CN103217851A - 共线光参量放大方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共线光参量放大方法及装置，属于超快激光技术领域。本发明在两块β-BaB2O4晶体间插入BaF2晶体，产生的飞秒泵浦光和宽带信号光同步共线入射第一β-BaB2O4晶体进行第一次光参量放大，产生放大的飞秒信号光和飞秒闲频光，此时飞秒泵浦光超前飞秒信号光，飞秒信号光超前飞秒闲频光；通过BaF2晶体后调整为飞秒闲频光超前飞秒信号光，飞秒信号光超前飞秒泵浦光；最后通过第二β-BaB2O4晶体进行第二次光参量放大，飞秒泵浦光、飞秒信号光与飞秒闲频光达到时间同步。本发明同时补偿泵浦光、信号光与闲频光之间的群速度失配，提高三光信号的时间同步性，从而提高了共线光参量放大器的增益谱宽与转换效率。

Description

共线光参量放大方法及装置
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种共线光参量放大方法及装置。
背景技术
超短高能量激光脉冲在强场激光物理等领域有着广阔的应用前景。长期以来，因现有超快激光介质（如钛宝石）的限制，超短高能量激光脉冲的产生主要集中在可见-近红外（0.8μm附近）波段。进一步开拓超短高能量激光脉冲的应用，例如：对隧穿电离或深隧穿电离的深入研究、水窗波段相干X射线的产生以及电子超快动力学过程研究等，需要将激光脉冲的中心波长向中红外（1μm-5μm）方向拓展。这些重要应用不仅对激光脉冲的中心波长有要求，还要求激光脉冲具有数十飞秒甚至周期量级的脉冲宽度并同时具有较高的能量。
光参量放大（Optical Parametric Amplification,OPA）是指一束具有较高频率的光波，通过非线性介质时，产生两个较低频率的光波并获得放大的现象。近年来，光参量放大因增益谱宽可调谐且谱宽较宽，高阶非线性效应小以及几乎没有热累积效应等优势，成为了将钛宝石激光频率下转换实现超短高能量中红外激光脉冲输出的首选方案。超短高能量中红外激光脉冲将开辟强激光与物质相互作用领域中迄今很少探索过的参量空间，从而为人们开拓新效应和新应用提供新机遇。
在OPA过程中，由泵浦光、信号光与闲频光之间的群速度失配（GroupVelocity Mismatch,GVM）所引起的时间走离使得增益谱宽以及转换效率受到限制。为增加增益谱宽，一种简并的OPA方案被提出用于产生超短激光脉冲。在简并OPA系统中，信号光和闲频光具有相同波长，因此信号光与闲频光之间的群速度失配GVMs-i为0。但是采用钛宝石激光泵浦的简并OPA方案仅能用于产生1.6μm附近的超短激光脉冲输出，不具备可调谐性。对于非简并波段例如1.2μm-1.4μm，OPA的增益谱宽仍然受到GVMs-i的限制。为此，一种非共线的OPA方案被提出，用于补偿GVMs-i，从而在非简并波段产生超短激光脉冲输出。尽管该方案能在1.1μm-2.1μm的波段内产生脉冲宽度小于10fs的信号光脉冲输出，但所产生的闲频光具有角色散，限制了闲频光的进一步应用。另一方面，泵浦光与信号光的群速度失配GVMp-s以及泵浦光与闲频光的群速度失配GVMp-i所带来的时间走离限制了OPA的有效作用距离，因此补偿GVMp-s与GVMp-i对提高OPA转换效率有重要作用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种共线光参量放大方法及装置，通过同时补偿泵浦光、信号光与闲频光之间的群速度失配来提高共线光参量放大器的增益谱宽与转换效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种共线光参量放大方法，包括以下步骤：
（1）产生飞秒泵浦光和宽带信号光；
（2）飞秒泵浦光和宽带信号光同步共线入射第一β-BaB2O4晶体，进行第一次光参量放大，产生放大的飞秒信号光和飞秒闲频光；在第一β-BaB2O4晶体内，飞秒泵浦光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒闲频光群速度；
（3）采用BaF2晶体调整飞秒信号光和飞秒闲频光的时域重叠，在BaF2晶体内飞秒闲频光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒泵浦光群速度；
