CN104011589A - 用于具有频率漂移的脉冲的光学参量放大的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有频率漂移的脉冲的光学参量放大的方法和装置，其使用两个泵浦信号并且其光谱增益带被延伸。根据尤其用于激光-物质交互的本发明，在每个脉冲(S)以及两个泵浦信号(P1,P2)之间，四波混合效应被优选应用在光纤(F)中；并且所述信号的相应光频率(fP1,fP2)的半和(fM)于脉冲光谱的载波相关。

Description

用于具有频率漂移的脉冲的光学参量放大的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于光学参量啁啾脉冲(chirped pulse)放大的方法和装置。
本发明尤其涉及光纤光学参量啁啾脉冲放大器(FOPCPA)领域。
由于光纤结构就尺寸和稳定性而言所提供的益处，这种新一代的放大器很可能在一些情形下取代大体积参量放大器。
本发明可以使FOPCPA的(光谱)增益带延伸2倍并且因此放大了非常短的持续时间的脉冲。甚至可以获得比那些掺杂稀土元素的光纤的增益带宽更大的增益带宽，这也许为使用完全基于光纤的装置的超宽频带放大铺平了道路。这符合当前激光系统朝着完全基于光纤的系统的发展。
本发明尤其应用于非常短的脉冲的放大、激光加工方法、激光-物质交互实验以及通信。
背景技术
前些年光纤光学参量放大器(FOPA)在光学通信领域中经历了令人瞩目的成功。实际上，针对于同时放大波长分割多路复用信号的多个信道，其宽的增益带表示出主要利益。
这些特征也被证明对于放大广谱脉冲是极其有益的，其中广谱脉冲被暂时地拉伸以减少其峰值功率。
实际上，直到现在，这些啁啾脉冲本质上通过以下被放大：
要么在掺杂稀土元素的光纤的大体积材料(bulk material)中通过受激发射被放大，或者
要么在基于二阶非线性晶体中的大体积放大器中被放大。
在再压缩之后，这些装置可以获得极强的信号；它们代表了选择的激光源。
针对于多个应用，对于紧凑设计、稳定性以及简单对齐的持续探索意味着光纤激光系统是优选的。然而，其基本操作原理需要光纤内部的泵浦能量存储，其中，这种能量随后以自发形式被产生或者以受激发射的形式被产生。通过这种方式，荧光信号被发射了足够长的时间以针对于要被恶化的信噪比。
在需要极佳对比的应用情形下，可以使用大体积光学参量放大器，但是这些放大器对于对齐以及保持极大体积而言是相对复杂的。
前些年前，因此提议产生上述诸如FOPCPA的装置来使光学参量放大器的益处和光纤放大器的益处相结合。
利用以下进行的实验，这种理论研究被快速地确认：
首先，在具有皮秒(picosecond，ps)信号的通信波长处，为了简单目的以及论证这种装置的可行性，参见下述文献：
[1]C.Caucheteur,D.bigourd,E.Hugonnot,P.Szriftgiser,A.Kudlinski,M.GonzalezHerraez and A.Mussot,“Experimental demonstration of optical parametric chirpedpulse amplification in optical fiber”,Opt.Lett.,35卷，11号，1786-1788页(2010)
–随后具有飞秒(femtosecond，fs)脉冲的大约1微米，参见下述文献:
[2]D.Bigourd,L.Lago,A.Mussot,A.Kudlinski,J.F.Gleyze and E.Hugonnot,"High-gain optical-parametric chirped-pulse amplification of femtosecond pulses at1μm",Opt.Lett.,35卷，20号，3480-3482页(2010).
