CN101867141A

CN101867141A - 基于倍频型级联啁啾脉冲放大产生高信噪比脉冲的装置

Info

Publication number: CN101867141A
Application number: CN 201010186298
Authority: CN
Inventors: 钱列加; 袁鹏; 张东方; 钟亥哲
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2010-10-20

Abstract

本发明属于激光技术领域，具体为一种产生高信噪比光脉冲的装置。该装置主要由多级啁啾脉冲放大部分和脉冲倍频净化部分组成。各级啁啾脉冲放大系统分别工作在不同的波长(即基波和谐波)，二者间通过倍频过程来实现脉冲的非线性净化和波长的转换匹配，从而获得高信噪比脉冲。这种装置有着脉冲净化能力强，整体效率高和向大口径高能量状态扩展性好的优点，可以用于构建拍瓦量级的激光系统。

Description

基于倍频型级联啁啾脉冲放大产生高信噪比脉冲的装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种产生高信噪比光脉冲的装置。

背景技术

高强度飞秒啁啾脉冲放大激光系统的发展，为开展在极端相对论物理条件下光与物质相互作用的实验研究提供了可能。目前，高功率激光已经达到了聚焦光强10²²W/cm²，为了防止脉冲旁瓣产生预等离子体，就要求激光脉冲的信噪比至少要大于10¹¹∶1，特别是在脉冲的前沿部分。随着激光聚焦光强继续增强，对信噪比的要求也进一步提高。为了解决啁啾脉冲放大激光系统中这一瓶颈问题，有多种用于提升皮秒时间尺度脉冲信噪比的方法被提了出来，总的来说，可以分为三类：脉冲展宽前或者压缩后的非线性短脉冲净化；啁啾脉冲放大(CPA)系统放大过程的优化；以及中间带有非线性短脉冲净化的多级啁啾脉冲放大系统设计。但是，一般的，由于受限于啁啾脉冲放大系统中的自发辐射放大跟参量荧光，已报道的短脉冲激光系统主脉冲前沿皮秒时间尺度内的信噪比只有10⁹或者更低。

原则上，通过使前级CPA输出脉冲的能量尽量大，同时减小后续CPA的放大倍数，带有非线性短脉冲净化的多级CPA系统能够产生高能量密度，高信噪比的激光脉冲。这就非常需要发展高能量、大光束口径下的高效脉冲净化系统。此外，这个脉冲净化系统还应该顾及涉及到的两级CPA的波长和脉宽。现有的非线性短脉冲净化技术主要是以非线性交叉极化技术和非线性偏振旋转技术为基础的，这些技术的整体效率大概仅为10％，而且对信噪比的提升也有限。

发明内容

针对现有非线性短脉冲净化技术的不足，本发明的目的在于提供一种可用于强激光装置的整体净化效率高、能量可扩展的产生高信噪比光脉冲的装置。

本发明提供的产生高信噪比光脉冲的装置，由多级啁啾脉冲放大系统及倍频脉冲净化系统组成。前几级啁啾脉冲放大系统作为预放大器，工作于基波波段，然后采用倍频方式的非线性脉冲净化技术，通过倍频把输出脉冲的波长转化至需要的谐波波段，然后用后续啁啾脉冲放大系统进行主放大。这种方法即考虑了高信噪比脉冲后续放大的需要，又具有整体净化效率高、净化能力强以及脉冲能量可扩展的优点。

本发明提出的产生高信噪比光脉冲的装置，具体由工作于基频波段的预放大器、脉冲倍频净化部分及工作在谐波波段的主放大器组成。其中：

预放大器部分，包括一台飞秒激光器、一台同步长脉冲激光器、一个光参量产生-光参量放大(OPG-OPA)系统、两个延时器以及光参量啁啾脉冲放大系统，光参量啁啾脉冲放大系统包括光栅展宽器、光参量放大系统、光栅压缩器。一台商品化的飞秒激光器泵浦一个OPG-OPA系统，得到设计好的基频波长的短脉冲，并以此作为光参量啁啾脉冲放大系统的种子光；同时，由一台同步长脉冲激光器作为泵浦源，把从OPG-OPA系统中得到的基频短脉冲通过光栅展宽器，展宽到与长脉冲激光器输出脉冲的脉宽相匹配。由一块设计合理的非线性晶体作为增益介质来完成啁啾后的光参量放大过程。为了放大后信号光的分离，泵浦光与信号光之间有大概1°的非共线角。所述两个延迟器由反射镜构成，两个延迟器分别用于调节OPG-OPA与OPCPA的泵浦光与信号光脉冲的时间延迟，使它们在时间上重叠。放大完成后，再由光栅压缩器将放大后的光脉冲重新压缩成短脉冲。

