CN104391416B - 一种中红外啁啾脉冲放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中红外啁啾脉冲放大装置，该装置包括飞秒激光器，同步窄带皮秒激光器，分束镜，近红外脉冲展宽器，非线性频率转换器，光参量啁啾脉冲放大器以及中红外脉冲压缩器，其中，以棱栅对和光栅对相配合作为脉冲展宽器和脉冲压缩器，在避免使用中红外脉冲展宽器的同时，消除了均以光栅对作为脉冲展宽和脉冲压缩器时，压缩脉冲中残留的三阶色散，特别适用于产生百飞秒以下的中红外超短超强脉冲激光。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及的是一种中红外啁啾脉冲放大装置。
背景技术
超短超强激光在近十几年里的快速发展，为人们探索微观超快现象及研究强场物理提供了前所未有的实验手段和发展机遇。中红外波段介于近红外波段与太赫兹（THz）波段之间，是非常重要的电磁辐射波段。典型的中红外波长为3-5 μm。超短超强的中红外飞秒激光在生物组织烧蚀、大气探测、高次谐波产生等前沿科学研究方面有着独特的重要应用；在光电对抗、先进防御等国家安全领域更是具有重大的应用潜力。
啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification，简称CPA）技术是目前产生高能量的超短超强飞秒（10-15秒，fs）脉冲激光最主要的技术方案。首先，由飞秒激光振荡器提供低能量的超短脉冲种子源。通过Martinez型的光栅展宽器将超短脉冲展宽为100 ps～3 ns的啁啾脉冲。然后，由单级或者多级激光放大器对啁啾脉冲的能量进行放大。最后，再利用Treacy型的光栅压缩器，将放大后的啁啾脉冲重新压缩回飞秒级的超短脉冲，最终实现超短超强脉冲激光的输出。但是，现有的高功率飞秒激光器仍主要集中在近红外波段，比如已经商品化的800 nm钛宝石飞秒激光器。由于中红外能级型增益介质的严重匮乏，这项技术很难直接应用在大于3 μm的中红外波段。另一方面，光参量啁啾脉冲放大（OpticalParametric Chirped Pulse Amplification，简称OPCPA）技术的出现正好可以突破增益介质匮乏的限制，与常规的CPA不同，OPCPA以非线性晶体替代传统激光放大器中的增益介质，理论上，这项技术能够用于大幅度提升任意波长超短激光脉冲的能量。
将OPCPA技术应用于中红外波段，仍面临几个重要的技术难题。其中之一就是如何保证脉冲展宽和压缩过程中色散的精确补偿。传统的超短超强啁啾脉冲放大系统，一般都会以光栅对作为其脉冲展宽器以及压缩器。但是，由于缺乏对中红外光源的有效探测手段，要完成中红外光栅展宽器以及压缩器的精确调整是件非常困难的事情，特别是脉冲展宽器。这是因为相比于放大后的脉冲激光，中红外种子源的能量要低得多，更增添了光路调整的难度。因此，受制于现有的技术条件，为了避开中红外展宽器，人们主要还是以展宽后的近红外啁啾脉冲作为信号光，利用OPCPA，对信号光进行放大。在这个过程中，除了放大的近红外信号光，还能得到中红外波段的闲频光，更为重要的是，这时候的闲频光“天然地”带有跟信号光相反的时间啁啾，而且，与信号光一起得到了放大。最后，再用传统的光栅压缩器对其进行压缩，得到超短超强的中红外激光。
