CN106329302B - 宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法及装置。初始激光源产生窄带激光并被分为两束：能量较高的一束作为窄带泵浦光，经光谱展宽器后得到宽带啁啾泵浦光，再经过双色镜入射到非线性晶体；能量较低的一束进入超连续白光产生器和啁啾镜对得到宽带啁啾种子光，再经过双色镜入射到非线性晶体，并与宽带啁啾泵浦光耦合发生光参量放大；最后通过分光片和脉冲压缩器得到周期量级脉宽的飞秒闲频光。本发明采用光谱展宽的宽带啁啾泵浦光，具有更多的频率成分；且采用宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的双啁啾方案，瞬时频率的对应关系相反，从而提高了输出闲频光的频谱带宽，实现了周期量级脉宽的飞秒闲频光输出。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法及装置。
背景技术
周期量级的高能量激光脉冲因其具有良好的时间分辨率和极高的峰值功率，在阿秒光学、强场物理和超快光谱学等研究领域均有着重要的应用。因此，产生周期量级超短脉冲的研究引起了科学家们极大的关注。在近红外波段，常见的钛蓝宝石(Ti:Sapphire)飞秒激光器已经可以有效地产生中心波长为800纳米的超短、超强脉冲。然而，在激光与物质相互作用的研究中，许多关键的基础理论及实际应用不仅需要超短的脉冲宽度和超高的峰值强度，还对脉冲的中心波长提出了要求。尤其对于很多与波长紧密相关的物理参数，例如Keldysh参数(λ-1)，电子有质动力能(λ2)，高次谐波截止能量(λ2)，高次谐波产生效率(λ-5.5)，最短阿秒脉冲宽度(λ-1/2)等，如何获取波长更长的中红外超短脉冲显得至关重要。值得注意的是，由于在中红外波段尚未发现宽带的激光增益介质，目前无法直接利用传统的基于受激辐射跃迁的激光技术在这一波段产生周期量级脉宽的激光脉冲。
相比起传统激光技术，光参量放大(Optical Parametric Amplification，OPA)凭借着高参量增益、宽增益带宽、可调谐波长范围大以及热积累效应可忽略等优势，成为了产生超短中红外激光脉冲的重要手段。在OPA中获得超大增益谱宽的最直接方法就是选取信号光和闲频光频率相等的简并波长进行放大。利用简并波长处信号光与闲频光相等的群速度，系统可以实现宽带的相位匹配，获取超宽频谱输出。
然而，在信号光与闲频光频率不同的非简并波段，两者的群速度失配会导致相位匹配带宽的急剧缩小，在此波段获取周期量级脉冲的难度相应增加。最常见的补偿群速度失配的方法是使用非共线OPA(Non-collinear OPA，NOPA)，泵浦光和种子光光束采取不同的入射角输入到非线性晶体内。在选取合适晶体和非共线角度的条件下，NOPA可以在非简并波段得到较大的增益带宽。
另一种在非简并波段获取宽带增益的方式是啁啾补偿方案。通过调节入射泵浦光与种子光的啁啾系数，使得两个脉冲的瞬时频率随时间的变化规律符合相位匹配曲线，从而在非简并波段高效放大信号光的不同频率成分。已有的相关研究表明，对于啁啾补偿的光参量放大方案，非简并波段的增益带宽除了受种子光带宽以及晶体相位匹配条件的影响之外，泵浦光的带宽同样是关键的限制因素之一。在传统的光参量放大系统中，最常用的泵浦光光源之一是钛蓝宝石飞秒激光器，其中心波长为800纳米，脉宽通常在40飞秒至120飞秒之间。虽然40飞秒的激光脉冲具有较大的带宽，但依然不足以支持周期量级脉宽的脉冲输出，因此在光参量放大系统中会明显地限制系统的增益带宽。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，该宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置向入射的泵浦光和种子光加入相反方向的啁啾，扩大闲频光的频谱覆盖范围；同时，利用光谱展宽器以增大泵浦光带宽，在双啁啾光参量放大装置中进一步提升闲频光的增益带宽。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，包括以下步骤：
S1、产生初始窄带激光；
S2、将初始窄带激光分成两束光，包括窄带泵浦光和窄带种子光；增大所述的窄带泵浦光的带宽，得到宽带泵浦光，并向其引入正啁啾，得到宽带啁啾泵浦光；增大窄带种子光的带宽，得到宽带种子光，并向其引入负啁啾，得到宽带啁啾种子光；
S3、调整所述的宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间的延时，使两者在时域上重合并入射到非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光，同时输出衰减的宽带啁啾泵浦光；
S4、滤除衰减的宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾信号光得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光，对宽带啁啾闲频光进行压缩，得到周期量级脉宽的飞秒闲频光输出。
作为改进，所述的宽带啁啾泵浦光所加的正啁啾为线性啁啾，所述的宽带啁啾种子光所加的负啁啾也为线性啁啾。
作为改进，在步骤S2中，窄带泵浦光通过泵浦光光谱展宽器增大所述的窄带泵浦光的带宽；窄带种子光通过超连续白光产生器增大所述的窄带种子光的带宽。
