声却无能为力。

3、非线性滤波法

非线性滤波技术的典型代表为交叉极化波(XPW)和等离子体镜(PM)滤波技术。A.Jullien等人以BaF2作为XPW转换晶体，由于转换效率与强度3次方成正比，因而能有效提高激光的信噪比，达到10¹⁰～10¹¹水平，该方法适应于μJ-mJ激光脉冲(A.Jullien，N.Minkovski，S.M.Saltiel.10^-10 temporal contrast for femtosecond ultraintenselasers by cross polarized wave generation[J].Opt.Lett.，2005，30(8)：920-922)，经优化后的转换效率为20％(V.Chvykov，P.Rousseau，S.Reed，et al.Generationof 10¹¹ contrast 50 TW laser pulses[J].Opt.Lett.，2006，31(10)：1456-1458)。然而，非线性滤波在啁啾脉冲压缩后使用，存在非线性效应、转换效率低、不能级联使用、光路调整复杂等问题。

4、光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)法

光参量啁啾脉冲放大法可以提供极高的脉冲信噪比，如＞10⁸，(A.Dubietis，R.Butkus，A.P.Piskarskas.Trends in chirped pulse optical parametricamplification[J].IEEE J.QE.，2006，12(2)：163-172)。其预脉冲和参量荧光可通过参量增益和由泵浦脉冲持续时间所决定的较短的放大窗口而得到有效的抑制。然而，对于放大时间窗口内的噪声却无能为力。

啁啾匹配技术最早被用于谐波产生实验中(K.Osvay and I.N.Ross.Broadbandsum-frequency generation by chirp-assisted group-velocity matching[J].J.Opt.Soc.Am.B，1996，13(7)：1431-1438)。后来，I.N.Ross等将它用于光参量啁啾脉冲放大中，以增加光参量啁啾脉冲放大过程的增益带宽(I.N.Ross，P.Matousek，G.H.C.New，and K.Osvay，“Analysis and optimization of optical parametric chirpedpulse amplification[J].J.Opt.Soc.Am.B，2002，19(12)：2945-2956)。文献(Y.Tang，I.N.Ross，C.Hernandez-Gomez，et al.Optical parametric chirped-pulseamplification source suitable for seeding high-energy systems[J].Opt.Lett.，2008，33(20)：2386-2389)中，Y.Tang等采用共线啁啾匹配方案，用带宽为20nm的宽带泵浦光获得了带宽大于165nm的衍射极限的激光脉冲，相应的变换限脉冲宽度小于15fs。

发明内容

本发明的目的正是在于克服现有所述技术中的不足，提供一种通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的技术方案来提高飞秒激光信噪比的方法。该方法利用啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大在不同时刻具有不同增益谱这一性质，实现高倍放大飞秒激光信号而低倍放大其噪声，从而达到有效地提高飞秒激光信噪比的目的。

本发明的另一目的是在于提供一种啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的装置，通过该装置来实现提高所述飞秒激光信噪比的方法。

本发明的基本思想是：通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)来提高飞秒激光信噪比的方法，是先将飞秒激光光源输出的待提高信噪比的飞秒激光展宽使之形成啁啾信号光，再将飞秒激光器输出的初始泵浦光展宽成啁啾泵浦脉冲，然后通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大来实现高倍放大信号、低倍放大噪声以提高啁啾信号脉冲的信噪比，最后再通过光脉冲压缩器将啁啾信号光压缩成具有较高信噪比的飞秒激光。也就是利用啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大在不同时刻具有不同瞬时增益谱这一性质，并使该瞬时增益谱中心频率随时间变化的速率与啁啾信号脉冲瞬时频率随时间变化的速率(即啁啾大小)一致，从而使得啁啾信号脉冲总能得到较大增益；由于啁啾信号脉冲和啁啾泵浦脉冲均为啁啾脉冲，且其啁啾参数须满足以下特定的关系式：

$\frac{C_s}{C_p}=A\frac{T_{s0}^2}{T_{p0}^2}---\left(1\right)$

式(1)中：C_s和C_p分别为啁啾信号脉冲和啁啾泵浦脉冲的啁啾参数；T_s0和T_p0分别为待提高信噪比的飞秒激光和初始泵浦光的脉冲宽度；A为一常数。而噪声由于其瞬时频率不满足上述特定的关系式，从而得不到有效放大，飞秒激光的信噪比也随之得以提高。为实现提高飞秒激光信噪比的方法，采用包括飞秒激光光源、光脉冲展宽器、光脉冲放大器、二向色镜、非线性晶体、光脉冲压缩器等构件组成的装置来完成。

为实现本发明的目的，本发明采用由以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明提供的啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)提高飞秒激光信噪比的方法，包括以下步骤：

