CN103259180B - 高对比度飞秒激光脉冲产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置，包括：第一光学参量晶体；所述第一光学参量晶体适于接收第一信号光和第一泵浦光，进行光学参量放大，输出第一闲频光。可选的，所述高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：第二光学参量晶体；所述第二光学参量晶体适于接收第二信号光和第二泵浦光，进行光学参量放大，输出第二闲频光；所述第二信号光为第一闲频光。可选的，所述高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：第三光学参量晶体；所述第三光学参量晶体适于接收第三信号光和第三泵浦光，进行光学参量放大，输出第三闲频光；所述第三信号光为第二闲频光。一方面提高了飞秒激光的对比度和光学参量放大的效率，另一方面还增加了光学参量放大中的参量带宽。

Description

高对比度飞秒激光脉冲产生装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置。

背景技术

高功率高质量的超短超强激光脉冲是研究基于快点火技术方案的惯性约束核聚变、高能量密度物理及模拟天体状态的重要工具，其中激光脉冲的对比度是保证得到最佳研究效果的关键参数，例如，在超短超强激光与物质相互作用的物理实验中，所使用的激光聚焦后的峰值功率密度一般都高于10¹⁷W/cm²，如果脉冲前沿的强度超过10¹¹W/cm²，这样使得主激光与物质相互作用之前，ASE或预脉冲就开始产生预等离子体。预等离子体的存在改变了激光与物质相互作用的初始状态，影响了相互作用过程。在激光与固体靶相互作用离子产生的实验中，预脉冲的存在会改变离子的能谱结构和出射空间分布。在激光与团簇相互作用的X射线产生实验中，预脉冲会导致X射线产额的急剧降低，较差的对比度也会使激光尾波场加速电子束的指向及质量变差。

啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)是产生超短超强激光脉冲的一种常用的有效手段。但是在啁啾脉冲放大过程中，由于选单元件消光比的限制以及放大过程中的自发辐射效应(Amplified SpontaneousEmission，ASE)等因素，不可避免的存在着背景噪声，导致激光脉冲对比度的下降。

一般的CPA激光系统中，如果没有采取任何其他改善对比度的技术，则最后输出激光的对比度只有10⁵-10⁶左右，远远不能满足激光核聚变、高能量密度等的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置，产生高对比度飞秒激光。

根据本发明的一个方面，提供一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置，包括：

第一光学参量晶体；所述第一光学参量晶体适于接收第一信号光和第一泵浦光，进行光学参量放大，输出第一闲频光。

可选的，所述高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

第二光学参量晶体；所述第二光学参量晶体适于接收第二信号光和第二泵浦光，进行光学参量放大，输出第二闲频光；

所述第二信号光为第一闲频光。

可选的，所述高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

第三光学参量晶体；所述第三光学参量晶体适于接收第三信号光和第三泵浦光，进行光学参量放大，输出第三闲频光；

所述第三信号光为第二闲频光。

可选的，所述高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

激光源，适于发出激光；

超连续单元，适于从激光源发出的激光中提取所需波长的第一信号光；和

倍频单元，适于将激光源发出的激光倍频，以生成所述第一、第二和第三泵浦光。

可选的，所述超连续单元从通过所述激光与空气、液体或白宝石片等物质相互作用产生的超连续白光中选出所需的波长的信号光。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光在第一参量晶体中空间上重合，和/或第二信号光和第二泵浦光在第二参量晶体中空间上重合，和/或所述第三信号光和第三泵浦光在第三参量晶体中空间上重合。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光的相位匹配角使得光学参量放大效率最高，和/或所述第二信号光和第二泵浦光的相位匹配角使得光学参量放大效率最高，和/或所述第三信号光和第三泵浦光的相位匹配角使得光学参量放大效率最高。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光非共线，和/或所述第二信号光和第二泵浦光非共线，和/或所述第三信号光和第三泵浦光非共线；