作为改进，所述的泵浦光光谱展宽器采用长焦距的凸透镜聚焦光束，使用多块熔融石英片展宽窄带泵浦光的光谱，再使用凸透镜重新准直光束。
作为改进，所述的超连续白光产生器采用强度连续可调滤波片控制脉冲有效能量，并聚焦到蓝宝石晶体内扩展其光谱宽度获取中红外波段的种子成分。
相应地，本发明宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置，包括窄带激光源、分束镜、泵浦光光谱展宽器、延时线、反射镜、超连续白光产生器、啁啾镜对、双色镜、反射镜、非线性晶体、分光片和脉冲压缩器；
所述的窄带激光源产生的窄带激光经分束镜分成两束，包括窄带泵浦光和窄带种子光；窄带泵浦光依次经过泵浦光光谱展宽器和延时线得到宽带啁啾泵浦光；窄带种子光依次经过反射镜、超连续白光产生器和啁啾镜对得到宽带啁啾种子光；
所述的宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光经过双色镜后共同经过反射镜的反射，入射到非线性晶体内发生光参量放大；从非线性晶体输出的宽带啁啾泵浦光，宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光共同入射到分光片以滤除宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾信号光以得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光；所述的放大后的宽带啁啾闲频光入射到脉冲压缩器中，加入啁啾对脉冲进行压缩得到周期量级脉宽的飞秒闲频光
作为改进，所述的泵浦光光谱展宽器采用长焦距的凸透镜聚焦光束，使用多块熔融石英片展宽窄带泵浦光的光谱，再使用凸透镜重新准直光束。
作为改进，所述的超连续白光产生器采用强度连续可调滤波片控制脉冲有效能量，并聚焦到蓝宝石晶体内扩展其光谱宽度获取中红外波段的种子成分。
作为改进，所述的非线性晶体为β-硼酸钡晶体。
采用以上结构后，本发明的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法和装置，与现有技术相比，具有以下优点：
由于本发明的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法分别对窄带泵浦光和窄带种子光进行光谱展宽获得宽带泵浦光和宽带种子光，并向两者分别加入正啁啾和负啁啾，使得宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光的瞬时频率随时间变化呈现相反的变化规律，从而得到谱宽增大的宽带啁啾闲频光输出，最终得到周期量级脉宽的飞秒闲频光脉冲。同时，调整延时和非线性晶体角度使得宽带啁啾泵浦光放大宽带啁啾种子光的不同频率成分，并得到中心波长连续可调谐的宽带啁啾闲频光输出。
附图说明
图1是本发明宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置结构示意图；
图2是本发明一个实施例的晶体切割角为20度、种子光啁啾为180飞秒2时宽带啁啾闲频光的能量带宽积(Energy Bandwidth Product，EBP)和带宽随宽带啁啾泵浦光的脉宽的变化关系图。
图3是本发明一个实施例的宽带泵浦光的极限脉宽为20飞秒时，输出宽带信号光和宽带闲频光的频谱图以及宽带啁啾闲频光的时域包络和相位图。
图4是本发明一个实施例的宽带啁啾闲频光在不同中心波长处的输出频谱以及闲频光脉冲能量和极限脉宽随中心波长的变化关系图。
图中所示：1、窄带激光源，2、分束镜，3、泵浦光光谱展宽器，4、延时线，5、第一反射镜，6、超连续白光产生器，7、啁啾镜对，8、双色镜，9、第二反射镜，10、非线性晶体，11、分光片，12、脉冲压缩器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，包括以下步骤：
S1、产生初始窄带激光。
S2、将初始窄带激光分成两束光，包括窄带泵浦光和窄带种子光。增大所述的窄带泵浦光的带宽，得到宽带泵浦光，并向其引入正啁啾，得到宽带啁啾泵浦光。增大窄带种子光的带宽，得到宽带种子光，并向其引入负啁啾，得到宽带啁啾种子光。
S3、调整所述的宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间的延时，使两者在时域上重合并入射到非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光，同时输出衰减的宽带啁啾泵浦光。
S4、滤除衰减的宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾信号光得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光，对宽带啁啾闲频光进行压缩，得到周期量级脉宽的飞秒闲频光输出。
如图1所示，本发明一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置，包括窄带激光源1、分束镜2、泵浦光光谱展宽器3、延时线4、第一反射镜5、超连续白光产生器6、啁啾镜对7、双色镜8、第二反射镜9、非线性晶体10、分光片11和脉冲压缩器12。
所述的窄带激光源1产生的窄带激光经分束镜分成两束，包括窄带泵浦光和窄带种子光。窄带泵浦光依次经过泵浦光光谱展宽器3和延时线4得到宽带啁啾泵浦光。窄带种子光依次经过第一反射镜5、超连续白光产生器6和啁啾镜对7得到宽带啁啾种子光。