然而，上述技术方案存在着不可忽视的问题。在这个方案中，光栅展宽器与压缩器需要工作在不用的激光波长。可是，针对不同波长的光栅展宽/压缩器，它们所能提供的二阶色散量与三阶色散量的比值是不一样的，波长间的差异越大，这个比值的差别也就越大，因此，如果让光栅展宽器和压缩器分别工作在近红外和中红外波段，由于近红外与中红外波长的高度非简并，通过调整光栅压缩器的光栅间距，将展宽器提供的二阶色散完全补偿后，还将留下难以消除的三阶色散，残留的三阶色散会影响激光脉冲压缩后所能达到的宽度，无法得到近傅里叶变换极限的脉冲激光，严重的还会使压缩后的脉冲激光发生畸变。因此，这种由近红外光栅展宽器与中红外光栅压缩器组成的展宽压缩系统还只是应用于较小峰值功率的高功率激光系统中。需要说明的是，为了获得更高的峰值功率，不可避免的需要以高能量的长脉冲激光作泵浦源，随着脉冲展宽压缩倍数的增加，残留的三阶色散也就越多，对压缩脉冲的影响也更为严重。
当然，通过简单的调整光栅展宽器以及光栅压缩器的光栅入射角，可以在一定范围内改变它们二阶、三阶色散间的比值，以减小残留的三阶色散量，但是，这个可调节的量是很小的，更为重要的是，为了得到较高的展宽以及压缩效率，光栅通常都需要工作在近利特罗（littrow）角的入射角度，偏离这个角度，会严重影响光栅的衍射效率。
因此，现有技术有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对，基于光栅对的脉冲展宽器与压缩器工作在不同波长的时候，展宽压缩系统会使压缩后的激光脉冲残留大量的三阶色散的缺陷，以棱栅对作为脉冲展宽器或者脉冲压缩器，通过选择合适的棱镜材料并对其棱角作适当的设计加工，消除压缩脉冲中残留的三阶色散，以此来提供一种适用于百飞秒以下中红外超短超强脉冲激光的中红外啁啾脉冲放大装置。
本发明的技术方案如下：
一种中红外啁啾脉冲放大装置，其中，所述装置包括：飞秒激光器、近红外脉冲展宽器、非线性频率转换器、同步窄带皮秒激光器、分束镜、光参量啁啾脉冲放大器、中红外脉冲压缩器；
所述近红外脉冲展宽器对飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲进行脉冲展宽后，输出到非线性频率转换器；
所述同步窄带皮秒激光器产生的皮秒激光脉冲经过分束镜后，分成两束独立的激光脉冲信号：分别为，第一束激光脉冲信号与第二束激光脉冲信号；
所述第一束激光脉冲信号与展宽后的飞秒激光脉冲相耦合后，输入到非线性频率转换器，第二束激光脉冲信号与非线性频率转换器输出的中红外激光脉冲同步进入光参量啁啾脉冲放大器进行能量放大，经过能量放大后的中红外激光脉冲经过中红外脉冲压缩器压缩后，形成中红外超短激光脉冲；
所述近红外脉冲展宽器为棱栅展宽器，所述中红外脉冲压缩器为光栅压缩器，或者所述近红外脉冲展宽器为光栅展宽器，所述中红外脉冲压缩器为棱栅压缩器。
所述中红外啁啾脉冲放大装置，其中，所述棱栅展宽器或者棱栅压缩器包括：相对设置的棱栅对和用于对所述棱栅对之间传输的激光脉冲信号的传输路线进行调节的屋脊镜和反射镜；
所述棱栅对包括棱镜对和光栅对。
所述中红外啁啾脉冲放大装置， 其中，所述装置还包括放置于所述近红外脉冲展宽器与所述非线性频率转换器之间的双色镜；
所述双色镜，用于将近红外脉冲展宽器输出的激光脉冲信号与所述第一束激光脉冲信号进行耦合。
所述中红外啁啾脉冲放大装置，其中，所述装置还包括第一延时器和第二延时器；
所述第一延时器设置于所述分束镜与所述双色镜之间，用于对所述第一束激光脉冲信号进行延时；
所述第二延时器设置于所述分束镜与所述光参量啁啾脉冲放大器之间，用于对所述第二束激光脉冲信号进行延时。
所述中红外啁啾脉冲放大装置，其中，所述同步窄带皮秒激光器与所述飞秒激光器输出的脉冲激光在时间上同步。