利用退化设计(degenerated design)来执行所有这些实验论证或理论论证，其中，来自于相同泵浦源(pump source)的光子屈从于信号波以及空闲波。
在这一点处应该注意的是，在本发明中，建议使用具有两个泵浦源的非退化设计，其中，待被放大的波的光谱的载波包含两个泵浦源的(光)频率的(算数)平均值，使得可以加宽放大器的带宽或增益带。
此外，当待被放大的波近似地被注入在两个泵浦的中心处时，即当光谱的载波的中点近似地与频率的平均值一致时，甚至可以使带宽翻倍。
公知的光纤参量放大器的操作原理在图1和图2中被示意性地阐述了。在这些附图中，(光)频率f被给定在x轴线上并且功率谱密度d被给定在y轴线(对数刻度)上。
在退化情形(图1)下，其中，仅存在一个泵浦(泵浦信号p，其具有(光)频率fP)，待被放大的信号S在高频(B2)端或低频(B1)端处被注入到增益带B1-B2中。光纤F的输出以信号波Sa以及空闲波C为特征，其中该信号波Sa在其传播期间在光纤中已经被放大，并且该空闲波C相对于泵浦P与信号Sa对称。
在存在两个泵浦(泵浦信号P1和泵浦信号P2，其具有各自的(光)频率fP1和fP2，其中fP1小于fP2)的非退化设计中(图2)，原理是相似的。
增益带B位于两个泵浦之间；并且到P1和P2是等距的轴线M(对应于等于(fP1+fP2)/2)的(光)频率fM)形成针对B的对称轴。
待被放大的信号S依次被注入在位于fM和多个泵浦中的一个泵浦的频率(即在图2示例中的fP1)之间的光谱半带上。并且，空闲波C被产生在位于图2的示例中的fM和fP2之间的另外的光谱半带上。
由这些设计所带来的主要问题在于：总体上仅可以使用半个潜在的增益带。实际上，另一半被保留以用于信号传播期间所产生的空闲波。
此外，波从两侧(信号波和空闲波)的注入在所谓的“相敏(phase-sensitive)”设计中是可能的(潜在地能够放大而没有噪音)。然而，这需要极其精妙地控制所涉及的多个波中的每个波的相位，而这种控制不可能以稳定方式来实施。
还可以通过注入多个单色波来同时利用整个增益带宽，其中光谱移位(spectral shifts)被调节以使得所产生的空闲波没有被覆盖，参见下述文献：
[3]A.Durecu,C.Simonneau,A.Mussot,T.Sylvestre,E.Lantz,H.Maillotte,"Fiber optical parametric amplifier and method for amplification of optical signalswith a fiber optical parametric amplifier",于2006年2月15日公布的欧洲专利申请EP1626308。
然而，这种设计被限制到准单色波。进一步地，谱隙必须被“自由”地留下并且像这样限制了实际上可以被使用的光谱带。
鉴于与光纤或者泵浦功率相关联的技术限制，因此，在1微米的区域内放大具有延伸超过10纳米的光谱的脉冲是尤其相对困难的。
发明内容
本发明的目标在于弥补上述的缺陷。
具体地，本发明涉及一种用于光学参量啁啾脉冲放大的方法，其使用具有第一光频的第一泵浦信号，其中，四波混合效应被用在每个啁啾脉冲、第一泵浦信号以及具有第二光频的第二泵浦信号之间，并且其中，第一光频和第二光频的半和(half-sum)与所述啁啾脉冲光谱的载波相关。
本发明还涉及一种用于光学参量啁啾脉冲放大的装置，包括：
第一泵浦源，其用于提供具有第一光频的第一泵浦信号，
光脉冲源，
拉伸器，其用于暂时地拉伸所述光脉冲并因此提供所述啁啾脉冲，以及
用于放大所述啁啾脉冲的介质，其中，
所述装置还包括第二泵浦源，以用于提供具有第二光频的第二泵浦信号，其中该介质适于在每个啁啾脉冲和第一泵浦信号以及第二泵浦信号之间产生四波混合效应，并且其中，所述第一光频和第二光频的半和与所述啁啾脉冲光谱的载波相关。
根据本发明的装置的一个优选实施例，所述第一光频和第二光频的半和近似地与所述啁啾脉冲的光谱的载波的中点一致。
优选地，所述第一泵浦信号和第二泵浦信号之间的光谱距离的一半小于或者等于所述啁啾脉冲的光谱的载波的振幅。
在本发明中，适于产生所述四波混合效应的介质优选为光纤。此外，所述光纤优选为光子晶体光纤。
根据本发明的第一特定实施例，第一泵浦信号和第二泵浦信号是连续的。
根据本发明的第二特定实施例，第一泵浦信号和第二泵浦信号中的至少一个是脉冲的。
特别地，所述第一泵浦信号和第二泵浦信号中的每个可以都是脉冲的。
附图说明
参考所附的说明书附图，在阅读此后所给出的实施例的示例的说明时，本发明将被更清晰的来理解，其中实施例仅是指示性的而绝不是穷尽性的，其中：
图1示意性地示出了公知的光学参量放大器的操作原理，该光学参量放大器包括单个泵浦源，并且该图已被描述，
