CN102545012A

CN102545012A - 载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置

Info

Publication number: CN102545012A
Application number: CN2012100431111A
Authority: CN
Inventors: 黄延穂; 李妍妍; 王建州; 许毅; 冷雨欣; 徐至展
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，其构成包括：输出载波包络相位稳定、中心波长在2106纳米飞秒脉冲的光参量放大系统；在2106纳米波段具有高反射率、1290纳米波段有高透射率的双色镜对；把中心波长在2106纳米的飞秒脉冲倍频到1053纳米的倍频晶体；在1053纳米波段附近具有高反射率、2106纳米波段附近有高透射率的双色镜对。本发明装置具有中心波长在1053纳米附近可调谐、载波包络相位稳定、具有超高对比度、工作稳定等特点。尤其适合于作为工作波长为1053纳米或1064纳米的高功率超高对比度啁啾脉冲放系统、光参量放大系统的前端种子源。

Description

载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光，特别是一种载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，能产生载波包络相位稳定的、中心波长在1053纳米、超高对比度的飞秒激光脉冲，主要适用于高功率、高对比度飞秒激光系统，应用于高强度超快激光技术及超快强场物理研究领域。

背景技术

近年来，随着飞秒激光技术的发展，人们能够获得越来越强的飞秒激光脉冲。超强超短激光脉冲是许多基础研究中的重要工具，在激光物理研究领域有着不可替代的作用。特别是周期量级的超短激光脉冲，在高次谐波，阿秒脉冲的产生等领域有非常重要的应用。然而在这些超短激光脉冲的应用中，低对比度的预脉冲，会在主脉冲到达之前先破坏靶，从而影响整个强场激光物理实验。对于10^21-23W/cm²乃至更高量级的超强场激光与物质相互作用物理研究中，对超强超短激光脉冲的对比度要求达到10¹¹-10¹³量级。因此，提高激光脉冲的对比度对强场物理实验有重大意义。

当前，在惯性约束核聚变领域, 用钕玻璃(Nd: glass) 作为增益介质的激光放大器可以产生数千焦耳以上的高能激光脉冲。钕玻璃作为一种激光增益介质，具有光学质量好，口径大，激光输出能量高等优点。然而，掺钕磷酸盐玻璃的工作波段是在1053纳米附近，掺钕硅酸盐玻璃的工作波段是在1064纳米。因此，大功率的钕玻璃激光放大系统需要一个输出波长在1053纳米（或1064纳米，硅酸盐玻璃）的高对比度的脉冲种子源。

在先技术中，Jullien等人提供了一种的脉冲净化装置（参见Jullien, A., S. Kourtev, et al. (2006). "Highly efficient temporal cleaner for femtosecond pulses based on cross-polarized wave generation in a dual crystal scheme." Applied Physics B-Lasers and Optics 84(3): 409-414.）。在先技术中，入射光通过一个起偏器，获得偏振性较好的线偏振光，然后通过透镜聚焦到氟化钡（BaF₂）晶体上，接着经过透镜准直，最后通过一个与起偏器偏振方向互相垂直的检偏器输出。入射的线偏振光通过氟化钡晶体时，当功率密度合适的时候，由于交叉偏振波产生（XPW）效应，将会产生与原光束偏振方向相互垂直的光脉冲，转化效率与光强的三次方成正比。因此，入射脉冲中能量较强的主脉冲能够把大部分能量都转化到与原偏振方向垂直的光束上，透过检偏器输出；而能量较弱的预脉冲几乎不能产生交叉偏振波，会被检偏器滤掉。这样通过这个装置后，我们就能够获得高对比度的飞秒脉冲。然而，该装置脉冲净化的能力受到起偏器和检偏器消光比的限制，对比度只能在原来基础上提高2～4个量级。另一方面，XPW技术受到入射光源限制。若只有800纳米的飞秒光源，并不能产生1053纳米或1064纳米波段的飞秒脉冲来满足钕玻璃应用的需要；若入射光的CEP不稳定，也不能获得CEP稳定的飞秒脉冲。最后，由于在先技术装置使用的是三阶非线性效应，因此对外界的影响非常敏感。输入能量的不稳定以及装置中气流的变化都会造成输出光束的抖动和能量的剧烈变化，从而影响脉冲的稳定性。

在另一在先技术中，Liang等人提供了另一种基于相位共轭波（PCW）产生的脉冲净化技术（参见Shiguo Liang, et al. “Temporal contrast enhancement of picosecond pulses based on phase-conjugate wave generation.” Optics Letters, 2011, to be published.）在该技术中，脉冲工作的中心波长是在1053纳米，但是该装置产生的是1皮秒的脉冲，光谱宽度只有2纳米左右，并不能满足宽光谱带宽的飞秒脉冲应用的要求。同时，光谱的中心波长也不能调谐，不能满足1064纳米波段的应用要求。当入射脉冲的载波包络相位不稳定时，该技术不能实现载波包络相位稳定的飞秒脉冲输出。