所述中红外啁啾脉冲放大装置，其中，所述近红外脉冲展宽器的工作波长与所述飞秒激光器的工作波长相同。
所述中红外啁啾脉冲放大装置，其中，所述飞秒激光器为近红外锁模激光器。
有益效果：本发明所提供的一种中红外啁啾脉冲放大装置，该装置包括飞秒激光器，同步窄带皮秒激光器，分束镜，近红外脉冲展宽器，非线性频率转换器，光参量啁啾脉冲放大器以及中红外脉冲压缩器，其中，以棱栅对和光栅对相配合作为脉冲展宽器和脉冲压缩器，在避免使用中红外脉冲展宽器的同时，消除了均以光栅对作为脉冲展宽和脉冲压缩器时，压缩脉冲中残留的三阶色散，特别适用于产生百飞秒以下的中红外超短超强脉冲激光。
附图说明
图1为本发明提供的一种中红外啁啾脉冲放大装置的结构示意图。
图2为本发明提供的棱栅展宽器或者棱栅压缩器的结构示意图。
图3所示为针对3.2 μm中红外波长，基于硫化锌（ZnS）的棱栅对（刻线密度为300线/mm）所能提供的三阶色散量与二阶色散量的比值随棱栅棱角的变化曲线。
具体实施方式
本发明提供一种中红外啁啾脉冲放大装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种中红外啁啾脉冲放大装置，如图1所示，所述中红外啁啾脉冲放大装置，包括：飞秒激光器1，同步窄带皮秒激光器4，近红外脉冲展宽器3，非线性频率转换器11，光参量啁啾脉冲放大器16以及中红外脉冲压缩器18。
所述近红外脉冲展宽器3对飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲进行脉冲展宽后，输出到非线性频率转换器11；
所述同步窄带皮秒激光器4产生的皮秒激光脉冲经过分束镜6后，分成两束独立的激光脉冲信号：第一束激光脉冲信号与第二束激光脉冲信号；
所述第一束激光脉冲信号与展宽后的飞秒激光脉冲相耦合后，输入到非线性频率转换器11，第二束激光脉冲信号与非线性频率转换器11输出的中红外激光脉冲信号同步进入光参量啁啾脉冲放大器16进行能量放大，经过能量放大后的中红外激光脉冲经过中红外脉冲压缩器18压缩后，形成中红外超短激光脉冲；
所述近红外脉冲展宽器3为棱栅展宽器，所述中红外脉冲压缩器18为光栅压缩器，或者所述近红外脉冲展宽器3为光栅展宽器，所述中红外脉冲压缩器18为棱栅压缩器。
如图2所示，为本发明提供的棱栅展宽器或者棱栅压缩器的结构示意图，如图所述，所述棱栅展宽器或者棱栅压缩器包括：相对设置的棱栅对和用于对所述棱栅对之间传输的激光脉冲信号的传输路线进行调节的屋脊镜24和反射镜25；
所述棱栅对包括棱镜对22和光栅对23，所述棱镜对中棱镜的顶角为28度，所述光栅对中光栅的刻线密度为1200线/mm。
结合图1，在具体实施例中，所述中红外啁啾脉冲放大装置还包括放置于所述近红外脉冲展宽器3与所述非线性频率转换器11之间的双色镜9；
所述双色镜9，用于将近红外脉冲展宽器3输出的激光脉冲信号与所述第一束激光脉冲信号进行耦合。
为了使分束镜6分出的第一束激光脉冲信号与展宽后的近红外脉冲信号保持同步，以及使第二束激光脉冲信号与非线性频率转换器11中得到的中红外脉冲信号保持同步，所述中红外啁啾脉冲放大装置还包括第一延时器8和第二延时器15；
所述第一延时器8放置于所述分束镜6与所述双色镜之9间，用于对所述第一束激光脉冲信号进行延时；使延时后的所述第一束激光脉冲信号与展宽后的飞秒激光脉冲时间同步。
所述第二延时器15放置于所述分束镜与所述光参量啁啾脉冲放大器之间，用于对所述第二束激光脉冲信号进行延时。