图2示意性地示出了公知的光学参量放大器的操作原理，该光学参量放大器包括两个泵浦源，并且该图已被描述，
图3示意性地示出了根据本发明的装置的特定实施例的操作原理，
图4至图6示意性地示出了本发明示例的数字仿真(图4：输入和输出光谱，图5：增益曲线进展，以及图6：拉伸之前以及拉伸、放大及再压缩之后的输入信号)，以及
图7是根据本发明的装置的特定实施例的示意图。
具体实施方式
根据本发明，图3示意性地示出了用于光学参量啁啾脉冲放大的装置的示例的操作原理，其中两个泵浦源和光纤被再次使用。
在图3中，(光)频率f再次被给定在x轴线上并且功率谱密度d被给定在y轴线(对数刻度)上。
P1再次表示第一泵浦信号，P2表示第二泵浦信号，fP1表示P1的(光)频率，fP2表示P2的(光)频率，B表示增益带，M表示与P1和P2等距的轴线，fM表示对应于M的(光)频率，S表示待被放大的信号，F表示光纤，Sa表示其在光纤中传播期间的被放大信号，C表示空闲波。
在讨论的示例中，输入信号S(具有频率漂移的信号)被定位在两个泵浦的中心处。更具体而言，S的光谱允许M作为对称轴，并且这种光谱的载波被包含在间隔[fP1；fP2]中。
通过这种方式，这种载波的中点与(fP1+fP2)/2一致。信号S因此与通常分别针对信号和空闲波而保留的增益带B的侧边重叠。在这种情形下，在增益带上获得2倍增益。
还可以看到：被放大信号Sa以及空闲波C都占据具有作为中点的fM的频率范围。
通过这种方式，空闲波在放大期间被覆盖在信号上。然而，在再压缩(放大后)期间，该被放大信号被压缩，但是空闲波未被压缩：相反地，由于空闲波的频率漂移与被放大信号的频率漂移是相反的，因此其有点被进一步地被拉伸。
就拉伸期间的相位(并且作为第一逼近)而言，相位φ被添加到信号(并且不存在空闲波)。在放大期间，信号保持这个相位φ并且具有相位-φ的空闲波出现。在压缩期间，信号的相位降低了φ值，并因此相对于拉伸之前的信号零相位移。空闲波的相位也降低了这个φ值，并因此相对于信号相位移为-2φ。
空闲波因此未被压缩并且仅由被再压缩信号的基带(base)组成的噪声来递送。
如果对于被放大和再压缩的脉冲接受了基带，则因此可以使用FOPCPA的整个带宽来放大短啁啾脉冲。
应该注意的是，整个带宽的使用能够放大非常短的脉冲。
为了论证本发明的可行性，在示例中描述的这种类型的放大器的操作借助于使用非线性薛定谔方程的模型来被仿真，其中这种模型在使用单个泵浦的实验期间已被验证用于啁啾脉冲，参见下述文献：
[4]D.Bigourd,L.Lago,A.Kudlinski,E.Hugonnot and A.Mussot,"Dynamicsof fiber optical parametric chirped pulse amplifiers",JOSA B,28卷,11号,2848-2854页(2011)。
数字仿真通过图4至图6被示意性地阐述了。在附图4和附图6中，为了更加清晰，功率被标准化为1。两个泵浦之间的中值脉动(median pulsation)被注释为ωc:ωc＝π(fP1+fP2)。此外，光纤被用于：
非线性系数γ等于9/W/km，
二阶色散系数β2(ωc)等于-2.05x10-29s2/m，
三阶色散系数β3(ωc)等于0.79x10-40s3/m，
四阶色散系数β4(ωc)等于2.5x10-55s4/m，以及
两个泵浦信号的每个泵浦信号的功率等于3W。
图4针对于200fs被拉伸至4.5ns并且被定位在两个泵浦的中心处的信号示出了在光纤输入(点划线)处的光谱的示例。该两个泵浦以8THz被彼此分隔开。波长λ(nm)被给定在x轴线上并且功率Pu被给定在y轴线上(每20dB一分割)。
在光纤(长度大于150米)中传播信号之后，输出光谱S0被获得。可以看出信号确实放大。此外，在光谱过滤这种信号以将其从剩余的泵浦信号分离之后，可以看到能量放大增益等于26dB。
这种增益的纵向进展在图5中被表示。光纤长度L(米)被给定在x轴线上并且增益G(dB)被给定在y轴线上。可以看到这种增益在光纤的第一部分上是近似指数的，而且随后开始饱和。这种行为与具有单个泵浦的系统所观察到的情况相类似。
在图6中，时间T(ps)被给定在x轴线上并且功率P(任意单位)被给定在y轴线上。拉伸之前的输入信号通过曲线I来表示。拉伸、放大以及再压缩之后的这种信号的暂时形状由曲线II来给定。
可以看到输出信号(II)准同于输入信号(I)。这说明在放大过程期间没有寄生相位被添加。
总之，本发明的主要益处在于：可以使包括两个泵浦的FOPCPA的增益带宽翻倍。
应该注意的是，具有两个泵浦的FOPCPA此前从未被公开并且增益带两侧的使用是新颖的：如在传统的具有两个泵浦的FOPA的设计中的那样，本领域技术人员被提示仅使用这种增益带的一半。