（4）飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光入射第二β-BaB2O4晶体，进行第二次光参量放大，同步输出飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光。
为实现上述目的，本发明提供了一种共线光参量放大装置，包括泵浦激光源、信号激光源、第一β-BaB2O4晶体、BaF2晶体、第二β-BaB2O4晶体、延时器、反射镜、双色镜和分光片；
双色镜的反射面的输入光路包括依次放置的反射镜、延时器和泵浦激光源；双色镜的透射面的输入光路包括信号激光源；双色镜的输出光路包括依次放置的第一β-BaB2O4晶体、BaF2晶体、第二β-BaB2O4晶体和分光片；
泵浦激光源、延时器和反射镜依次位于双色镜的反射面输入光路上，信号激光源位于双色镜的透射面输入光路上，双色镜用于将其反射面输入光路输入的光和透射面输入光路输入的光同步共线输出；双色镜的输出光路上依次放置有第一β-BaB2O4晶体、BaF2晶体、第二β-BaB2O4晶体和分光片。
具体地说，泵浦激光源产生的飞秒泵浦光依次经过延时器、反射镜和双色镜入射第一β-BaB2O4晶体；信号激光源产生的宽带信号光经过双色镜后与飞秒泵浦光同步共线入射第一β-BaB2O4晶体；第一β-BaB2O4晶体以Ⅰ类相位匹配的方式进行第一次光参量放大，产生放大的飞秒信号光和飞秒闲频光，在第一β-BaB2O4晶体内飞秒泵浦光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒闲频光群速度，第一β-BaB2O4晶体输出的飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光入射BaF2晶体；BaF2晶体调整飞秒信号光和飞秒闲频光的时域重叠，使得在BaF2晶体内飞秒信号光群速度大于飞秒泵浦光群速度，飞秒闲频光群速度大于飞秒信号光群速度，BaF2晶体输出的飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光入射第二β-BaB2O4晶体；第二β-BaB2O4晶体以Ⅰ类相位匹配的方式进行第二次光参量放大，放大后第二β-BaB2O4晶体同步输出的飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光入射分光片；分光片滤除飞秒泵浦光，输出闲频光或信号光。
进一步，所述第一和第二β-BaB2O4晶体厚度L0相同，BaF2晶体厚度LC与第一β-BaB2O4晶体厚度L0满足关系式
Figure BDA00002933989900041
其中，VBs为在第一β-BaB2O4晶体内的飞秒信号光群速度，VBi为在第一β-BaB2O4晶体内的飞秒闲频光群速度，VCs为在BaF2晶体内的飞秒信号光群速度，VCi为在BaF2晶体内的飞秒闲频光群速度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过在两块BBO（β-BaB2O4，低温相偏硼酸钡）晶体间插入BaF2晶体，使得第一块BBO晶体中产生的飞秒泵浦光、飞秒信号光与飞秒闲频光之间的群速度失配GVMs-i、GVMp-s以及GVMp-i同时得到补偿；补偿后，飞秒泵浦光、飞秒信号光与飞秒闲频光的时间重叠被加强，再经过第二块BBO晶体放大实现三光信号同步。飞秒泵浦光、飞秒信号光与飞秒闲频光在整个光参量放大过程的时间同步性提高，从而提高了共线光参量放大器的增益谱宽与转换效率。试验结果表明，输出信号光谱宽大于100纳米，转换效率高于25%，输出闲频光谱宽大于200纳米，转换效率高于20%且载波包络相位稳定。
附图说明
图1为本发明装置的结构图。
图2为输出信号光的频谱图，其中，图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别为信号激光脉冲中心波长为1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm对应的频谱图。
图3为输出的中心波长1.3μm信号光的转换效率和增益谱宽与泵浦光强度的关系图，其中，图3(a)为转换效率与泵浦光强度的关系图，图3(b)为增益谱宽与泵浦光强度的关系图。
图4为输出闲频光的频谱图，其中，图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为对应图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示信号光的闲频光频谱图。
