CN104051945B - 光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光技术领域，具体为一种采用空间啁啾修饰的注入光束实现光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除的方法，该方法主要由空间啁啾修饰的注入光束产生、光参量放大、时空啁啾卸载和空间滤波四个步骤组成：通过引入空间啁啾对注入信号光束进行修饰，使得信号和光参量放大过程产生的各种噪声在输出端具有不同的时空分布特性；噪声光场的时空分布发生耦合，因而可由空间滤波器件等效时域滤波窗口，实现噪声的有效滤除。本方法对于光参量啁啾脉冲放大过程中的常见噪声，包括参量超荧光、泵浦噪声转移以及光学元件端面反射引起的预脉冲等，均具有良好的滤除效果；且空间滤波属于线性滤波，该滤波过程不损失主脉冲能量，可用于超高信噪比高功率超短激光脉冲系统。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除方法及装置。
背景技术
传统光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）系统中注入种子信号仅含时间啁啾，在放大过程叠加到信号上的多种噪声，主要包括参量超荧光(以下简称为PSF)、泵浦噪声转移(以下简称PDN)以及光学元件端面反射引起的预脉冲(以下简称SRP)三类，由于不具有压缩性，经过脉冲压缩器后形成纳秒、皮秒级衬底或前后沿小脉冲，导致输出脉冲信噪比被限制在108-109的水平。信噪比提升是超短超强激光领域发展的核心难题之一。影响信噪比的机制来自三个环节，包括注入种子光、放大过程以及展宽压缩过程。现有的信噪比提升技术（包括可饱和吸收体、交叉极化波产生等）都仅针对注入种子进行净化，针对放大过程引入的信噪比问题的技术则几乎完全空白。
要对放大过程中引入的噪声进行滤除或控制，其难点在于信号脉冲和各种噪声在放大单元其时间、空间与光谱域分布几乎完全交叠，无法进行滤波；在脉冲压缩器输出端，尽管信号（主脉冲）和噪声在时间分布上可分辨，但目前尚没有直接的、线性的时域滤波技术。被广泛用于种子脉冲净化的非线性时域滤波技术（如交叉极化波产生）也由于其能量转换效率低（～10%）而无法用于放大级。
发明内容
本发明的目的在于针对高功率超短脉冲信噪比差、非线性时域滤波能量转换效率低和光参量啁啾脉冲放大过程产生的各种噪声难以滤除等难题，提供一种高效率、线性的光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除方法，可支持超高信噪比高功率超短脉冲输出。
本发明原理如下：
基于空间啁啾修饰的注入光束实现光参量啁啾脉冲放大器噪声的线性滤除；与一般光参量啁啾脉冲放大器中采用时域啁啾脉冲注入不同，本发明创新性地在注入啁啾脉冲中引入适量空间啁啾对其进行修饰，即光参量放大的信号光场同时具有时间和空间啁啾，而光参量放大过程产生的各种噪声由于未经过光栅衍射不会具有时间和空间啁啾；在光参量放大单元之后通过一个平行放置的光栅对引入适量时域色散和空域色散以卸载信号中的时间和空间啁啾，而原本不含有时间和空间啁啾的噪声光场经过该光栅对后被加载了时间和空间啁啾特征，导致输出光场中噪声光强的时空分布发生耦合，在时间轴上远离信号脉冲的噪声在空间分布上也远离信号光束中心；可通过在光束近场增加狭缝或光阑等空间滤波器件进行滤除。光参量放大过程产生的噪声主要包括参量超荧光(PSF)、泵浦噪声转移(PDN)以及光学元件端面反射引起的预脉冲(SRP)三类。
本发明的技术解决方案如下：
光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除方法主要由空间啁啾修饰的注入光束产生、光参量放大、时空啁啾卸载和空间滤波四个步骤组成，其中：
①空间啁啾修饰的注入光束产生，由一个光栅对和一个成像透镜组实现，兼具啁啾脉冲展宽和引入空间啁啾修饰的功能；与一般光参量啁啾脉冲放大系统中啁啾脉冲展宽器的区别在于注入光束两次经过光栅后不需要通过反射镜将光束折回光栅对以消除空间啁啾，而是将光束引出，将空间啁啾保留在展宽后的啁啾脉冲中从而达到修饰注入光束的目的；