所述的宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光经过双色镜8后共同经过第二反射镜9的反射，入射到非线性晶体10内发生光参量放大。从非线性晶体10输出的宽带啁啾泵浦光，宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光共同入射到分光片11以滤除宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾信号光以得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光。所述的放大后的宽带啁啾闲频光入射到脉冲压缩器12中，加入啁啾对脉冲进行压缩得到周期量级脉宽的飞秒闲频光。
在上述宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置中，窄带泵浦光需经过泵浦光光谱展宽器3展宽其光谱并调节泵浦光脉冲的啁啾以得到宽带啁啾泵浦光；窄带种子光需经过超连续白光产生器6展宽其光谱以获得包含中红外频率成分的宽带种子光，经过啁啾镜对7调节种子光脉冲的啁啾以得到宽带啁啾种子光。
在本发明所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置中，宽带泵浦光需经过泵浦光光谱展宽器3中的块状晶体引入正啁啾，宽带种子光需经过啁啾镜对7引入负啁啾；宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光含有相反方向的啁啾，根据两者的瞬时频率对应关系，所得宽带啁啾闲频光的光谱可以覆盖最大的频率范围。
在本发明所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置中，宽带啁啾泵浦光脉冲相对于宽带啁啾种子光的延时可以通过延时线4调节，从而使得宽带啁啾泵浦光的强度峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分；相应调节非线性晶体10的相位匹配角，可以得到中心波长连续可调谐的宽带啁啾闲频光光谱。
以下举一个具体的实施例。
以飞秒钛宝石激光再生放大器做为窄带激光源产生脉宽为50飞秒，中心波长为0.8微米，重复频率为1000赫兹的窄带激光。经过分束镜分为两束后，窄带泵浦光脉冲的能量为300微焦，窄带种子光脉冲的能量为10微焦。
泵浦光光谱展宽器采用长焦距的凸透镜(f＝1.5-2米)聚焦光束，并利用四块厚度为0.1毫米熔融石英片展宽窄带泵浦光的光谱，利用凸透镜重新准直光束，最后利用不同厚度的玻璃块引入正啁啾在时域上展宽宽带泵浦光脉冲以调整宽带啁啾泵浦光的脉宽。所得宽带泵浦光的极限脉宽与光谱带宽呈反相关关系，极限脉宽从50飞秒至20飞秒可调，极限脉宽越短，对应的泵浦光光谱越宽；利用玻璃块引入正啁啾后，宽带啁啾泵浦光的脉宽最高可以被展宽到约120飞秒，实际脉宽从极限脉宽至120飞秒之间连续可调。
超连续白光产生器采用强度连续可调滤波片控制脉冲有效能量，并聚焦到蓝宝石晶体内扩展其光谱宽度获取中红外波段的种子成分，最后利用啁啾镜对向脉冲引入负啁啾展宽宽带种子光脉冲以得到宽带啁啾种子光。通过强度连续可调滤波片后，实际利用的窄带种子光脉冲能量约为2-3微焦；经过蓝宝石晶体的超连续产生过程，在1000纳米至1600纳米的中红外波段获得了白光谱，作为本装置的宽带种子光；最后使用啁啾镜对向宽带种子光引入180飞秒2的负啁啾，得到脉宽为60飞秒的宽带啁啾种子光。
宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光经过双色镜共同入射到非线性晶体BBO(-硼酸钡)内，晶体切割角为20度，针对中心波长为1400纳米的种子光所优化。
如图2所示，图中圆点为宽带泵浦光的极限脉宽为20飞秒的情况，方形为宽带泵浦光的极限脉宽为30飞秒的情况，三角形为窄带泵浦光的极限脉宽为50飞秒的情况。对于极限脉宽为50飞秒的窄带激光，所得闲频光的带宽随着啁啾泵浦光的脉宽变大而变大，而能量带宽积则先增大后减小；在经过泵浦光光谱展宽器增大了宽带泵浦光的带宽之后，可以得到极限脉宽为20飞秒的宽带激光，在宽带泵浦光的泵浦下，所得闲频光的带宽和能量带宽积相比起窄带泵浦光的情况都出现了显著的提升。
如图3所示，图(a)中实线为宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光作用时的输出频谱，虚线为宽带无啁啾泵浦光与宽带无啁啾种子光作用时的输出频谱。图(b)中实线为宽带啁啾闲频光的时域包络，点线为宽带啁啾闲频光的时域相位，虚线为压缩后极限脉宽的飞秒闲频光的时域包络。图3给出了输出宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光的频谱以及宽带啁啾闲频光和飞秒闲频光脉冲的时域包络。可以看出，泵浦光与种子光引入相反啁啾的双啁啾方法(图3(a)实线)相比起无啁啾(图3(b)虚线)的情况，输出信号光的带宽减小，而输出闲频光的带宽增加。从压缩后的飞秒闲频光脉冲的时域包络可以看到，所得光谱最短可以支持8.8飞秒的极限脉宽，小于1.5个光周期。