其中，最佳的非共线角通过下述方式计算：

v_s＝v_icos(α+β)， $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α}$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光在时间上同步，和/或所述第二信号光和第二泵浦光在时间上同步，和/或所述第三信号光和第三泵浦光在时间上同步。

可选的，所述高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

第一光学平移台，所述第一光学平移台适于控制所述第一信号光和第一泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

第二光学平移台，所述第二光学平移台适于控制所述第二信号光和第二泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

第三光学平移台，所述第三光学平移台适于控制所述第三信号光和第三泵浦光的光程差，使两者在时间上同步。

所述光学参量晶体有BBO、LBO、KDP等，其中，BBO晶体具有较大的有效非线性系数，且群速度失配量比较小。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)提高飞秒激光的对比度；

(2)提高光学参量放大的效率；

(3)增加光学参量放大中的参量带宽。

附图说明

图1是参量过程中三波相互作用的示意图；

图2是泵浦光为405nm、信号光为658nm时，参量带宽与非共线角的关系曲线；

图3是405nm泵浦下，相位匹配角与信号光波长的关系曲线；

图4是根据本发明的一个实施例，提供的一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置的结构示意图；

图5是图4中的实施例的一个示例光路示意图。

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，对本发明进一步详细说明。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。

光学参量放大技术(Optical Parametric Amplification，OPA)相比其它的技术(例如使用饱和吸收体、等离子体镜、双啁啾脉冲放大、交叉偏振滤波技术、光学参量放大技术等等)具有宽的增益带宽、高的单程增益、无自发辐射放大等优点，在CPA放大中对于提高超短激光脉冲的对比度有明显优势。

光学参量放大是一种二阶非线性光学混频过程。光学参量放大的原理是：能量较小的信号光和能量较大的泵浦光在合适的非线性光学晶体中发生三波耦合作用，同时产生另外一束激光，即闲频光，三波之间应满足动量守恒和能量守恒。图1是参量过程中三波相互作用的示意图。其中 和分别代表泵浦光、信号光和闲频光在非线性晶体中的波矢，而α和β分别代表信号光和闲频光与泵浦光之间的非共线角度，θ表示泵浦光的波矢和光轴之间的夹角，即相位匹配角。

为了实现有效的三波混频，信号光和泵浦光须同时到达非线性晶体，而且信号光脉冲和泵浦光脉冲要完全做到时间上的重合。飞秒光学参量放大技术提高脉冲对比度正是利用了这一原理，由于信号光和泵浦光都是在飞秒尺度内，只有两者在飞秒时间尺度上很好重合时信号光才能被有效放大，这样就极大地抑制了在百皮秒乃至几十皮秒量级时间范围内的参量荧光，使得该时间尺度内的脉冲对比度得到有效提高。

理论上，光学参量放大在小信号近似下有这样的一个关系I_i∝I_s·I_p，即闲频光光强与信号光和泵浦光光强的乘积成正比，而对于泵浦光为基频光的二次谐波的情况I_p∝I_s ²，泵浦光光强与信号光光强的平方成正比，所以I_i∝I_s ³，闲频光光强与信号光光强的三次方成正比。

发明人经研究发现，采用闲频光级联的方式，将前一级放大产生的闲频光作为下一级放大的信号光，可以得到多级(例如三级)光参量放大的高对比度闲频光输出。另外，鉴于共线光参量放大过程中存在的信号光和闲频光之间的群速度匹配问题而导致增益带宽的减小，可以采用非共线的方式实现信号光和闲频光之间的群速度匹配。对参量过程中的相位失配量作泰勒展开，令其一阶导数为零可得信号光与闲频光群速度匹配时的关系式：

v_s＝v_icos(α+β)，其中 $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α},---\left(1\right)$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

此表达式的含义是，当闲频光的群速度在信号光方向的投影等于信号光的群速度时，参量过程有最大的增益带宽。

例如，如果选择405nm为泵浦光，658nm为信号光，1053nm为闲频光，则由此计算得到的最佳非共线角为3.7°。具体计算过程为：对于确定的参量晶体，信号光、闲频光波长确定之后，折射率、群速度可计算得到，把所有已知量代入方程(1)即可计算得到最佳非共线角。