②光参量放大，由光参量放大非线性光学晶体实现，可以是单块非线性光学晶体也可以是多块非线性晶体串联，步骤①产生的空间啁啾修饰的光束注入到该非线性光学晶体作为参量放大信号光；
③时空啁啾卸载，由一个平行放置的光栅对实现，是步骤①的逆单元，引入的时间与空间色散量与步骤①引入的色散量大小相等符号相反，放大后的信号脉冲经过该光栅对后时间啁啾和空间啁啾被同时卸载，信号脉冲被压缩，从而获得高功率超短脉冲输出；
④空间滤波，由一维狭缝或光阑实现；置于步骤③的输出端，狭缝或光阑中心与压缩后信号光束中心一致；缝宽或阑孔大小为：在步骤③提供空间色散的维度上透过宽度等于压缩后信号光束的宽度；在另一横向维度上透过宽度等于或大于压缩后信号光束在该维度的宽度。
实施上述方法的装置，其特点在于该装置由种子脉冲激光源、空间啁啾修饰光束产生器、光参量放大晶体、时空啁啾卸载器和空间滤波器件组成；所述的空间啁啾修饰光束产生器沿光束方向包括依次的第一反射镜、第一光栅、第一成像透镜和第一成像透镜、第二光栅与和第二反射镜；所述的时空啁啾卸载器由依次的第三反射镜、第三光栅、第四光栅组成；所述的第一块光栅（4）和第二光栅（8）以镜面对称的角度放置，第三光栅（14）和第四光栅（16）平行相对放置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过采用空间啁啾修饰的注入光束，使得光参量放大系统最终输出的信号光场和噪声光场具有不同的时空分布特性；对噪声的滤除不再需要使用能量转换效率偏低的非线性时域滤波方式实现，而可以使用对信号脉冲无损耗的线性的空间滤波方式实现，所需要的滤波执行器件为光阑或狭缝，易于获得且成本低。
附图说明
图1为本发明光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除方法对应的光路组成。
图1中标号：1为种子脉冲激光源，2为超短种子脉冲，3为第一反射镜，4为用于产生空间啁啾修饰光束的第一光栅，5为第一成像透镜，6为第二成像透镜，7为带角色散、时间啁啾（正啁啾）和空间啁啾的激光光束；8为用于产生空间啁啾修饰光束的第二光栅；9为不带角色散的时空啁啾光束（即本发明提出的空间啁啾修饰的注入光束）；10为第二反射镜；11为用于光参量放大的非线性光学晶体；12为放大后的信号激光（含放大过程引入的噪声）；13为第三反射镜；14为用于时空啁啾卸载的第三块光栅；15为带角色散的激光光束；16为用于时空啁啾卸载的第四光栅；17为不带角色散的压缩后的信号激光脉冲（含放大过程引入的噪声）；18为空间滤波器件；19为噪声滤除后的高信噪比超短脉冲。
图2为光参量放大单元输出光场的光谱空间分布（放大过程存在PSF噪声）。
图3为时空啁啾卸载单元输出光场的光谱空间分布。
图4为传统的不采用空间啁啾修饰注入光束的OPCPA与本发明提供的基于空间啁啾修饰注入光束的OPCPA输出光场的时空分布对比：(a)(c)(e)传统方法中存在PSF/PDN/SRP噪声的OPCPA对应的输出；(b)(d)(f)本发明方法中存在PSF/PDN/SRP噪声的OPCPA对应的输出。
图5为传统的不采用空间啁啾修饰注入光束的OPCPA与本发明提供的基于空间啁啾修饰注入光束的OPCPA增加空间滤波狭缝后输出脉冲信噪比对比：(a)(c)(e)传统方法中PSF/PDN/SRP噪声对应的输出信噪比；(b)(d)(f)本发明方法中PSF/PDN/SRP噪声对应的输出信噪比。
表1所示为图2-图5对应的数值仿真参数设计。
具体实施方式
下面通过一组数值仿真结果并结合附图进一步描述本发明。
图1为实施本发明基于空间啁啾修饰注入光束实现光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除的方法的装置光路图。该光路组成主要包括空间啁啾修饰的注入光束产生、光参量放大、时空啁啾卸载和空间滤波四个部分。