如图4所示，图(a)中实线、虚线、点线和点划线分别对应中心波长1700纳米、1790纳米、1880纳米和1980纳米时的输出宽带闲频光频谱；图(b)中圆点为输出闲频光脉冲的能量转换效率，方形为输出闲频光脉冲的极限脉宽。图4给出了调整宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间延时后得到的中心波长可调谐的闲频光频谱。可以看到，在1700纳米至2000纳米的中心波长范围内，本装置都可以得到宽带的闲频光输出，能量转换效率维持在22％以上，对应的极限脉宽能量小于9飞秒。
以上结果表明，利用光谱展宽且引入相反方向啁啾的宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光，两者在非线性晶体内的光参量放大过程可以产生带宽增大、中心波长可调谐的宽带啁啾闲频光输出，系统能量转换效率达22％以上，输出极限脉宽小于1.5个光周期。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、产生初始窄带激光；
S2、将初始窄带激光分成两束光，包括窄带泵浦光和窄带种子光；增大所述的窄带泵浦光的带宽，得到宽带泵浦光，并向其引入正啁啾，得到宽带啁啾泵浦光；增大窄带种子光的带宽，得到宽带种子光，并向其引入负啁啾，得到宽带啁啾种子光；
S3、调整所述的宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间的延时，使两者在时域上重合并入射到非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光，同时输出衰减的宽带啁啾泵浦光；
S4、滤除衰减的宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾信号光得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光，对宽带啁啾闲频光进行压缩，得到周期量级脉宽的飞秒闲频光输出。
2.根据权利要求1所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，其特征在于：所述的宽带啁啾泵浦光所加的正啁啾为线性啁啾，所述的宽带啁啾种子光所加的负啁啾也为线性啁啾。
3.根据权利要求1所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，其特征在于：在步骤S2中，窄带泵浦光通过泵浦光光谱展宽器（3）增大所述的窄带泵浦光的带宽；窄带种子光通过超连续白光产生器（6）增大所述的窄带种子光的带宽。
4.根据权利要求3所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，其特征在于：所述的泵浦光光谱展宽器（3）采用长焦距的凸透镜聚焦光束，使用多块熔融石英片展宽窄带泵浦光的光谱，再使用凸透镜重新准直光束。
5.根据权利要求3所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大方法，其特征在于：所述的超连续白光产生器（6）采用强度连续可调滤波片控制脉冲有效能量，并聚焦到蓝宝石晶体内扩展其光谱宽度获取中红外波段的种子成分。
6.一种宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置，其特征在于：包括窄带激光源（1）、分束镜（2）、泵浦光光谱展宽器（3）、延时线（4）、第一反射镜（5）、超连续白光产生器（6）、啁啾镜对（7）、双色镜（8）、第二反射镜（9）、非线性晶体（10）、分光片（11）和脉冲压缩器（12）；
所述的窄带激光源（1）产生的窄带激光经分束镜分成两束，包括窄带泵浦光和窄带种子光；窄带泵浦光依次经过泵浦光光谱展宽器（3）和延时线（4）得到宽带啁啾泵浦光；窄带种子光依次经过第二反射镜（9）、超连续白光产生器（6）和啁啾镜对（7）得到宽带啁啾种子光；
所述的宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光经过双色镜（8）后共同经过第二反射镜（9）的反射，入射到非线性晶体（10）内发生光参量放大；从非线性晶体（10）输出的宽带啁啾泵浦光，宽带啁啾信号光和宽带啁啾闲频光共同入射到分光片（11）以滤除宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾信号光以得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光；所述的放大后的宽带啁啾闲频光入射到脉冲压缩器（12）中，加入啁啾对脉冲进行压缩得到周期量级脉宽的飞秒闲频光。
7.根据权利要求6所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置，其特征在于：所述的泵浦光光谱展宽器（3）采用长焦距的凸透镜聚焦光束，使用多块熔融石英片展宽窄带泵浦光的光谱，再使用凸透镜重新准直光束。
8.根据权利要求6所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置，其特征在于：所述的超连续白光产生器（6）采用强度连续可调滤波片控制脉冲有效能量，并聚焦到蓝宝石晶体内扩展其光谱宽度获取中红外波段的种子成分。
9.根据权利要求6所述的宽带激光泵浦的双啁啾光参量放大装置，其特征在于：所述的非线性晶体（10）为β-硼酸钡晶体。
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