发明内容

本发明为了克服上述在先技术的不足，提供了一种载波包络相位CEP稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置。该装置在800纳米低对比度飞秒光源的驱动下，能够输出CEP稳定的1053纳米的超高对比度飞秒激光脉冲，或通过调谐，输出1064纳米的超高对比度飞秒激光脉冲。该装置较少受到外界环境因素的影响，具有良好的光束质量，对比度能在原来基础上提高10⁸以上，大大超过了XPW技术净化脉冲的能力。相对于PCW技术，本发明能支持40纳米带宽，满足飞秒脉冲的应用要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，包括飞秒脉冲光源，特点在于其构成是在该飞秒脉冲光源输出的线偏振超短脉冲激光的光路上依次设置光参量放大系统、第一双色镜对、倍频晶体和第二双色镜对，所述的光参量放大系统是输出闲置光中心波长2106纳米的三级光参量放大系统；所述的第一双色镜对是在2106纳米波段具有高反射率、1290纳米波段有高透射率的双色镜；所述的倍频晶体将中心波长在2106纳米的飞秒脉冲倍频到1053纳米；所述的第二双色镜对具有1053纳米波段高反射率、2106纳米波段高透射率的双色镜。

所述的2106纳米光参量放大系统是一个3级共线的光参量放大系统，最后一级光参量放大输出的信号光中心波长在1290纳米，输出的闲置光的中心波长在2106纳米，2106纳米的闲置光的载波包络相位是稳定的。

所述的第一双色镜对和第二双色镜对的双色镜与光路都成45°设置。

所述的倍频晶体是BBO晶体、LBO晶体或KTP晶体。

本发明的载波包络相位稳定的1053纳米超高对比度飞秒脉冲产生装置的具体使用步骤如下：

（1）把光仔细对入OPA系统；

（2）优化OPA系统，使出射能量最大；

（3）调整倍频晶体的角度，使出射的倍频光的能量最大；

（4）通过调谐OPA系统中非线性BBO晶体的角度，OPA可实现2106纳米或2128纳米的输出；再调谐倍频晶体的角度，可以实现1053纳米或1064纳米的输出。

与在先技术相比，本发明具有以下显著的优点：

（1）在先技术的脉冲净化的能力受到起偏器和检偏器消光比的限制，对比度只能在原来基础上提高10⁴。根据小脉冲判断，本发明能够把对比度在原来基础上至少提高8个数量级，超过了仪器的测量极限。

（2）在先技术受到入射光源的限制。若只有800纳米的飞秒光源，并不能产生1053纳米波段的飞秒脉冲来满足钕玻璃应用的需要。若入射光的CEP不稳定，也不能获得CEP稳定的飞秒脉冲。本发明可以在一个低对比度、CEP不稳定的、800纳米的飞秒光源的驱动下，产生高对比度、CEP稳定的、1053纳米的飞秒脉冲。

（3）在先技术应用的是三阶非线性效应。而三阶非线性效应的装置对环境要求比较苛刻，极易受气流扰动、振动等因素的影响。本发明利用级联二阶非线性效应代替三阶非线性效应，增加了系统的稳定性。

（4）在先技术中，PCW技术产生的是1皮秒的脉冲，光谱宽度只有2纳米，并不能满足飞秒脉冲的应用要求。本发明可以产生50飞秒以下的脉冲，光谱宽度能达到40纳米。

（5）在先技术产生的脉冲波长是固定的，如XPW技术在800纳米波段，PCW技术工作在1053纳米波段。本发明通过OPA调谐OPA系统中的非线性BBO晶体的角度，OPA可实现2106纳米或2128纳米的输出。可以匹配磷酸盐玻璃（1053纳米）和硅酸盐玻璃（1064纳米）等，以及普通光纤激光器的需求。

本发明装置具有中心波长在1053纳米附近可调谐、载波包络相位稳定、具有超高对比度、工作稳定等特点。尤其适合于作为工作波长为1053纳米或1064纳米的高功率超高对比度啁啾脉冲放系统、光参量放大系统的前端种子源。

附图说明

图1为本发明的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置的示意图。

图2为本发明的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置的入射脉冲和出射脉冲在对数坐标下的对比度曲线。

图3为本发明的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置输出脉冲的二阶自相关曲线。

图4为本发明的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置输出光的光谱，分别包括1053纳米和1064纳米输出是的光谱。

