CN105790045B - 大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，先将800nm波段1kHz激光器输出的激光分成两束：其中一束激光经过缩束系统、倍频晶体后产生400nm倍频光，此倍频光经过光延时系统后作为泵浦光注入非线性晶体；另一束激光依次经过缩束系统、聚焦系统、全固态光谱展宽系统、色散补偿系统、交叉偏振波产生系统后，作为信号光注入非线性晶体，与上述泵浦光进行光参量放大。采用全固态光谱展宽系统，能够有效展宽入射光光谱，保证了系统能够紧凑、稳定地运行，调节方便，简单高效，可实现集成化、小型化，能够为超强超短激光系统提供稳定的优质种子源。

Description

大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置
技术领域
本发明涉及超短激光脉冲领域，特别是周期量级超高信噪比种子源。通过结合全固态光谱展宽、交叉偏振波产生、二次谐波产生、I类近简并光学参量放大过程，提出了一种大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置。
背景技术
对物质结构在阿秒(10-18s)量级时间分辨率和纳米(10-9m)空间尺度上进行观测和操控的巨大需求，使人们迫切需要阿秒量级相干光源。利用超强超短激光驱动的固体高次谐波，是最有望实现低成本、台式化、波长连续可调的阿秒相干光源的途径之一。而高峰值功率、超高信噪比、周期量级的激光脉冲是固体高次谐波最理想的驱动光源：高峰值功率有望使固体高次谐波产生过程中获得高光子通量和高光子能量的XUV或X射线相干辐射；超高信噪比则可以避免较强的噪声，如：预脉冲、放大的自发辐射(ASE)噪声等，对靶面造成的破坏；周期量级的激光脉冲，将更有利于在固体高次谐波产生过程中形成单个的阿秒脉冲。此外，超高信噪比、周期量级的超强超短激光脉冲还可应用于激光尾波场电子加速研究。因此，实现超高信噪比周期量级高功率激光将具有非常重要的意义。而实现这种高功率激光的关键技术在于能够提供一个可供后续放大的大能量超高信噪比周期量级的种子脉冲。
目前对于实现大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲，人们提出了不同方法：
(1)利用空心光纤对信号光进行光谱展宽，然后再利用交叉偏振波产生技术来提高信噪比和扩展光谱，这种方式不太稳定，容易受气压波动影响，同时装置太大，不利于小型化、集成化；
(2)首先对信号光进行光参量放大提高信噪比和放大能量，然后经过空心光纤展宽光谱，再利用倍频技术再次提高信噪比，由于倍频技术对谱宽有所限制，故无法支持周期量级。同时与方法(1)一样，空心光纤的使用会造成系统的不稳定和复杂性。
结合目前超短激光脉冲产生的方法，如果把空心光纤展宽系统换成全固态光谱展宽系统，再结合交叉偏振波产生技术进一步展宽光谱和提升对比度，最终通过光学参量放大过程，在保证宽光谱、大能量的同时，也能保证超高信噪比。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有实现飞秒种子脉冲超高信噪比和周期量级的方法的局限性，提出一种大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，解决超高信噪比和周期量级的问题，同时兼具大能量属性，能为高功率系统提供一个优良的种子脉冲。同时该种子源的全固态属性保证了系统能够紧凑、稳定地运行，调节方便，简单高效，可实现小型化。
本发明的技术方案如下：
一种大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，其特点在于包括800nm千赫兹激光器、分束片、第一凹面镜、第一凸面镜、第二凹面镜、第一全反镜、熔融石英窗片组、小孔光阑、第三凹面镜、啁啾镜对、第一熔融石英楔片对、第一格兰棱镜、第一凸透镜、第一BaF2晶体、第二BaF2晶体、第二凸透镜、第二格兰棱镜、第二全反镜、第一BBO晶体、第二熔融石英楔片对、P偏振片、400nmλ/4波片、第三全反镜、第四全反镜、第一400nm高反800nm高透镜、第二400nm高反800nm高透镜、第二BBO晶体、800nmλ/2波片、第五全反镜、第二凸面镜和第四凹面镜；
上述元件的位置关系如下：