(1)将待提高信噪比的飞秒激光及初始泵浦光采用光脉冲展宽器展宽使之形成啁啾信号光和啁啾泵浦脉冲，所述啁啾信号光中含有啁啾信号脉冲和噪声；

(2)通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大在不同时刻具有不同的瞬时增益谱，并使该瞬时增益谱中心频率随时间变化速率与啁啾信号脉冲瞬时频率随时间变化速率(即啁啾大小)一致，来实现高倍放大信号、低倍放大噪声以提高啁啾信号光的信噪比；

(3)最后通过光脉冲压缩器将啁啾信号光压缩成具有高信噪比的飞秒激光。

上述技术方案中，所述啁啾信号脉冲和啁啾泵浦脉冲均为啁啾脉冲，且其啁啾参数须满足以下特定的关系式(1)：

$\frac{C_s}{C_p}=A\frac{T_{s0}^2}{T_{p0}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，C_s和C_p分别为啁啾信号脉冲和啁啾泵浦脉冲的啁啾参数；T_s0和T_p0分别为待提高信噪比的飞秒激光和初始泵浦光的脉冲宽度；A为一常数。

本发明提供的实现提高飞秒激光信噪比的装置，包括产生待提高信噪比飞秒激光的飞秒激光光源，产生初始泵浦光的飞秒激光器，第一光脉冲展宽器和第二光脉冲展宽器，光脉冲放大器，第一非线性光学晶体和第二非线性光学晶体，第一二向色镜和第二二向色镜，光脉冲压缩器。所述产生待提高信噪比飞秒激光的飞秒激光光源输出的飞秒激光经第一光脉冲展宽器展宽形成啁啾信号光；由飞秒激光器产生的初始泵浦光经第二光脉冲展宽器展宽形成啁啾泵浦脉冲，该啁啾泵浦脉冲经光脉冲放大器放大为高强度的啁啾泵浦脉冲，再由第一非线性光学晶体倍频为短波长的啁啾泵浦脉冲；所述啁啾信号光和啁啾泵浦脉冲经由第一二向色镜后同时入射至第二非线性光学晶体，而光参量放大过程产生的闲频光及剩余的啁啾泵浦光则经第二二向色镜后反射出来；最后啁啾信号光经过光脉冲压缩器压缩成具有高信噪比的飞秒激光。

上述技术方案中，所述产生初始泵浦光的飞秒激光器为钛蓝宝石激光器、或Cr:LiSAF激光器、或Cr:Forsterite激光器、或钕玻璃振荡器。

上述技术方案中，所述第一非线性光学晶体和第二非线性光学晶体采用三硼酸锂(LBO)，或偏硼酸钡(BBO)，或磷酸二氢钾(KDP)。

上述技术方案中，所述第一光脉冲展宽器由光栅对组成，或由棱镜对组成。

上述技术方案中，所述第二光脉冲展宽器由光栅对组成。

上述技术方案中，所述光脉冲压缩器由光栅对组成，或由棱镜对组成。

上述技术方案中，所述光脉冲放大器采用钕玻璃放大器，或钛蓝宝石放大器。

本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果：

1、本发明提供的啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)提高飞秒激光信噪比的方法及实现该方法的实验装置，所形成的飞秒激光的信噪比可比原来的即未使用该方法及装置的信噪比提高两个量级。

2、本发明提供的啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)提高飞秒激光信噪比的方法及实现该方法的实验装置，不仅能有效地提高飞秒激光的信噪比，而且还能高效地放大飞秒激光，放大后的飞秒激光能量较放大前可提高三个量级。

3、本发明提供的啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)提高飞秒激光信噪比的装置，其光学元件无特殊要求，且结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大提高飞秒激光信噪比的方法的原理示意图；

图2是本发明实现啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大提高飞秒激光信噪比的方法的装置结构示意图。

图中，1-噪声，2-瞬时增益谱，3-啁啾信号脉冲，4-瞬时增益谱扫描路径，I-激光强度，ω-角频率，t-时间，5-飞秒激光光源，6-1第一光脉冲展宽器，6-2第二光脉冲展宽器，7-飞秒激光器，8-光脉冲放大器，9-1第一非线性光学晶体，9-2第二非线性光学晶体，10-1第一二向色镜，10-2第二二向色镜，11-光脉冲压缩器。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不意味着对本发明内容的任何限定。

本发明啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)提高飞秒激光信噪比的方法的原理如图1所示。图1中，I表示激光强度，ω为角频率，t为时间；不同时刻的瞬时增益谱2不同，图1中分别用不同的线型加以示意；瞬时增益谱2的扫描路径4如箭头所示方向，瞬时增益谱2同时作用于啁啾信号脉冲3和噪声1。而瞬时增益谱2随时间的移动速率与啁啾信号脉冲3的啁啾率一致，所述啁啾率即瞬时频率随时间的变化速率，从而使啁啾信号脉冲3得到高倍放大；而噪声1的瞬时频率随时间的变化速率与瞬时增益谱2随时间的移动速率不一致，因此其增益很小。于是，使飞秒激光的信噪比得以提高。