图2是泵浦光为405nm、信号光为658nm时，参量带宽与非共线角的关系曲线，通过计算相位失配量使其最小得到最大参量带宽所对应的非共线角，从图中可以看出非共线角为3.7°时参量带宽具有最大值。

根据本发明的一个实施例，提供一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置。如图4所示，该装置包括：

激光源101，如钛宝石激光放大器；

超连续单元102，从激光源发出的激光中提取所需波长的信号光；可以从通过强激光与空气、液体或白宝石片等物质相互作用产生的超连续白光中选出所需的波长的信号光；例如，从超连续白光中选出的658nm成分，更具体过程将在下面详细描述；

倍频单元103，倍频从激光源发出的激光以得到泵浦光；

第一级参量放大单元104，将泵浦光和信号光同时以一定的非共线角度入射到第一级参量放大单元104的参量晶体中，产生放大的信号光及闲频光(对比度提高的闲频光)；

第二级参量放大单元105，将第一级参量放大单元104产生的闲频光(作为第二级参量放大的信号光)以及泵浦光同时以一定的非共线角度入射到第二级参量放大单元105的参量晶体中，产生放大的信号光及闲频光(对比度提高的闲频光)；和

第三级参量放大单元106，将第二级参量放大单元105产生的闲频光(作为第三级参量放大的信号光)以及泵浦光同时以一定的非共线角度入射到第三级参量放大单元106的参量晶体中，产生放大的信号光及闲频光。

在一个优选实施例中，在上述第一、第二和第三级参量放大单元中，为了让泵浦光、信号光在参量晶体中发生参量过程产生对比度更高的闲频光，需要满足几个条件：

1、泵浦光和信号光在参量晶体中空间上重合；

2、泵浦光和信号光脉冲在时间上同步；

3、泵浦光入射到参量晶体上的相位匹配角正确；图3为405nm泵浦下，相位匹配角与信号光波长的关系曲线，从图中可以看出信号光为658nm或1053nm时的相位匹配角为28.2°；在其它量一定的情况下改变晶体姿态(通过调节镜架)使得OPA效率最高，此时对应最佳相位匹配处；

4、信号光与泵浦光之间的非共线夹角需要满足上述公式(1)。例如，如果选择405nm为泵浦光，658nm为信号光，1053nm为闲频光，则最佳非共线角为3.7°。

为了达到最好的效果，可以以满足全部四个条件的方式进行操作。

在小信号近似下，闲频光光强与信号光光强的三次方成正比，每增加一级OPA得到闲频光对比度相对于信号光提高了两个量级，所以，三级OPA则总共可提高六个量级。所以，最后得到第三级OPA的闲频光输出，其对比度相比来自激光器101的基频光在理论上有六个数量级的提高。

图4中的实施例的一个例子如图5所示，该例子中要得到高对比度1053nm的闲频光，所以信号光是从超连续白光中选出的658nm成分。

该装置主体采用三级非共线飞秒光参量放大的形式。取泵浦光为405nm、信号光658nm，闲频光为1053nm。泵浦光和信号光的获得都是取自同一个飞秒激光源，如钛宝石激光放大器，其直接倍频就可以得到405nm激光脉冲作为倍频光。

该装置各个组件与图4中所示的结构的对应关系由虚线表示，参考图5，其中的光路如下：

入射的810nm基频光首先经过BBO晶体1(尺寸10×10×1mm，相位匹配角θ＝28.9°、)，BBO晶体1产生405nm的二次谐波。

然后，405nm的二次谐波经过405nm高反、810nm高透的双色镜2，双色镜2将基频光和二次谐波分开。

被反射的二次谐波依次经过两块1∶4的分束镜13和23后分成三束：

第一束二次谐波经过810nm全反镜14、15、16、17(其中全反镜15、16固定在一个光学平移台上)之后再经过一个6∶1的望远镜系统18、19，把光斑缩束(目的在于保证泵浦光和信号光的光斑大小匹配)为1mm，作为第一级OPA的泵浦光。