所述飞秒激光器1作为非线性频率转换器的泵浦源，其可以是钛宝石飞秒锁模激光器或者其他近红外锁模激光器。在本实施例中，所述飞秒激光器选用的是800 nm钛宝石飞秒激光器。
所述同步窄带皮秒激光器4的工作波长在1 μm-1.6 μm之间，为皮秒级脉冲激光器。而且，同步窄带皮秒激光器与所述飞秒激光器1在时间上精确同步。在本实施例中，同步窄带皮秒激光器4为1064 nm的Nd:YAG皮秒激光器。
所述近红外脉冲展宽器3的工作波长与所述飞秒激光器1相同，其可以是基于光栅对的脉冲展宽器，也可以是基于棱栅对的脉冲展宽器。在本实施例中，近红外脉冲展宽器3是基于光栅对的脉冲展宽器。
所述红外脉冲压缩器18是针对中红外波长的脉冲压缩器，取决于上述近红外脉冲展宽器3，如果以光栅对（或者棱栅对）作为近红外脉冲展宽器，相应的，就需要以棱栅对（或者光栅对）作为中红外脉冲压缩器。在本实施例中，中红外脉冲压缩器18是以3.2 μm为工作波长，基于棱栅对的脉冲压缩器。
所述非线性频率转换器11，其作用是通过光学二阶非线性效应，将近红外的啁啾脉冲信号转换到中红外波段上去。在本实施例中，非线性频率转换器11采用了基于铌酸锂晶体（LiNbO3）的光参量混频技术，将800 nm的近红外啁啾脉冲转化为~3.2 μm的中红外啁啾脉冲。
所述光参量啁啾脉冲放大器16，其作用是为中红外啁啾脉冲提供能量放大。在本实施例中，所述光参量啁啾脉冲放大器16采用了基于铌酸锂晶体（LiNbO3）的光参量放大技术。
为了对发明所述中红外啁啾脉冲放大装置进行更加详细的说明，下面对其工作的过程进行解释：
由飞秒激光器1产生的飞秒激光2进入近红外脉冲展宽器3，将其展宽至与时间同步的窄带皮秒激光器4的输出脉宽相当。皮秒激光5经过分束镜6分为两路独立的脉冲激光，其中只有小部分能量的皮秒激光7经过第一延时器8调整时间延时后，利用双色镜9，与展宽后的近红外皮秒啁啾脉冲10耦合在一起，以共线的方式进入第一非线性晶体11，进行非线性光参量混频，得到带啁啾的中红外闲频光。再通过滤光片12把残余的泵浦光与信号光从带啁啾的中红外闲频光13中滤除。带有同步窄带皮秒激光器绝大部分能量的皮秒激光14经过第二延时器15调整时间延时后，与皮秒级中红外啁啾脉冲时间同步，为了获得更高的带宽以及增益，这两束作用光会以非共线的方式一同进入第二非线性晶体16，进行光参量啁啾脉冲放大，由于采用了非共线的匹配方式，皮秒级的中红外啁啾脉冲会在传输过程中与其余两路作用光“天然”分离。最后，放大后的皮秒级中红外啁啾脉冲17进入到中红外脉冲压缩器18，将其压缩成飞秒级的超短脉冲19，实现超短超强的中红外脉冲激光输出。
较佳的，“棱栅”是一种由色散棱镜和光栅组合而成的光学元件。与传统的光栅不同，棱栅上的刻线被刻画在色散棱镜的斜边上（一般情况下，也可以将光栅与棱镜组合在一起作为棱栅）。棱栅结合了光栅和棱镜两者的色散特性，依据不同的构型（主要是选择不同的棱镜介质与棱镜顶角），可以提供正的或者负的三阶色散。对本发明来说更为重要的是，其二阶与三阶色散的比值也会随之发生改变。
如图3所示，图中给出了基于硫化锌（ZnS），并以3.2 μm典型中红外波长为工作波长的棱栅对（刻线密度为300线/mm）所能提供的三阶色散量与二阶色散量的比值随棱栅棱角的变化曲线。从图中可以看出，棱栅的三阶色散量与二阶色散量的比值会随棱镜顶角的改变发生有序的变化，以800 nm钛宝石飞秒激光为例，当棱栅对的顶角为28°的时候，其对应值正好与800 nm的光栅对（刻线密度为1200线/mm）相等。因此，分别以800 nm的光栅对和3.2 μm的棱栅对作为中红外OPCPA系统的展宽器以及压缩器，正好可以同时消除展宽压缩系统中的二阶与三阶色散，有利于得到高峰值功率的中红外脉冲激光。