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。参阅图1，图1为本发明载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置的示意图。也是本发明具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置：由啁啾脉冲放大系统1输入的中心波长800纳米、脉宽35飞秒、能量3.8毫焦、重复频率1KHz的线偏振超短脉冲激光，依次经过下列装置：三级共线光参量放大系统2；第一双色镜对3、4；倍频晶体5；第二双色镜对6、7。

其中，三级共线光参量放大系统2共线输出1290纳米的信号光和2106纳米的闲置光。由OPA的原理可知，2106纳米闲置光的CEP是稳定的。

经过第一双色镜对3、4后，共线输出的1290纳米的信号光和2106纳米的闲置光分离，我们单独获得CEP稳定的2106纳米的飞秒脉冲。

在倍频晶体（5）中，2106纳米的入射光经过倍频，产生了1053纳米的倍频光。

最后，经过双色镜对（6、7）后，倍频光和基频光分离，我们获得了CEP稳定的超高对比度的、1053纳米的飞秒激光脉冲。

本发明的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置的具体使用步骤如下：

（1）把光仔细对入OPA系统（2）；

（2）优化OPA系统，使出射能量最大；

（3）调整倍频晶体的角度，使出射的倍频光能量最大；

该本发明的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置的基本原理是光参量放大（OPA）效应是二阶非线性效应，它的特点是，能量转换效率与光强的平方成正比，能量强的脉冲能够得到高的非线性转换效率，能量低的脉冲转换效率非常低，能有效提高脉冲的对比度。由于泵浦光和信号光来自同一个光源，它们的载波包络相位的变化是同步的，因此这两束光差频后，它们之间的相位变化将会相互抵消，从而获得载波包络相位稳定的闲置光。通过双色镜对分离出的2106纳米的闲置光入射到倍频晶体。倍频晶体一方面把2106纳米的光转换到我们需要的工作波长，另一方面进一步提脉冲高对比度。最后在经过双色镜对实现基频光和闲置光的分离。另外，因为二级非线性效应要比三阶非线性效应不易受外界影响，所以本系统能够获得较高的稳定性。

本发明的具体实施例：

入射光的波长为800纳米，能量3.8毫焦，脉宽35飞秒，重复频率1KHz。可调谐光参量放大系统中，使用的非线性晶体是BBO。激光脉冲通过三阶共线光参量放大系统后，获得能量为600微焦，波长2106纳米的飞秒激光脉冲。双色镜对（3）、（4），45°入射时，在2106纳米波段的反射率为99.5%。倍频晶体（5）是BBO晶体（ =21.6°，

=0°，0.3mm厚）。双色镜对（6）、（7），45°入射时，在1053纳米波段反射率为99.5%。最后，在1053纳米波段，获得能量120微焦、脉宽46飞秒、对比度>10¹¹的飞秒脉冲。曝光时间1毫秒，测量35分钟，CEP抖动的均方根（RMS）为470mrad。入射脉冲和出射脉冲测得的对比度如图2，脉冲的对比度从~10⁸提高到超过仪器的测量极限>10¹¹。出射脉冲的脉冲宽度如图3，半高全宽为46飞秒。通过调谐可以输出中心波长在1064纳米的飞秒脉冲。图4是分别输出1053纳米和1064纳米脉冲的光谱图。

Claims

1.一种载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，包括飞秒脉冲光源（1），特征在于其构成是在该飞秒脉冲光源（1）输出的线偏振超短脉冲激光的光路上依次设置光参量放大系统（2）、第一双色镜对（3、4）、倍频晶体（5）和第二双色镜对（6、7），所述的光参量放大系统（2）是输出闲置光中心波长2106纳米的三级光参量放大系统；所述的第一双色镜对（3、4）是在2106纳米波段具有高反射率、1290纳米波段有高透射率的双色镜；所述的倍频晶体（5）将中心波长在2106纳米的飞秒脉冲倍频到1053纳米；所述的第二双色镜对（6、7）具有1053纳米波段高反射率、2106纳米波段高透射率的双色镜。

2.根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，其特征是所述的2106纳米光参量放大系统（2）是一个3级共线的光参量放大系统，最后一级光参量放大输出的信号光中心波长在1290纳米，输出的闲置光的中心波长在2106纳米，2106纳米的闲置光的载波包络相位是稳定的。

3.根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，其特征是所述的第一双色镜对（3、4）和第二双色镜对（6、7）的双色镜与光路都成45°设置。

4.根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的1053纳米飞秒脉冲产生装置，其特征是所述的倍频晶体（5）是BBO晶体、LBO晶体或KTP晶体。