CN102073188B - 一种提高飞秒脉冲信噪比方法及其实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种提高飞秒脉冲信噪比方法及其实现装置，以解决传统提高信噪比的方法提升量级有限、且在此过程中造成较大能量损失的问题。该方法包括以下步骤：(1)将系统接收的泵浦光分成能量相等的两束光；(2)调整步骤(1)所述的两束光，使这两束光的传播方向相反；同时调整系统的输入信号光的方向与所述两束光其中任一的夹角为0.5-3°；(3)所述两束光作为前向泵浦光和后向泵浦光，与所述输入信号光保持同步，发生简并四波混频作用，产生相位共轭波；(4)所述相位共轭波，即高信噪比的飞秒脉冲信号光。本发明信噪比提高的数量级高，能量损失小，形成较好的光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及提高超短脉冲输出信噪比的技术，具体涉及一种提高飞秒脉冲信噪比方法及其实现装置。
背景技术
超短脉冲(脉宽一般为fs)作为光源，形成了多种时间分辨光谱技术和泵浦、探测技术，例如：时间分辨荧光光谱技术，飞秒条纹相机，全光取样、电光取样测量，交叉相位调制技术，超高时间分辨扫描探针显微技术。由于脉宽很短，带宽很宽的优点，超短脉冲在高速光通信也备受青睐。在峰值功率方面上，由于CPA和OPCPA技术的引进，超短超强激光的发展日新月易。激光系统的峰值功率突飞猛进的增加。超短超强激光由于其极高的峰值功率提供了高温，高压等极端物理条件，并由此诞生了一门新的物理学分支(强场物理)，当前高达1022w/m2的超强激光强度已经获得。由于这样高功率的获得，水窗X射线源，电子加速，相对论聚焦的研究导致了新的科学发现。在惯性约束核聚变中，由于超高强度的峰值功率给激光点火提供了有利的条件，因此超强脉冲在激光点火中(ICF)有很高的应用价值。另外，超短超强激光等离子体相互作用方面，超短超强激光能够产生Gbar的压强和超高温，超高密度的等离子体，即可以在实验室创造恒星才有的条件。
在工业上，超短脉冲由于脉冲短，被加工对象的破坏阈值越低，加工精度越高，因此，为创造新的工业高新技术提供一个开发平台。但是这些应用对脉冲的信噪比都有很高的要求。因为，当激光峰值功率增加的同时也带来了比较高功率的噪声，这里的噪声是在高功率激光系统中，由于泵浦光放大的自发辐射(ASE)会给产生的脉冲带来纳秒数量级的底座，和由于展宽器带来的光谱剪切，高阶色散，而这些在脉冲压缩时，由于压缩器不能精确补偿高阶色散会给产生的脉冲带来预脉冲，当预脉冲的峰值功率超过介质的电离阈值(1010w/m2)，介质会因为预脉冲跟介质电离，从而改变介质的属性，影响主脉冲与介质的相互作用，更严重的是阻止主脉冲与介质发生作用。这点在ICF激光点火，超精细激光加工是非常重要的。所以在高功率激光系统中提高OPCPA输出脉冲信噪比是非常重要的。
国内外的一些提高飞秒脉冲信噪比的方法：比如，饱和吸收体，非线性偏转旋转，交叉偏振波，等离子体镜等等，这些方法提高信噪比一般最多只能提高4个量级，而且会损失大部分飞秒脉冲的能量。而随着激光峰值功率的飞速发展，信噪比的提高需要进一步加大，因此，一种更大的提高飞秒脉冲信噪比和能量损失少的技术的提出是非常有必要的。
发明内容
本发明旨在提供一种提高飞秒脉冲信噪比方法及其实现装置，以解决传统提高信噪比的方法提升量级有限、且在此过程中造成较大能量损失的问题。
本发明的技术思想是：采用超快响应时间的kerr介质，即在玻璃薄片上掺杂有Bi2O3，此介质的响应时间可以达到200fs。从激光器输出的飞秒脉冲经过严格同步在此介质中发生简并四波混频作用，利用得到的相位共轭波来提高注入的飞秒脉冲信号光的信噪比。
基于技术思想，本发明的技术方案如下：
一种提高飞秒脉冲信噪比方法，包括以下步骤：
(1)将系统接收的泵浦光分成能量相等的两束光；
(2)调整步骤(1)所述的两束光，使这两束光的传播方向相反；同时调整系统的输入信号光的方向与所述两束光其中任一的夹角为0.5-3°；(信号光与前向泵浦光的夹角为0.5-1°，最大角度3度，角度过小两束光不能很好的分开，造成光路结构不紧凑，角度大了会由于角色散影响光束质量。)