需要说明的是，棱栅对与光栅对共同组成了本发明的展宽压缩系统，棱栅对既能用作脉冲展宽器，也能用作脉冲压缩器，与之对应的，光栅对将分别用作脉冲压缩器，以及脉冲展宽器，上述例子只是本发明的一种特例。为了避免压缩后的脉冲激光最后一次通过棱栅对时可能受到的材料色散的影响，还可以选择以光栅对作为压缩器，以棱栅对作为展宽器。
本发明所提供的一种中红外啁啾脉冲放大装置，该装置包括飞秒激光器，同步窄带皮秒激光器，分束镜，近红外脉冲展宽器，非线性频率转换器，光参量啁啾脉冲放大器以及中红外脉冲压缩器，其中，以棱栅对和光栅对相配合作为脉冲展宽器和脉冲压缩器，在避免使用中红外脉冲展宽器的同时，消除了均以光栅对作为脉冲展宽和脉冲压缩器时，压缩脉冲中残留的三阶色散，特别适用于产生百飞秒以下的中红外超短超强脉冲激光。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种中红外啁啾脉冲放大装置，包括：飞秒激光器、近红外脉冲展宽器、非线性频率转换器、同步窄带皮秒激光器、光参量啁啾脉冲放大器和中红外脉冲压缩器，其特征在于，还包括：分束镜；
所述近红外脉冲展宽器对飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲进行脉冲展宽后，输出到非线性频率转换器；
所述同步窄带皮秒激光器产生的皮秒激光脉冲经过分束镜后，分成两束独立的激光脉冲信号，分别为：第一束激光脉冲信号与第二束激光脉冲信号；其中，
所述第一束激光脉冲信号与展宽后的飞秒激光脉冲相耦合后，输入到非线性频率转换器，第二束激光脉冲信号与非线性频率转换器输出的中红外激光脉冲信号同步进入光参量啁啾脉冲放大器进行能量放大，经过能量放大后的中红外激光脉冲经过中红外脉冲压缩器压缩后，形成中红外超短激光脉冲；
所述近红外脉冲展宽器为棱栅展宽器，所述中红外脉冲压缩器为光栅压缩器，或者所述近红外脉冲展宽器为光栅展宽器，所述中红外脉冲压缩器为棱栅压缩器。
2.根据如权利要求1所述中红外啁啾脉冲放大装置，其特征在于，所述棱栅展宽器或者棱栅压缩器包括：相对设置的棱栅对和用于对所述棱栅对之间传输激光脉冲信号的传输路线进行调节的屋脊镜和反射镜；
所述棱栅对包括棱镜对和光栅对。
3.根据如权利要求1所述中红外啁啾脉冲放大装置，其特征在于，还包括放置于所述近红外脉冲展宽器与所述非线性频率转换器之间的双色镜；
所述双色镜，用于将近红外脉冲展宽器输出的激光脉冲信号与所述第一束激光脉冲信号进行耦合。
4.根据如权利要求3所述中红外啁啾脉冲放大装置，其特征在于，还包括第一延时器和第二延时器；
所述第一延时器设置于所述分束镜与所述双色镜之间，用于对所述第一束激光脉冲信号进行延时；
所述第二延时器设置于所述分束镜与所述光参量啁啾脉冲放大器之间，用于对所述第二束激光脉冲信号进行延时。
5.根据如权利要求4所述中红外啁啾脉冲放大装置，其特征在于，所述同步窄带皮秒激光器与所述飞秒激光器输出的脉冲激光在时间上同步。
6.根据如权利要求1所述中红外啁啾脉冲放大装置，其特征在于，所述近红外脉冲展宽器的工作波长与所述飞秒激光器的工作波长相同。
7.根据如权利要求1所述中红外啁啾脉冲放大装置，其特征在于，所述飞秒激光器为近红外锁模激光器。
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