脉冲倍频净化部分，由满足位相匹配的非线性晶体来实现。输出波长对准主放大器的高信噪比短脉冲。非线性参量倍频过程具有整体效率高、净化能力强的特点，理论上有“平方关系”提升脉冲信噪比的能力，缺点是会改变脉冲的波长。通过预放大器的适当设计，可以实现波长的转换匹配，使净化脉冲对准主放大器工作波长。同时实现脉冲的非线性净化和波长的转换匹配。

主放大器部分，由啁啾脉冲放大系统组成，包括光栅展宽器、增益介质、泵浦源和光栅压缩器。倍频后的高信噪比脉冲经过光栅展宽器展宽至长脉冲，增益介质为传统的能级型增益介质或者用于光参量放大的非线性晶体，相应的泵浦源为半导体激光器、光纤激光器、惰性气体灯或同步的长脉冲激光器等。放大后的脉冲经过光栅压缩器，最终获得高信噪比的脉冲输出。为了保证脉冲高信噪比，主放大器一般放大倍数不宜太大。

OPCPA系统的波长随意设计能力使得使用倍频作为脉冲净化系统成为可能。倍频过程具有转换效率高的优点，并且能够有效地把脉冲信噪比提升到基频光脉冲信噪比的平方量级。同时因为存在可用于倍频脉冲净化的小群速度失配、大尺寸非线性晶体，所以我们这种方案是具有能量可扩展性的，有着脉冲能量可扩展和实现脉冲信噪比高于10¹²的潜力。

附图说明

图1所示为根据本发明设计的高信噪比近红外光脉冲产生装置。

图2所示为光栅展宽/压缩器。

图3所示为实验得到的基波与谐波信噪比对比图。

图中标号：1为泵浦飞秒激光源，2为同步窄带激光源，3为飞秒泵浦光，4为第一非线性晶体，5为第一双色镜，6为中红外飞秒信号光，7为剩余飞秒泵浦光，8为第一反射镜，9为第二反射镜，10为第一延时器，11为第二双色镜，12为第二非线性晶体，13为OPA放大后的中红外飞秒信号光，14为剩余的飞秒泵浦光与闲频光，15为第一滤光片，16为第三反射镜，17为第一光栅展宽器，18为皮秒泵浦光，19为第二延时器，20为第三双色镜，21为第三非线性晶体，22为中红外皮秒信号光，23为剩余皮秒泵浦光，24为第二滤光片，25为第四反射镜，26为第一光栅压缩器，27为第四非线性晶体，28为中红外基频光，29为近红外倍频光，30为第三滤光片，31为第二光栅展宽器，32为钕玻璃放大器，33为同步氙灯泵浦源，34为第二光栅压缩器，35为光栅，36为第一屋脊镜，37为第二屋脊镜，38为第五反射镜。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

图1所示为根据本发明设计的高信噪比近红外光脉冲产生装置。该装置包括可自由设计波长的中红外OPCPA系统及倍频脉冲净化系统，以及近红外钕玻璃放大系统。其中：

中红外OPCPA系统，泵浦飞秒激光源1出射的飞秒激光3通过满足一定位相匹配角的第一非线性晶体4，进行光参量产生(OPG)过程，从而得到中红外飞秒激光6。然后，在第一双色镜5的作用下，中红外飞秒激光6与剩余飞秒泵浦光7分离开来，以去除OPG过程中产生的不需要的杂散光。剩余飞秒泵浦光7进入第一延时器10调整时间延时后，作为下一级光参量放大(OPA)过程的泵浦光源，通过第二双色镜11与中红外飞秒信号光6重新耦合，共线进入第二非线性晶体12，以I类匹配的方式进行OPA过程，通过第一滤光片15把剩余的飞秒泵浦光与闲频光14滤除后，经过OPA放大的中红外飞秒信号光13进入到第一光栅展宽器17中进行脉冲展宽，展宽到与同步窄带激光源2出射的皮秒泵浦光18的脉冲宽度相匹配。皮秒泵浦光18经过第二延时器19调整时间延时后，与展宽后的中红外皮秒信号光通过第三双色镜20耦合在一起，为了方便放大后信号光跟闲频光的分离，以小角度非共线的方式进入第三非线性晶体21，进行OPCPA过程。在具体实验中，本装置使用一块设计合理的MgO:PPLN晶体作为第三非线性晶体21，最大程度地提高泵浦光对信号光提供的增益，避免了为提高增益而要使用多级放大的情况，将其设计为单级中红外OPCPA。放大结束后，通过第二滤光片24把剩余皮秒泵浦光23从中红外皮秒信号光22中滤除出去。然后，再用第一光栅压缩器26将放大后的皮秒量级中红外光脉冲重新压缩成短脉冲；