图5为信号光和闲频光载波包络相位示意图，其中，图5(a)为信号光的初始载波包络相位示意图，图5(b)为闲频光载波包络相位示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明共线光参量放大方法，包括以下步骤：
（1）分别产生飞秒泵浦光和宽带信号光；
（2）飞秒泵浦光和宽带信号光同步共线入射第一BBO晶体，以Ⅰ类相位匹配的方式进行第一次光参量放大，产生放大的飞秒信号光和飞秒闲频光；在第一BBO晶体内，飞秒泵浦光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒闲频光群速度；
（3）采用BaF2晶体调整飞秒信号光和飞秒闲频光的时域重叠，使得在BaF2晶体内飞秒闲频光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒泵浦光群速度；
（4）飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光入射第二BBO晶体，以Ⅰ类相位匹配的方式进行第二次光参量放大，同步输出飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光。
基于上述方法，本发明提出共线光参量放大装置，如图1所示，包括泵浦激光源1、信号激光源2、第一BBO晶体3、BaF2晶体4、第二BBO晶体5、延时器6、反射镜7和双色镜8和分光片9。
泵浦激光源1出射的飞秒泵浦光先后经过延时器6和反射镜7后与信号激光源2出射的宽带信号光共同入射到双色镜8。调整延时器6、反射镜7以及双色镜8使得飞秒泵浦光与信号光在第一BBO晶体3入射面处形成时间和空间重合，同步共线进入第一BBO晶体3，以Ⅰ类相位匹配的方式进行第一级OPA过程，产生放大的飞秒信号光和飞秒闲频光。通过第一BBO晶体3后，飞秒泵浦光超前飞秒信号光，飞秒信号光超前飞秒闲频光。通过BaF2晶体4后调整为飞秒信号光超前飞秒泵浦光，飞秒闲频光超前飞秒信号光。最后通过第二BBO晶体5进行第二级OPA过程，泵浦光、信号光与闲频光几乎达到时间同步。分光片9将输出的泵浦光阻挡，同时将闲频光或信号光阻挡，得到纯净的信号光或闲频光输出。
泵浦光和信号光在第一块厚度为L0的BBO晶体中进行参量放大（OPA-Ⅰ）。在OPA-Ⅰ中，泵浦光能量向信号光转移，信号光获得放大并产生闲频光。在第一BBO晶体3中泵浦光群速度vBp、信号光群速度vBs和闲频光的群速度vBi之间满足关系vBp＞vBs＞vBi，即由于群速度失配，信号光落后泵浦光
Figure BDA00002933989900061
闲频光落后泵浦光闲频光落后信号光将OPA-Ⅰ输出的泵浦光、信号光和闲频光入射到BaF2晶体。在补偿晶体BaF2中泵浦光群速度vCp、信号光群速度vCs和闲频光的群速度vCi之间满足关系vCp＞vCs＞vCi。两块BBO晶体的厚度可相同或不相同，在相同情况下，优选BaF2晶体厚度LC与第一BBO晶体3的厚度L0之间满足关系式这样可以恰好补偿三个脉冲在BBO晶体中产生的失配。通过GVM补偿晶体BaF2后，信号光超前泵浦光
Figure BDA00002933989900065
闲频光超前泵浦光
Figure BDA00002933989900066
闲频光超前信号光
Figure BDA00002933989900067
将泵浦光、信号光和闲频光入射到厚度同为L0的第二BBO晶体5中再次进行参量放大（OPA-Ⅱ）。输出的信号光与泵浦光的时域走离关系为
Figure BDA00002933989900068
闲频光与泵浦光的时域走离关系
Figure BDA00002933989900069
信号光与闲频光的时域走离关系为0。因此信号光与泵浦光、闲频光与泵浦光的时域走离大大减小，而信号光与闲频光之间的时域走离几乎被完全补偿。
两BBO晶体要求以Ⅰ类相位匹配的方式进行参量方大，这就要求其相位匹配角度为20度，实际应用过程中，可通过旋转BBO晶体使其满足该角度要求。
下面举一个具体的实施例。
以飞秒钛宝石激光再生放大器作为泵浦源产生脉宽为40fs，中心波长为800nm，重复频率为1-kHz的泵浦脉冲。以带宽大于300nm的近红外脉冲作为信号光。以I类相位匹配的两块1毫米长的BBO为OPA晶体。以厚度可调谐的BaF2晶体补偿相互作用的光脉冲之间的群速度失配。输入泵浦脉冲的能量为3mJ，光斑直径为10mm，对应于约100GW/cm2的峰值强度，能量较低的宽带超连续白光作为初始信号光获得放大。调整BBO晶体的取向，可以选择性地放大不同中心波长的信号光，同时在中红外波段获得不同波长的闲频光。通过调节BaF2晶体的厚度，可以补偿泵浦光、信号光和闲频光在第一块BBO晶体中产生的群速度失配，从而使得三个脉冲在经过第二块BBO晶体后几乎同步输出。