(3)所述两束光作为前向泵浦光和后向泵浦光，与所述输入信号光保持同步，发生简并四波混频作用，产生相位共轭波；
(4)所述相位共轭波，即高信噪比的飞秒脉冲信号光。(一般地，在时间上，预脉冲在主脉冲前面的几个皮秒。我们利用响应时间在200飞秒的克尔介质，让预脉冲和主脉冲分别通过简并的四波混频作用产生相位共轭波。由于预脉冲的强度小，在克尔介质发生三阶非线性效应时的耦和效率很低，从而产生的共轭波的强度非常小，相反，主脉冲的强度大，产生的共轭波强度很大。即我们通过产生的共轭波消减了原来预脉冲的强度，同时基本保证了主脉冲的强度。这样，我们最后得到的共轭波的信噪比得到了很大的提高。)
上述步骤(1)中，所述泵浦光首先经过啁啾脉冲放大器放大；步骤(2)中，所述输入信号光首先经光参量啁啾脉冲放大器。
上述步骤(3)发生简并四波混频作用的三个入射光波的能量相等，允许误差在5％以内。(为了更好的相位匹配，需要控制入射的三个光波能量相等。如果能量差别太大，相位匹配关系被破坏。虽然信噪比的提高数量级基本不受影响，但最后导致产生的共轭波能量减少，相当于损失了能量。)
上述步骤(1)将泵浦光分成能量相等的两束光的操作与步骤(2)调整两束光的传播方向相反的操作均是通过匹配调整相应的泵浦光分束系统和反射镜来实现。
一种实现提高飞秒脉冲信噪比的装置，该装置的光路由泵浦光光路和信号光光路组成，泵浦光光路上沿入射方向依次设置有泵浦光隔离器、泵浦光分束系统和kerr介质；信号光光路上沿入射方向依次设置有信号光隔离器和信号光分束系统；所述泵浦光分束系统和信号光分束系统的设置方式满足：泵浦光经泵浦光分束系统分出的两束光分别作为前向泵浦光、后向泵浦光，与经信号光分束系统反射出的信号光在kerr介质中发生简并四波混频作用，且所述信号光的方向与所述两束光其中任一的夹角为0.5-3°；简并四波混频作用产生的相位共轭波作为本装置之后的放大系统的种子源。
上述泵浦光光路上在泵浦光隔离器之前还设置有啁啾脉冲放大器，所述信号光光路上在信号光隔离器之前还设置有光参量啁啾脉冲放大器。
上述泵浦光分束系统由设置于泵浦光隔离器后的第一分束器和分别位于第一分束器透射、反射光路上的第二全反射镜、第三全反射镜构成，所述两束光经与之分别对应的第二全反射镜、第三全反射镜反射形成所述前向泵浦光、后向泵浦光；所述信号光分束系统设置于信号光隔离器后的第一全反射镜和第二分束器构成，经第二分束器反射出信号光的方向与所述第二全反射镜反射出的前向泵浦光的方向的夹角为1°。
上述Kerr介质为掺Bi2O3的玻璃薄片。
上述两个分束器均为熔融硅材料制成，厚度为1mm。三个全反射镜通过镀膜实现全反射。
本发明具有以下优点：
1、信噪比提高的数量级高。本发明采用简并四波混频原理产生相位共轭波提高飞秒脉冲信噪比达到7个量级，预脉冲的峰值功率密度由原来的10-5降到10-11。
2、能量损失小。
3、较好的光束质量。
4、输出脉冲时域波形良好。
5、结构简单，方便实用，成本低。
附图说明
图1为为本发明的原理图；其中，Z axis为晶体通光方向；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明的飞秒脉冲输入信噪比；
图4为本发明的经过简并四波混频产生相位共轭波的输出信噪比。
具体实施方式
本发明提供了基于简并四波混频原理产生相位共轭波方法提高飞秒脉冲信噪比，如图1所示。其中，Z axis为晶体通光方向，在设计时，Kerr介质的晶体最佳厚度主要由三入射光能量确定。E1和E2分别表示前向泵浦光和后向泵浦光，产生的共轭波E4可以看作是原始输入的信号光E3的反射波。Kerr介质为掺Bi2O3的玻璃薄片，薄片厚度为25um。当kerr介质晶体参数确定后，有个最佳的泵浦光、信号光能量，使产生的共轭波效率最佳。飞秒脉冲的宽度为500fs，波长为1053nm，经过光束分离器和反射镜后入射到kerr介质中的三个光波能量分别为0.5mJ。