倍频脉冲净化系统，由第四非线性晶体27来实现。中心波长在中红外波段的基频光28通过倍频转换，会得到近红外波段的倍频光29。最后第三滤光片30会把残余的中红外基频光28滤除掉，而使具有高信噪比的近红外倍频光29透过并输出系统，使我们能够得到高信噪比的近红外光脉冲29。

近红外钕玻璃放大系统为主放大系统，由近红外倍频光29通过第二光栅展宽器31展宽至近纳秒量级，然后通过钕玻璃放大器32进行放大。放大过程中采用同步的氙灯33作为泵浦源，其同步是依靠精确控制氙灯的放电时间来实现的。放大过程中增益控制在10倍左右。放大后的近红外光通过第二光栅压缩器34进行脉宽压缩，从而得到高功率的近红外短脉冲。

在此实施方式中，中红外OPCPA被用作系统的预放大器，而且采用倍频方式的非线性脉冲净化技术，通过倍频，把OPCPA输出脉冲的波长恢复到近红外波段，对准钕玻璃激光放大器的工作波段，进行主放大。本实施方式中保证高脉冲信噪比的核心在于倍频过程“平方关系”的超高脉冲净化能力，对此我们通过本实施方式进行了验证。中红外基频光与近红外倍频光短脉冲在皮秒量级时间宽度内的信噪比如图3所示。虚线表示的是中红外基频光，实线表示的是近红外倍频光。可以看到，由于测量能力的限制，得到的近红外短脉冲在主脉冲前沿接近3皮秒的时间尺度内的信噪比会超过能够测量的最高值10⁹，同时，中红外短脉冲的信噪比只有10⁵。比较那些没有受限于可测量动态范围的测量数据，可以看出，我们的实验清楚地表明了谐波脉冲的信噪比大概为基波脉冲信噪比的平方。同时，由于由窄带近红外激光直接泵浦的中红外OPCPA跟中红外短脉冲的倍频都能做到比较大的效率，这就使得我们提出的这种产生近红外波段高信噪比光脉冲的方法有着比较高的整体净化效率。非线性晶体在中红外波段都有着较小的GVM，而且也存在可用的大尺寸晶体。所以本装置是具有能量可扩展性的，有着脉冲能量可扩展和实现脉冲信噪比高于10¹²的潜力。

Claims

1.一种产生高信噪比光脉冲的装置，其特征在于由工作于基频波段的预放大器、脉冲倍频净化部分及工作在谐波波段的主放大器组成；其中：

预放大器部分，包括一台飞秒激光器、一台同步长脉冲激光器、一个光参量产生-光参量放大(OPG-OPA)系统、两个延时器以及光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统，光参量啁啾脉冲放大系统包括光栅展宽器、光参量放大系统、光栅压缩器；所述飞秒激光器泵浦一个OPG-OPA系统，得到设计好的基频波长的短脉冲，并以此作为光参量啁啾脉冲放大系统的种子光；以所述的同步长脉冲激光器作为泵浦源，把从OPG-OPA系统中得到的基频短脉冲通过光栅展宽器，展宽到与长脉冲激光器输出脉冲的脉宽相匹配；由一块设计合理的非线性晶体作为增益介质来完成啁啾后的光参量放大过程；为了放大后信号光的分离，泵浦光与信号光之间有大概1°的非共线角；所述两个延时器由反射镜构成，两个延时器分别用于调节OPG-OPA系统与OPCPA的泵浦光与信号光脉冲的时间延时，使它们在时间上重叠；放大完成后，再由光栅压缩器将放大后的光脉冲重新压缩成短脉冲；

脉冲倍频净化部分，由满足位相匹配的非线性晶体来实现，输出波长对准主放大器的高信噪比短脉冲；

主放大器，由啁啾脉冲放大系统组成，包括光栅展宽器、增益介质、泵浦源和光栅压缩器；倍频后的高信噪比脉冲经过光栅展宽器展宽至长脉冲，增益介质为能级型增益介质或者用于光参量放大的非线性晶体，相应的泵浦源为半导体激光器、光纤激光器、惰性气体灯或同步的长脉冲激光器等。放大后的脉冲经过光栅压缩器，最终获得高信噪比的脉冲输出。