图2表明，通过补偿信号光与闲频光之间的群速度失配，本发明方法能有效加强两个脉冲在时域上的重叠，从而对非简并波段的信号进行宽带放大，所得信号光谱宽大于100纳米，理论上能支持小于三周期的输出脉宽。此外，由于泵浦光和信号光/闲频光之间的群速度失配也得到补偿，脉冲放大效率在第二级OPA过程中大大提高。图3表明，通过增大泵浦强度，信号光的能量转换效率可达到25%以上，对应的闲频光转换效率也超过20%，同时仍然能输出周期量级脉宽的脉冲。
由于白光超连续所得种子光与泵浦光的载波包络相位相同，两者差频获得的闲频光拥有被动稳定的相位，因此闲频光也具有重要的研究及应用价值。图4表明，对应于图2中的不同信号光脉冲，在中红外波段可获得不同波长的闲频光脉冲。所得谱宽均大于200纳米，理论上可支持小于两周期的脉冲宽度。图5给出了在信号光初始相位随机的条件下所得闲频光相对相位的统计结果。可以看出，对任意初始相位的信号光，闲频光的相位都能被动稳定。重复500次计算可得到，闲频光的相位可稳定在97.8mrad的范围内。
以上结果表明，通过在两块非线性晶体间插入一块BaF2晶体补偿三个脉冲间的群速度失配，使这三者在整个光参量放大过程的时间同步性均提高，因此同时提高了输出的增益谱宽与转换效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种共线光参量放大方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）产生飞秒泵浦光和宽带信号光；
（2）飞秒泵浦光和宽带信号光同步共线入射第一β-BaB2O4晶体，以Ⅰ类相位匹配的方式进行第一次光参量放大，产生放大的飞秒信号光和飞秒闲频光；在第一β-BaB2O4晶体内，飞秒泵浦光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒闲频光群速度；
（3）采用BaF2晶体调整飞秒信号光和飞秒闲频光的时域重叠，在BaF2晶体内飞秒闲频光群速度大于飞秒信号光群速度，飞秒信号光群速度大于飞秒泵浦光群速度；
（4）飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光入射第二β-BaB2O4晶体，以Ⅰ类相位匹配的方式进行第二次光参量放大，同步输出飞秒泵浦光、飞秒信号光和飞秒闲频光。
2.根据权利要求1所述的共线光参量放大方法，其特征在于，所述第一和第二β-BaB2O4晶体厚度L0相同，BaF2晶体厚度LC与第一β-BaB2O4晶体厚度L0满足关系式
Figure FDA00002933989800011
其中，VBs为在第一β-BaB2O4晶体内的飞秒信号光群速度，VBi为在第一β-BaB2O4晶体内的飞秒闲频光群速度，VCs为在BaF2晶体内的飞秒信号光群速度，VCi为在BaF2晶体内的飞秒闲频光群速度。
3.一种共线光参量放大装置，其特征在于，包括泵浦激光源（1）、信号激光源（2）、第一β-BaB2O4晶体（3）、BaF2晶体（4）、第二β-BaB2O4晶体（5）、延时器（6）、反射镜（7）、双色镜（8）和分光片（9）；
泵浦激光源（1）、延时器（6）和反射镜（7）依次位于双色镜（8）的反射面输入光路上，信号激光源（2）位于双色镜（8）的透射面输入光路上，双色镜（8）用于将其反射面输入光路输入的光和透射面输入光路输入的光同步共线输出；双色镜（8）的输出光路上依次放置有第一β-BaB2O4晶体（3）、BaF2晶体（4）、第二β-BaB2O4晶体（5）和分光片（9）。
4.根据权利要求3所述的共线光参量放大装置，其特征在于，所述第一和第二β-BaB2O4晶体厚度L0相同，BaF2晶体厚度LC与第一β-BaB2O4晶体厚度L0满足关系式其中，VBs为在第一β-BaB2O4晶体内的飞秒信号光群速度，VBi为在第一β-BaB2O4晶体内的飞秒闲频光群速度，VCs为在BaF2晶体内的飞秒信号光群速度，VCi为在BaF2晶体内的飞秒闲频光群速度。
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