参见图2，CPA为啁啾脉冲放大器，光隔离器与CPA系统相连，BS1，BS2分别是分束器，M1，M2，M3是三个全反射镜。OPCPA为光参量啁啾脉冲放大器，光隔离器与OPCPA系统相连，光隔离器起的作用主要是阻止从分束器BS1，M1的反射光进入CPA和OPCPA系统。在此发明中，我们用CPA输出的光脉冲经过BS1，M2，M3后分成能量相等的两束光，调整反射镜的角度使这两束光的传播方向相反，这两束光分别作为简并四波混频的前向泵浦光和后向泵浦光，另一光路从OPCPA系统输出经分束器M1，BS2后作为简并四波混频的输入信号光。为了更好的分离出共轭光，输入信号光与前向泵浦光的夹角为1°，产生的共轭光E4与输入信号光E3的传播方向相反。
预脉冲视为本系统的噪声，因此信噪比在这里即是主脉冲的强度与预脉冲的强度之比。本发明中产生的共轭波的预脉冲强度被严重削减，而主脉冲强度基本保持不变，相当于削减预脉冲的强度，从而提高脉冲的信噪比。
参见图3，我们利用共轭波来提高飞秒脉冲的信噪比。纵轴用对数坐标来表示主脉冲与预脉冲的强度情况，预脉冲的强度相对主脉冲的强度归一化。主脉冲宽度为500fs，预脉冲在主脉冲前面的2ps处，输入信号的信噪比为105。
参见图4，我们仍然采用归一化的对数坐标表示产生共轭波的信噪比情况。预脉冲的峰值强度已经由原来输入信号光的10-5降到10-12，所以通过这种方法，预脉冲的强度降低了7个数量级。因此，基于简并四波混频产生的共轭波替代原始的输入信号光，这种方法可以提高飞秒脉冲信噪比7个数量级。
Claims (6)
1.一种提高飞秒脉冲信噪比方法，包括以下步骤：
(1)将系统接收的泵浦光分成能量相等的两束光；
(2)调整步骤(1)所述的两束光，使这两束光的传播方向相反；同时调整系统的输入信号光的方向与所述两束光其中任一的夹角为0.5-3°；
(3)所述两束光作为前向泵浦光和后向泵浦光，与所述输入信号光保持同步，在克尔介质中发生简并四波混频作用，产生相位共轭波；
(4)所述相位共轭波，即高信噪比的飞秒脉冲信号光；
步骤(1)中，所述泵浦光首先需要经过啁啾脉冲放大器放大；步骤(2)中，所述输入信号光首先需要经光参量啁啾脉冲放大器放大；
步骤(3)发生简并四波混频作用的三个入射光波的能量相等，允许误差在5％以内。
2.根据权利要求1所述提高飞秒脉冲信噪比方法，其特征在于：步骤(1)将泵浦光分成能量相等的两束光的操作与步骤(2)调整两束光的传播方向相反的操作均是通过匹配调整相应的泵浦光分束系统来实现。
3.一种实现如权利要求1所述提高飞秒脉冲信噪比方法的装置，其特征在于：该装置的光路由泵浦光光路和信号光光路组成，泵浦光光路上沿入射方向依次设置有泵浦光隔离器、泵浦光分束系统和kerr介质；信号光光路上沿入射方向依次设置有信号光隔离器和信号光分束系统；所述泵浦光分束系统和信号光分束系统的设置方式满足：泵浦光经泵浦光分束系统分出的两束光分别作为前向泵浦光、后向泵浦光，与经信号光分束系统反射出的信号光在kerr介质中发生简并四波混频作用，且所述信号光的方向与所述两束光其中任一的夹角为0.5-3°；简并四波混频作用产生的相位共轭波作为所述装置之后的放大系统的种子源；
所述泵浦光光路上在泵浦光隔离器之前还设置有啁啾脉冲放大器，所述信号光光路上在信号光隔离器之前还设置有光参量啁啾脉冲放大器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述泵浦光分束系统由设置于泵浦光隔离器后的第一分束器和分别位于第一分束器透射、反射光路上的第二全反射镜、第三全反射镜构成，所述两束光经与之分别对应的第二全反射镜、第三全反射镜反射形成所述前向泵浦光、后向泵浦光；所述信号光分束系统设置于信号光隔离器后的第一全反射镜和第二分束器构成，经第二分束器反射出信号光的方向与所述第二全反射镜反射出前向泵浦光的方向的夹角为1°。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述Kerr介质为掺Bi2O3的玻璃薄片。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述两个分束器均为熔融硅材料制成，厚度为1mm。
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