种子脉冲激光源1出射的超短种子脉冲2经过第一反射镜3入射到用于空间啁啾修饰光束产生的第一光栅4上，脉冲的不同频率分量以不同的角度衍射；经过第一成像透镜5和第二成像透镜6后的激光光束7用于空间啁啾修饰光束产生的第二光栅8上，由于不同的频率分量经过不同的时间延迟，到达第二光栅8时，长波长分量（红移分量）比短波长分量（蓝移）提前到达，形成正啁啾脉冲，同时光束中的角色散被完全补偿，因此出射光束9是一个同时带有时间和空间啁啾但不带角色散的光束，也就是本发明所提出的空间啁啾修饰的注入光束；该光束经过第二反射镜10入射到光参量放大晶体11中进行放大，在此过程中多种噪声（PSF、PDN和SRP）也得到放大并叠加到信号光束上，因此光参量放大输出的激光场12既包含有空间啁啾修饰的啁啾信号脉冲也包含多种噪声；该光场经由第三反射镜13入射到用于时空啁啾卸载的第三光栅14上，不同频率分量以不同的角度衍射出射形成激光束15，这一不同的衍射角度使得长波长分量和短波长分量都向光束中心靠拢，当它们到达用于时空啁啾卸载的第四光栅16时，信号光的所有频率分量在空间上完全重合，即用于修饰信号的空间啁啾被卸载，并且从第三光栅14到第四光栅16的过程中，不同频率分量也经历了不同的时间延迟，位于正啁啾信号脉冲后沿的短波长分量经历的延迟要比位于前沿的长波长分量短，后沿将赶上前沿，脉冲被压缩，另外经过第四光栅16后光束中的角色散也被补偿，出射光束17中的信号脉冲将是不含时间啁啾、空间啁啾和角色散的超短脉冲；激光场12中的噪声分量中入射到第三光栅14上时不同频率分量也以不同的角度衍射出射，在到达第四光栅16时，噪声场在空间域被色散开，并且噪声场的不同频率分量经历了不同的延迟，即在时域也被色散开，由于同时具有空间色散和时间色散，其横截面类似于一个拉长的椭圆，因此很大一部分噪声不再与信号光场的横截面交叠（在传统光参量啁啾脉冲放大系统中，输出噪声光场其横截面几乎与信号光场横截面完全交叠）；激光场17经过一个空间滤波器件18（狭缝或光阑），通过狭缝或阑孔在垂直于椭圆长轴方向上的宽度，可以完全滤除未与信号光束交叠的那部分噪声，因此空间滤波后的激光脉冲19的信噪比将显著优于激光场17。
数值仿真中的参数设计参见表1。
表1：数值仿真用参数定义和取值
空间啁啾修饰后的注入光束的光谱空间分布符合：
图2为该空间啁啾修饰的注入光束经光参量放大后输出光场（包含放大后信号和放大过程中产生的PSF噪声）的光谱强度分布。由于空间啁啾的引入，信号光场存在空间色散特征，即不同光谱成分出现在不同的空间位置；而PSF噪声光场分布不具备这一特征。
图3是放大后光场经过时空啁啾卸载单元后的光谱强度分布。此时，信号光场中的时间和空间啁啾被完全卸载，即不再存在空间色散，信号光束宽度因此减小(1+u2)1/2倍；相反，PSF噪声（相比图2）则被加载了空间色散，对应光束宽度增长(1+u2)1/2倍。于是，噪声光场与信号的交叠区域减小了(1+u2)倍，不再与信号交叠的那部分噪声因此可通过简单的空间滤波器件滤除。
图4所示为传统方法（不采用空间啁啾修饰注入光束）和本发明提供的基于空间啁啾修饰注入光束的OPCPA脉冲压缩单元输出光场的对比。可见，两种技术输出的信号脉冲本身没有区别（超短脉冲），但对应的输出噪声光场的分布特征显著不同。传统方法输出的噪声光场与信号光场只在时间分布上可分辨（图4(a)(c)(e)）,在空间分布上完全交叠；而基于空间啁啾修饰注入光束的OPCPA的输出中信号光场和噪声光场的时间分布和空间分布上都不同，噪声光场的光强分布发生时空耦合（图4(b)(d)(f)），时域噪声被映射到空域上，此时若在近场放置一空间滤波狭缝，如图4(b)中点线所示，该狭缝可等效成一个时间滤波窗口，多数噪声将被滤除，噪声衬底宽度显著减端。本发明提出的空间修饰注入脉冲的方法不仅对于OPCPA中的PSF噪声具有明显的滤除效果，对于另两种噪声PDN和SRP也都具有一样的滤波作用。