实际上在参量放大器的情形下，当寻求放大单色信号时，从信号侧和空闲波侧这二者注入波是公知的，这被称为相敏设计。这种设计潜在地能够放大而没有噪音，但是需要精妙地控制正被讨论中的多个波中的每个波的相位。
在具有频率漂移的脉冲(该脉冲例如被定位在两个泵浦的中心处)的情形下，通过拉伸装置设置相位。因此对于在这种情形下获得显著的增益是完全反直觉的。
图7是根据本发明的装置的特定实施例的示意图。
该装置包括FOPCPA，其包括：
光脉冲源2，例如其为模式锁定振荡器，
拉伸器4，其用于暂时地拉伸脉冲并且因此提供啁啾脉冲，
第一泵浦源6，其提供脉冲的泵浦信号，其中光频率被注释为fP1，
第二泵浦源8，其提供脉冲的泵浦信号，其中光频率不同于fP1并且被注释为fP2，
光纤10，其接收由源6和源8提供的泵浦信号并且放大啁啾脉冲，以在啁啾脉冲和泵浦信号之间产生四波混合效应，
装置后面跟着用于暂时压缩被放大脉冲的压缩机12。
以这种方式压缩的脉冲被发送到在其中使用脉冲的装置(未显示)。
在拉伸器4之前，脉冲的持续时间为大约1ns或者更少。其典型的范围为从几飞秒到几皮秒。
通过使用在图7中由双向箭头14表征的装置，由源6和源8提供的脉冲的泵浦信号与源2提供的脉冲同步。
在图7中表示的装置的一种可选实施例中，仅源6和源8中的一个来提供脉冲的泵浦信号。另一个源提供连续的泵浦信号。
在进一步的可选实施例中，源6和源8中的每个提供连续的泵浦信号。在这种情形下，同步装置14未被使用。
根据本发明，(fP1+fP2)/2与具有频率漂移的脉冲光谱的载波相关。在讨论中的示例中，(fP1+fP2)/2与这个载波的中点相一致，并且|fP2－fP1|/2(即光谱距离|fP2－fP1|的一半)小于或等于这个载波的振幅。
然而，优选地，应该保证的是，脉冲光谱的载波使用全部放大光谱带[fP1；fP2]。(假设fP1小于fP2)。
应该注意的是，给定待被放大的脉冲，对这些脉冲调节FOPCPA设计。换句话说，根据这些脉冲来选择光纤10和泵浦源6及泵浦源8。实际上，泵浦源是可调节的并且针对待被放大的脉冲来调节该泵浦源。
光纤10优选为微结构的光纤，以允许更大的光纤设计范围。
此外，使用光纤是有益的，这是由于非常显著的非线性系数可以使用此来获得，并且如何调节其色散特性是公知的。然而，应该注意的是，光纤10可以被适于在啁啾脉冲和由泵浦源6和泵浦源8提供的泵浦信号之间产生四波混合效应的、任意三阶非线性介质所取代。

Claims (9)

1.一种用于光学参量啁啾脉冲放大的方法，使用具有第一光频(fP1)的第一泵浦信号(P1)，其特征在于，四波混合效应被用在每个啁啾脉冲、第一泵浦信号以及具有第二光频(fP2)的第二泵浦信号(P2)之间，并且其中，第一光频和第二光频(fP1，fP2)的半和与所述啁啾脉冲光谱的载波相关。
2.一种用于光学参量啁啾脉冲放大的装置，包括：
第一泵浦源(6)，其用于提供具有第一光频的第一泵浦信号，
光脉冲源(2)，
拉伸器(4)，其用于暂时地拉伸所述光脉冲并且因此提供所述啁啾脉冲，以及
用于放大所述啁啾脉冲的介质(10)，
特征在于，所述装置还包括第二泵浦源(8)，其用于提供具有第二光频的第二泵浦信号，其中介质(10)适于在每个啁啾脉冲和第一泵浦信号以及第二泵浦信号之间产生四波混合效应，并且其中，第一光频和第二光频(fP1，fP2)的半和与所述啁啾脉冲光谱的载波相关。
3.根据权利要求2所述的装置，其中第一光频和第二光频(fP1，fP2)的半和近似地与所述啁啾脉冲光谱的载波的中点一致。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中第一泵浦信号和第二泵浦信号(P1，P2)之间的光谱距离的一半小于或者等于所述啁啾脉冲的光谱的载波的振幅。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中适于产生四波混合效应的所述介质为光纤(10)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述光纤为光子晶体光纤(10)。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其中第一泵浦信号和第二泵浦信号是连续的。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其中第一泵浦信号和第二泵浦信号中的至少一个是脉冲的。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一泵浦信号和第二泵浦信号中的每个都是脉冲的。
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