本发明实现啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大提高飞秒激光信噪比的方法提供的装置结构如图2所示。图2中，包括输出待提高信噪比飞秒激光的飞秒激光光源5，产生初始泵浦光的飞秒激光器7，第一光脉冲展宽器6-1和第二光脉冲展宽器6-2，光脉冲放大器8，第一非线性光学晶体9-1和第二非线性光学晶体9-2，第一二向色镜10-1和第二二向色镜10-2，光脉冲压缩器11。由图2，所述飞秒激光光源5输出的待提高信噪比的飞秒激光，该飞秒激光通过第一光脉冲展宽器6-1后展宽成啁啾信号光，啁啾信号光中含啁啾信号脉冲3和噪声1；与此同时，由飞秒激光器7产生的初始泵浦光通过第二光脉冲展宽器6-2后展宽成啁啾泵浦脉冲，然后，该啁啾泵浦脉冲经过光脉冲放大器8放大为具有高强度的啁啾泵浦脉冲，再由第一非线性光学晶体9-1倍频为波长较短的啁啾泵浦脉冲；随后，啁啾信号光和啁啾泵浦脉冲经由第一二向色镜10-1后同时入射至第二非线性光学晶体9-2，并发生光参量放大作用，使啁啾信号脉冲3得以高倍放大，而噪声1得不到有效放大，光参量放大过程产生的闲频光以及剩余的啁啾泵浦光经第二二向色镜10-2后反射出来；最后，啁啾信号光经过光脉冲压缩器11压缩成具有较高信噪比的飞秒激光。

实施例1

本实施例中所用第一非线性光学晶体9-1和第二非线性光学晶体9-2均为偏硼酸钡(BBO)晶体；第一光脉冲展宽器6-1和第二光脉冲展宽器6-2以及光脉冲压缩器11均为光栅对，所用光栅对由两个逆平行排列的衍射光栅组成，衍射光栅的刻线密度为每毫米600线；光脉冲放大器8为钕玻璃放大器；飞秒激光器7用的是钕玻璃振荡器；飞秒激光光源5输出待提高信噪比的飞秒激光为脉宽94fs，此脉宽定义为脉冲强度的半高全宽，以下同。

本实例通过如图2所示的装置结构来实现啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大以提高飞秒激光信噪比的方法。按图2结构安装好各光学元件，其光路过程描述：所述飞秒激光光源5输出待提高信噪比的飞秒激光，其中心波长为800nm，该飞秒激光通过第一光脉冲展宽器6-1展宽2123倍后，变成脉宽为200ps、强度为0.35MW/cm²的啁啾信号光，啁啾信号光中含啁啾信号脉冲3和噪声1；与此同时，由飞秒激光器7产生的初始泵浦光为钕玻璃振荡器输出的脉宽为107fs、中心波长为1064nm的飞秒激光，该飞秒激光通过第二光脉冲展宽器6-2展宽3739倍后，变成脉宽为400ps的啁啾泵浦脉冲，然后，该啁啾泵浦脉冲再经光脉冲放大器8放大为具有较高强度的啁啾泵浦脉冲，再由第一非线性光学晶体9-1倍频为波长较短的啁啾泵浦脉冲，其中心波长为532nm，强度为1GW/cm²；随后，啁啾信号光和啁啾泵浦脉冲经由第一二向色镜10-1后同时入射至第二非线性光学晶体9-2，并发生光参量放大作用，使啁啾信号脉冲3得以高倍放大，而噪声1得不到有效放大，光参量放大过程产生的闲频光以及剩余的啁啾泵浦光经第二二向色镜10-2后反射出来，第一二向色镜10-1和第二二向色镜10-2对于750～950nm波段有高透射，对于450～600nm波段及1500～1650nm波段有高反射，因此啁啾信号光能透过第一二向色镜10-1和第二二向色镜10-2，而啁啾泵浦光经过第一二向色镜10-1和第二二向色镜10-2以及闲频光经过第二二向色镜10-2时要发生反射而改变传播方向；最后，啁啾信号光经过光脉冲压缩器11压缩成具有较高信噪比的飞秒激光。

所述啁啾脉冲展宽前后脉宽之间的关系可由下式表示：

$\mathrm{\ΔT}=\mathrm{\Δ}{T}_0\sqrt{1+C^2}---\left(2\right)$

上式(2)中，ΔT₀和ΔT分别为啁啾脉冲展宽前后的脉宽，C为啁啾脉冲的啁啾参数。例如，ΔT₀＝94fs，展宽2123倍后ΔT＝200ps，相应的啁啾参数C＝2123。