所述的800nm千赫兹激光器输出的P偏振光经所述的分束片分为两束激光，其中一束激光经过由第一凹面镜和第一凸面镜组成的缩束系统后入射到所述的第二凹面镜，经第二凹面镜聚焦反射后入射到所述的第一全反镜，经第一全反镜反射的反射光依次通过所述的熔融石英窗片组和小孔光阑后，入射到所述的第三凹面镜，经第三凹面镜反射的反射光依次经所述的啁啾镜对、熔融石英楔片对、第一格兰棱镜、第一凸透镜、第一BaF2晶体和第二BaF2晶体后输出S偏振态激光，该S偏振态激光依次经所述的第二凸透镜和第二格兰棱镜后入射到所述的第二全反镜，所述的第二凸透镜与第一凸透镜之间的距离等于两者的焦距之和，经所述的第二全反镜反射后作为信号光注入到所述的第一BBO晶体；
另一束激光经过由所述的第四凹面镜和第二凸面镜组成的缩束系统后，入射到所述的第五全反镜，经该第五全反镜反射的反射光经所述的800nmλ/2波片变成S偏振态激光，该S偏振态激光经所述的第二BBO晶体进行倍频后产生400nm激光，该400nm激光依次经所述的第一400nm高反800nm高透镜、第二400nm高反800nm高透镜和第四全反镜入射到所述的P偏振片，经该P偏振片反射的反射光通过所述的400nmλ/4玻片入射到所述的第三全反镜，经该第三全反镜反射后再次通过所述的400nmλ/4玻片变成P偏振态激光，该P偏振态激光入射到所述的P偏振片，经该P偏振片透射的透射光通过所述的第二熔融石英楔片对进行色散补偿后，作为泵浦光注入到所述的第一BBO晶体，与所述的信号光进行光参量放大过程。
根据入射激光的二阶色散大小来改变激光在啁啾镜对内往返的次数，从而改变系统的二阶色散补偿量。
根据出射的激光光谱宽度来决定熔融石英窗片组内石英片的相对位置、石英片的厚度以及石英片的片数，使穿过熔融石英窗片组的激光光谱最宽。
根据产生的交叉偏振波的能量带宽积来决定第一BaF2晶体和第二BaF2晶体之间的距离、晶体的厚度以及晶体的旋转角度，使穿过双片BaF2晶体的交叉偏振波的能量带宽积最大。
与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.采用全固态光谱展宽系统，不仅能够有效展宽入射光的光谱，而且还避免了光路的繁杂，同时交叉偏振波产生装置的运用将会进一步展宽入射光光谱和提升信噪比，后续的光参量放大过程则能够进一步提升入射光信噪比和放大能量。
2.同时实现了大能量、超高信噪比和周期量级的目标，能为后续周期量级超高信噪比高功率激光系统提供一个优良的种子脉冲。
3.此装置的全固态属性保证了系统能够紧凑、稳定地运行，调节方便，简单高效，可实现集成化、小型化。
附图说明
图1是大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置的结构光路图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
①将800nm千赫兹激光器输出的P偏振光用分束片分束。其中一束激光首先经过由第一凹面镜和第一凸面镜组成的缩束系统，然后经第二凹面镜聚焦、第一全反镜反射，通过熔融石英窗片组，透过的光经过小孔光阑限束后，经第三凹面镜反射，依次通过啁啾镜对和熔融石英楔片对进行色散补偿。色散补偿后的光经第一格兰棱镜起偏，再经第一凸透镜聚焦依次射入第一BaF2晶体、第二BaF2晶体，输出S偏振态激光。令第二凸透镜与第一凸透镜的距离等于两者的焦距之和。此S偏振态激光通过第二凸透镜后，经第二格兰棱镜检偏、第二全反镜反射，作为信号光注入到第一BBO晶体。
②另一束激光首先经过由第四凹面镜和第二凸面镜组成的缩束系统后，经过第五全反镜、800nmλ/2波片变成S偏振态激光，此激光经第二BBO晶体进行倍频，产生的400nm激光经第一400nm高反800nm高透镜、第二400nm高反800nm高透镜滤波后，依次被第四全反镜、P偏振片反射，反射光通过400nmλ/4玻片，经第三全反镜反射后再次通过400nmλ/4玻片，变成P偏振态激光，透过P偏振片，经第二熔融石英楔片对色散补偿后作为泵浦光注入到第一BBO晶体，与上述信号光进行光参量放大。
根据入射激光的二阶色散大小来改变激光在啁啾镜对10内往返的次数，从而改变系统的二阶色散补偿量。
根据出射的激光光谱宽度来决定熔融石英窗片组7内石英片的相对位置、石英片的厚度以及石英片的片数，使穿过熔融石英窗片组7的激光光谱最宽；推荐激光以布儒斯特角入射。
根据产生的交叉偏振波的能量带宽积来决定第一BaF2晶体14和第二BaF2晶体15之间的距离、晶体的厚度以及晶体的旋转角度，使穿过第一BaF2晶体14和第二BaF2晶体(15)的交叉偏振波的能量带宽积最大。