以上数值仿真结果表明，通过在注入光束中引入空间啁啾，然后在光参量放大后再卸载这部分空间啁啾这一技术途径，OPCPA输出的噪声光场分布发生时间耦合，时间噪声映射到空间上，此时置于近场空间滤波狭缝可以等效成一个时间滤波窗口，从而实现光参量放大过程产生噪声的有效滤除和输出脉冲信噪比的提升；由于噪声滤除的执行元件为空间滤波狭缝，属线性滤波范畴，可以保证主脉冲几乎无损地通过，不存在非线性滤波技术（如交叉极化波产生等）的能量转换效率低的问题。
图5所示为传统不采用空间啁啾修饰注入光束的OPCPA和本发明提供的基于空间啁啾修饰注入光束的OPCPA输出脉冲信噪比的对比，其中图5(a)、(c)和(e)分别为传统OPCPA输出的PSF、PDN和SRP噪声对应的信噪比情况，图5(b)、(d)和(f)分别为本发明方法对应OPCPA输出中三种噪声对应的信噪比情况。空间滤波单元使用了在x维度（空间啁啾存在的维度）宽度与压缩脉冲光束宽度一致（～2mm）的一维狭缝。该狭缝对主脉冲的透过率大于99%。图5的数值仿真结果表明，采用本发明提供的新型OPCPA技术，输出脉冲的噪声衬底的宽度显著减小，信噪比将得到极大得改善。以t=-5ps位置为例，PSF和PDN噪声对应的信噪比从传统OPCPA（图5(a)、(c)）技术输出的～106提升到1013（图5(b)、(d)）；SRP噪声对应的信噪比从传统OPCPA技术输出的106提升到>1017。
综上所述，本发明提供的基于空间啁啾修饰注入光束的方法可滤除光参量啁啾脉冲放大器中的参量荧光、泵浦噪声转移和端面反射导致的前沿脉冲等三种噪声，支持超高信噪比（>1013）的高功率超短脉冲输出，其滤波单元采用光阑、狭缝等线性的空间滤波器件，对主脉冲的损耗可以忽略不计且易于实施。该技术可以用于高强度密度物理研究等领域所需要的超高信噪比高功率超短脉冲的产生。
Claims (2)
1.一种光参量啁啾脉冲放大器中噪声滤除的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
①产生空间啁啾修饰的注入光束：所述空间啁啾修饰的注入光束的产生由一个光栅对和一个成像透镜组实现，具体的，种子脉冲激光源出射的超短种子脉冲经过第一反射镜入射到用于空间啁啾修饰光束产生的第一光栅上，脉冲的不同频率分量以不同的角度衍射；经过第一成像透镜和第二成像透镜后的激光光束用于空间啁啾修饰光束产生的第二光栅上，由于不同的频率分量经过不同的时间延迟，到达第二光栅时，长波长分量比短波长分量提前到达，形成正啁啾脉冲，同时光束中的角色散被完全补偿，出射光束是一个同时带有时间和空间啁啾但不带角色散的光束，即空间啁啾修饰的注入光束，兼具啁啾脉冲展宽和引入空间啁啾修饰的功能；将空间啁啾保留在展宽后的啁啾脉冲中从而达到修饰注入光束的目的；
②光参量放大：将所述的修饰的注入光束作为参量放大信号光输入光参量放大非线性光学晶体进行放大；
③时空啁啾卸载：所述时空啁啾的卸载由一个平行放置的光栅对实现，放大后的信号脉冲经过该光栅对，时间啁啾和空间啁啾被同时卸载，信号光束的脉冲被压缩，从而获得高功率超短脉冲输出；
④空间滤波：所述空间滤波由一维狭缝或光阑实现，狭缝或光阑置于步骤③的输出端，狭缝或光阑中心与压缩后信号光束中心一致；缝宽或阑孔大小为：在步骤③提供空间啁啾的维度上透过宽度等于压缩后信号光束的宽度；在另一横向维度上透过宽度等于或大于压缩后信号光束在该维度的宽度。
2.实施权利要求1所述的方法的装置，其特征在于该装置由沿光束方向依次排列的种子脉冲激光源(1)、空间啁啾修饰光束产生器、光参量放大晶体(11)、时空啁啾卸载器和空间滤波器件(18)组成；所述的空间啁啾修饰光束产生器沿光束方向依次包括第一反射镜(3)、第一光栅(4)、第一成像透镜(5)、第二成像透镜(6)、第二光栅(8)和第二反射镜(10)；所述的时空啁啾卸载器依次由第三反射镜(13)、第三光栅(14)和第四光栅(16)组成；所述的第一光栅(4)和第二光栅(8)以成像透镜组的共焦面为中心镜面对称，所述的第三光栅(14)和第四光栅(16)平行且相对，光束在第三光栅(14)上的衍射角等于在第四光栅(16)的入射角。
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