第二束二次谐波经过24、25组成的6∶1望远镜系统把光斑缩束为1mm作为第二级OPA的泵浦光，然后通过全反镜26、27、28、29(其中全反镜27、28固定在一个光学平移台上)注入到第二块参量晶体22中。

第三束二次谐波经过34、35组成的6∶1望远镜系统把光斑缩束为1mm作为第三级OPA的泵浦光，然后通过全反镜36、37、38、39(其中全反镜37、38固定在一个光学平移台上)注入到第三块参量晶体32中。

透过双色镜的残余的基频光经过一块半波片3和格兰棱镜4，通过旋转半波片3，可以控制从格兰棱镜4出射的强度。然后经过全反镜5反射之后，用一个f＝150mm的透镜6把基频光聚焦到一块白宝石片7上，产生超连续白光，然后使用一个f＝50mm的透镜8使其准直。通过控制注入到白宝石上的激光强度，让白宝石内所成单丝，这样可产生稳定的超连续白光。然后再用三块镀有658nm高反膜的反射镜9、10、11，从超连续白光中选出658nm成分，并注入到BBO晶体12(尺寸6×6×3mm，相位匹配角θ＝28.2°、)中作为第一级光学参量放大的信号光。本领域技术人员可知，飞秒OPA的信号光一般可采用超连续白光和OPG(光参量产生)的方法得到，采用超连续白光的方法比较简易、较好实现。

658nm信号光和405nm泵浦光通过非共线的方式在第一级OPA的BBO晶体12中耦合，通过优化反射镜10、11的位置，使得信号光和泵浦光之间的非共线角为3.7°左右，此时参量过程具有最宽的参量带宽。为了让信号光、泵浦光在BBO晶体中有效发生参量过程产生闲频光，优选的，需要调节相关参数满足以下条件：

1、泵浦光和信号光在参量晶体BBO中空间上需要重合，而且要让它们的光斑大小尽量匹配。主要通过控制泵浦光缩束系统的缩束比使泵光与信号光光斑大小得以匹配。

2、泵浦光和信号光脉冲在时间上需要同步。通过在泵光光路中加入光程可控平移台(全反镜15、16固定在一个光学平移台上)，改变平移台的位置，使得泵浦光和信号光的光程相等来实现两者在时间上的光学同步。

3、保证相位匹配角在28.2°附近。通过转动参量晶体BBO晶体12的角度来实现相位匹配。

4、保证信号光与泵浦光之间的非共线夹在3.7°附近。通过调节反射镜10、11来控制初始信号光注入的角度。

泵浦光和信号光在BBO晶体12中发生参量过程，产生闲频光。由于本发明装置第一级OPA的泵光是405nm、信号光658nm，所以闲频光为1053nm。

接下来，将这个1053nm的闲频光通过1053nm全反镜20、21注入到另外一块同样参数的BBO晶体22中作为第二级OPA的信号光，同样如果满足以上条件，第二级OPA就能再产生一束闲频光，波长为658nm。

最后，再将第二级OPA产生的闲频光通过658nm全反镜30、31注入到第三块同样参数的BBO晶体32中作为第三级OPA的信号光，同样当满足以上条件，最后就能得到高对比度的第三级OPA的1053nm闲频光输出。

这个最终的1053nm闲频光的对比度相比810nm的基频光在理论上有六个数量级的提高。

需要注意的是，上述实施例中采用的三级放大不是必须的。初始信号光是从超连续白光中选出的658nm成分光，采用三级放大的目的在于得到对比度不断提高的1053nm波段输出。本发明的一些实施例中，采用一级放大，即直接将第一次产生的闲频光作为输出结果也可以得到所需的高对比度飞秒激光，根据之前的分析，其对比度相对于信号光提高了两个量级。本发明一些实施例中，采用两级放大，即利用闲频光作为信号光放大一次(第二级参量放大)，也可以达到本发明的目的——产生高对比度飞秒激光。本发明一些实施例中，采用更多级(＞3)的放大。但是，由于泵浦光能量有限，更多级的放大会导致每一级的泵浦光能量过小，且更多级的放大会使得最后得到的脉冲不稳定。