经试验表明，入射光的光谱在被全固态光谱展宽系统展宽后，经过交叉偏振波产生装置，将会被进一步展宽，同时入射光信噪比将会明显提升，而且后续光参量放大过程不仅能将入射光能量提升1-2个数量级，还会进一步提升入射光的信噪比并维持宽带光谱，从而实现大能量周期量级超高信噪比飞秒种子光的产生，能够满足周期量级高峰值功率激光系统对优质种子脉冲的重大需求；同时整套系统采用全固态材料，有利于系统的小型化设计，并能保证系统能够稳定可靠，具有调节方便、简单高效。

Claims (4)

1.一种大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，其特征在于包括800nm千赫兹激光器（1）、分束片（2）、第一凹面镜（3）、第一凸面镜（4）、第二凹面镜（5）、第一全反镜（6）、熔融石英窗片组（7）、小孔光阑（8）、第三凹面镜（9）、啁啾镜对（10）、第一熔融石英楔片对（11）、第一格兰棱镜（12）、第一凸透镜（13）、第一BaF2晶体（14）、第二BaF2晶体（15）、第二凸透镜（16）、第二格兰棱镜（17）、第二全反镜（18）、第一BBO晶体（19）、第二熔融石英楔片对（20）、P偏振片（21）、400nmλ/4波片（22）、第三全反镜（23）、第四全反镜（24）、第一400nm高反800nm高透镜（26）、第二400nm高反800nm高透镜（25）、第二BBO晶体（27）、800nmλ/2波片（28）、第五全反镜（29）、第二凸面镜（30）和第四凹面镜（31）；
上述元件的位置关系如下：
所述的800nm千赫兹激光器（1）输出的P偏振光经所述的分束片（2）分为两束激光，其中一束激光经过由第一凹面镜（3）和第一凸面镜（4）组成的缩束系统后入射到所述的第二凹面镜（5），经第二凹面镜（5）聚焦反射后入射到所述的第一全反镜（6），经第一全反镜（6）反射的反射光依次通过所述的熔融石英窗片组（7）和小孔光阑（8）后，入射到所述的第三凹面镜（9），经第三凹面镜（9）反射的反射光依次经所述的啁啾镜对（10）、第一熔融石英楔片对（11）、第一格兰棱镜（12）、第一凸透镜（13）、第一BaF2晶体（14）和第二BaF2晶体（15）后输出S偏振态激光，该S偏振态激光依次经所述的第二凸透镜（16）和第二格兰棱镜（17）后入射到所述的第二全反镜（18），所述的第二凸透镜（16）与第一凸透镜（13）之间的距离等于两者的焦距之和，经所述的第二全反镜（18）反射后作为信号光注入到所述的第一BBO晶体（19）；
另一束激光经过由所述的第四凹面镜（31）和第二凸面镜（30）组成的缩束系统后，入射到所述的第五全反镜（29），经该第五全反镜（29）反射的反射光经所述的800nmλ/2波片（28）变成S偏振态激光，该S偏振态激光经所述的第二BBO晶体（27）进行倍频后产生400nm激光，该400nm激光依次经所述的第一400nm高反800nm高透镜（26）、第二400nm高反800nm高透镜（25）和第四全反镜（24）入射到所述的P偏振片(21)，经该P偏振片(21)反射的反射光通过所述的400nmλ/4玻片（22）入射到所述的第三全反镜（23），经该第三全反镜（23）反射后再次通过所述的400nmλ/4玻片（22）变成P偏振态激光，该P偏振态激光入射到所述的P偏振片(21)，经该P偏振片(21)透射的透射光通过所述的第二熔融石英楔片对（20）进行色散补偿后，作为泵浦光注入到所述的第一BBO晶体（19），与所述的信号光进行光参量放大过程。
2.根据权利要求1所述的大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，其特征在于根据入射激光的二阶色散大小来改变激光在啁啾镜对（10）内往返的次数，从而改变装置的二阶色散补偿量。
3.根据权利要求1所述的大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，其特征在于根据透射的激光光谱宽度来决定熔融石英窗片组（7）内石英片的相对位置、石英片的厚度以及石英片的片数，使穿过熔融石英窗片组（7）的激光光谱最宽。
4.根据权利要求1所述的大能量周期量级超高信噪比飞秒种子脉冲产生装置，其特征在于根据透射的交叉偏振波的能量带宽积来决定第一BaF2晶体（14）和第二BaF2晶体（15）之间的距离、晶体的厚度以及晶体的旋转角度，使穿过第一BaF2晶体（14）和第二BaF2晶体（15）的交叉偏振波的能量带宽积最大。
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