当信号光的初始脉宽、啁啾参数以及泵浦光的初始脉宽确定时，泵浦光的啁啾参数即展宽倍数可由前面所述关系式(1)

确定。本实施例中，信号光的初始脉宽T_s0＝94fs，信号光的啁啾参数C_s＝2123，泵浦光的初始脉宽T_p0＝107fs，由关系式(1)

泵浦光的啁啾参数C_p＝3739。

假设初始飞秒激光的信噪比为1.8×10⁷，当非线性光学晶体9-2的长度为1cm时，通过上述实施例，输出信号光被放大了约1491倍，噪声被放大了约15倍，输出飞秒激光信噪比约为1.7×10⁹，比原来提高了约2个量级。

实施例2

本实例中将实施例1中所用第一非线性光学晶体9-1和第二非线性光学晶体9-2替换为三硼酸锂(LBO)，第一光脉冲展宽器6-1和光脉冲压缩器11均替换为棱镜对，棱镜对为由两个逆平行排列的棱镜组成；第二光脉冲展宽器6-2仍为光栅对；光脉冲放大器8替换为钛蓝宝石放大器，飞秒激光器7替换为钛蓝宝石激光器；然后按图2结构安装好各光学元件，其他过程与实施例1相同，同样可通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大来提高飞秒激光信噪比。

Claims (9)

1.一种通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)来提高飞秒激光信噪比的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将待提高信噪比的飞秒激光及初始泵浦光采用光脉冲展宽器展宽使之形成啁啾信号光和啁啾泵浦脉冲，所述啁啾信号光中含有啁啾信号脉冲(3)和噪声(1)；

(2)通过啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大在不同时刻具有不同的瞬时增益谱(2)，并使瞬时增益谱(2)的中心频率随时间变化速率与啁啾信号脉冲(3)瞬时频率随时间变化速率即啁啾大小一致，来实现高倍放大信号、低倍放大噪声以提高啁啾信号光的信噪比；

(3)最后通过光脉冲压缩器将啁啾信号光压缩成具有高信噪比的飞秒激光。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述啁啾信号脉冲(3)和啁啾泵浦脉冲均为啁啾脉冲，且其啁啾参数须满足以下关系式(1)

$\frac{C_s}{C_p}=A\frac{T_{s0}^2}{T_{p0}^0}---\left(1\right)$

式中，C_s和C_p分别为啁啾信号脉冲和啁啾泵浦脉冲的啁啾参数；T_s0和T_p0分别为待提高信噪比的飞秒激光和初始泵浦光的脉冲宽度；A为一常数。

3.一种实现权利要求1的装置，其特征在于包括飞秒激光光源(5)，产生初始泵浦光的飞秒激光器(7)，第一光脉冲展宽器(6-1)和第二光脉冲展宽器(6-2)，光脉冲放大器(8)，第一非线性光学晶体(9-1)和第二非线性光学晶体(9-2)，第一二向色镜(10-1)和第二二向色镜(10-2)，光脉冲压缩器(11)；所述待提高信噪比的飞秒激光光源(5)输出的飞秒激光经第一光脉冲展宽器(6-1)展宽形成啁啾信号光；由飞秒激光器(7)产生的初始泵浦光经第二光脉冲展宽器(6-2)展宽形成啁啾泵浦脉冲，其经光脉冲放大器(8)放大为高强度的啁啾泵浦脉冲，再由第一非线性光学晶体(9-1)倍频为短波长的啁啾泵浦脉冲；所述啁啾信号光和啁啾泵浦脉冲经由第一二向色镜(10-1)后同时入射至第二非线性光学晶体(9-2)，而光参量放大过程产生的闲频光及剩余的啁啾泵浦光则经第二二向色镜(10-2)后反射出来；最后啁啾信号光经过光脉冲压缩器(11)压缩成具有高信噪比的飞秒激光。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述产生初始泵浦光的飞秒激光器(7)为钛蓝宝石激光器，或Cr:LiSAF激光器，或Cr:Forsterite激光器，或钕玻璃振荡器。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述第一非线性光学晶体(9-1)和第二非线性光学晶体(9-2)均采用三硼酸锂(LBO)，或偏硼酸钡(BBO)，或磷酸二氢钾(KDP)。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述第一光脉冲展宽器(6-1)由光栅对组成，或由棱镜对组成。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述第二光脉冲展宽器(6-2)由光栅对组成。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述光脉冲压缩器(11)由光栅对组成，或由棱镜对组成。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述光脉冲放大器(8)采用钕玻璃放大器，或钛蓝宝石放大器。

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