光学参量放大技术相比其它的技术(例如使用饱和吸收体、等离子体镜、双啁啾脉冲放大、交叉偏振滤波技术、光学参量放大技术等等)具有宽的增益带宽、高的单程增益、无自发辐射放大等优点，在CPA放大中对于提高超短激光脉冲的对比度有明显优势。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (12)

1.一种高对比度飞秒激光脉冲产生装置，包括：

第一光学参量晶体；所述第一光学参量晶体适于接收第一信号光和第一泵浦光，进行光学参量放大，输出第一闲频光；

第二光学参量晶体；所述第二光学参量晶体适于接收第二信号光和第二泵浦光，进行光学参量放大，输出第二闲频光；

所述第二信号光为第一闲频光。

2.根据权利要求1所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

第三光学参量晶体；所述第三光学参量晶体适于接收第三信号光和第三泵浦光，进行光学参量放大，输出第三闲频光；

所述第三信号光为第二闲频光。

3.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

激光源，适于发出激光；

超连续单元，适于从激光源发出的激光中提取所需波长的第一信号光；和

倍频单元，适于将激光源发出的激光倍频，以生成所述第一、第二和第三泵浦光。

4.根据权利要求3所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述超连续单元从通过所述激光与空气、液体或白宝石片相互作用产生的超连续白光中选出所需的波长的信号光。

5.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述第一信号光和第一泵浦光在第一参量晶体中空间上重合，和/或第二信号光和第二泵浦光在第二参量晶体中空间上重合，和/或所述第三信号光和第三泵浦光在第三参量晶体中空间上重合。

6.根据权利要求2或5所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述第一信号光和第一泵浦光的相位匹配角使得光学参量放大效率最高，和/或所述第二信号光和第二泵浦光的相位匹配角使得光学参量放大效率最高，和/或所述第三信号光和第三泵浦光的相位匹配角使得光学参量放大效率最高。

7.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述第一信号光和第一泵浦光非共线，和/或所述第二信号光和第二泵浦光非共线，和/或所述第三信号光和第三泵浦光非共线；

其中，最佳的非共线角通过下述方式计算：

v_s＝v_i cos(α+β)， $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α}$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

8.根据权利要求6所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述第一信号光和第一泵浦光非共线，和/或所述第二信号光和第二泵浦光非共线，和/或所述第三信号光和第三泵浦光非共线；

其中，最佳的非共线角通过下述方式计算：

v_s＝v_i cos(α+β)， $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α}$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

9.根据权利要求2或7所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述第一信号光和第一泵浦光在时间上同步，所述第二信号光和第二泵浦光在时间上同步，所述第三信号光和第三泵浦光在时间上同步。

10.根据权利要求8所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述第一信号光和第一泵浦光在时间上同步，所述第二信号光和第二泵浦光在时间上同步，所述第三信号光和第三泵浦光在时间上同步。

11.根据权利要求9所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

第一光学平移台，所述第一光学平移台适于控制所述第一信号光和第一泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

第二光学平移台，所述第二光学平移台适于控制所述第二信号光和第二泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

第三光学平移台，所述第三光学平移台适于控制所述第三信号光和第三泵浦光的光程差，使两者在时间上同步。

12.根据权利要求10所述的高对比度飞秒激光脉冲产生装置，还包括：

第一光学平移台，所述第一光学平移台适于控制所述第一信号光和第一泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

第二光学平移台，所述第二光学平移台适于控制所述第二信号光和第二泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

第三光学平移台，所述第三光学平移台适于控制所述第三信号光和第三泵浦光的光程差，使两者在时间上同步。