CN106911056A - 一种宽带光参量啁啾脉冲放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光技术领域，提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，其包括窄带皮秒激光器、脉冲激光展宽器、光学耦合镜、扩/缩束系统、周期性极化晶体、分光镜以及脉冲激光压缩器。其中，具有周期性畴反转结构的周期性极化晶体用于将生成的闲频光、与啁啾脉冲激光/泵浦光进行分离，从而抑制所述宽带光参量啁啾脉冲放大器进入饱和放大后的能量回流；及实现宽带宽的光参量啁啾脉冲放大。该宽带光参量啁啾脉冲放大器不但能抑制信号光能量的回流，还有极宽的增益带宽，得益于脉冲能量(转换效率)与脉冲宽度(增益带宽)的同步优化，大大提升了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率，提高了光参量啁啾脉冲放大器的性能。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种宽带光参量啁啾脉冲放大器。
背景技术
光参量啁啾脉冲放大(Optical Parametric Chirped-Pulse Amplification，OPCPA)是提升超短脉冲激光能量的常用技术。OPCPA的基本原理是将低能量的飞秒超短脉冲激光展宽成皮秒或纳秒的啁啾脉冲(展宽后脉宽与泵浦光相当)，再以窄带的高能量脉冲激光为泵浦光，对超短脉冲激光进行光参量放大，最后在输出端以光栅压缩器将放大后的啁啾脉冲信号重新压缩至飞秒量级。然而所有参量过程都会受制于能量的回流，回流是指当泵浦光强烈衰减，参量过程进入饱和放大的时候，能量会由啁啾脉冲激光和闲频光重新流向泵浦光。为了避免回流的发生，目前通常是借助各种优化设计，在倒流发生之前尽量实现较高的能量转换，使用复杂的空时脉冲整形技术，使啁啾脉冲激光、泵浦光的能量分布更为均匀，可以实现最高～65％的能量转换效率。此外，利用非线性材料自身对特定激光波长的吸收，使闲频光恰好能够被晶体持续吸收，可以有效抑制啁啾脉冲激光能量的回流。
但是，利用时空整形技术使不同时空区域的啁啾脉冲激光同步光参量放大，虽然可以在回流出现前得到足够的转换效率，但这种方法的实施难度较大，更重要的是对泵浦光，甚至啁啾脉冲激光的时空波形都有很大限制；而利用非线性材料自身对特定激光波长的吸收，抑制啁啾脉冲激光能量回流的技术方案并不适用于易吸收的激光波长(例如3-5μm的中红外激光)，而且，吸收带来的热效应还会对光参量啁啾脉冲放大器造成影响。
此外，相位匹配带宽是光参量啁啾脉冲放大器增益带宽的决定因素之一。相位匹配带宽是指：对宽光谱的飞秒激光而言，通常只有其中心波长能够满足相位匹配(Δk＝0)，其余偏离中心波长的光谱成分均存在不同程度的相位失配(Δk≠0)，随着|Δk|的增加，光参量放大的转换效率迅速降低，一般将特定|Δk|范围内的超短脉冲激光的光谱带宽称为相位匹配带宽。超短脉冲激光的脉宽越短，所包含的光谱就越宽，对光参量啁啾脉冲放大器相位匹配带宽的要求也越高。可输出最高峰值功率是评价光参量啁啾脉冲放大器性能的最为重要的参数之一，脉冲激光的峰值功率由脉冲能量与脉冲宽度共同决定。在一定的泵浦光能量以及超短脉冲激光注入条件下，泵浦光能量的转换效率决定了超短脉冲激光的输出能量，而光参量放大的增益匹配带宽则是衡量其可输出最短脉冲激光的关键指标。
因此，由于受到能量回流以及增益带宽窄化的限制，现有的光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率受到极大影响，进而降低了光参量啁啾脉冲放大器的性能。
发明内容
本发明提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，旨在同时解决现有光参量啁啾脉冲放大器中的能量回流问题以及增益带宽窄化问题，实现转换效率与增益带宽的同步优化，提高光参量啁啾脉冲放大器的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，该宽带光参量啁啾脉冲放大器包括：
脉冲激光展宽器，用于对入射的超短脉冲激光进行啁啾展宽，以使得到的啁啾脉冲激光的脉宽与入射的泵浦光的脉宽相同，所述啁啾脉冲激光进入光学耦合镜；
所述光学耦合镜，用于使所述啁啾脉冲激光与所述入射的泵浦光空间耦合，并一同进入周期性极化晶体；
所述周期性极化晶体，用于基于入射的泵浦光对啁啾脉冲激光进行放大，同时生成闲频光；及，将所述闲频光、与所述啁啾脉冲激光和所述泵浦光进行分离，以抑制所述宽带光参量啁啾脉冲放大器进入饱和放大后的能量回流；及，在抑制能量回流的同时，实现对所述啁啾脉冲激光的宽带宽的光参量放大；放大的啁啾脉冲激光与残余的泵浦光一同进入分光镜；
所述分光镜，用于对放大的啁啾脉冲激光与残余的泵浦光进行分离，以确保仅有放大的啁啾脉冲激光进入脉冲激光压缩器；
所述脉冲激光压缩器，用于压缩所述放大的啁啾脉冲激光的脉冲宽度，得到高峰值功率的超短脉冲激光。
进一步地，所述宽带光参量啁啾脉冲放大器还包括扩/缩束系统；
所述扩/缩束系统，置于所述光学耦合镜与所述周期性极化晶体之间，用于改变所述光学耦合镜出射的所述啁啾脉冲激光与所述泵浦光的光斑口径；经光斑口径调整的所述啁啾脉冲激光与所述泵浦光一同进入所述周期性极化晶体。
进一步地，通过调整所述扩/缩束系统的扩/缩束倍数，改变所述啁啾脉冲激光与所述泵浦光的光斑口径，以实现对所述宽带光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽的动态调控。
进一步地，所述周期性极化晶体包括依次相连的第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域；其中，所述第一非线性区域与所述第二非线性区域均具有周期性畴反转结构；
所述第一非线性区域的周期性畴反转方向与所述啁啾脉冲激光传输方向的夹角为β，所述第二非线性区域的周期性畴反转方向与所述啁啾脉冲激光传输方向的夹角为﹣β，以使所述第一非线性区域的畴结构与所述第二非线性区域的畴结构沿所述啁啾脉冲激光传输方向呈轴对称；
所述第一非线性区域用于使生成的第一闲频光从所述啁啾脉冲激光和泵浦光的一侧走离，第二非线性区域用于使生成的第二闲频光从所述啁啾脉冲激光和泵浦光的另一侧走离。
进一步地，夹角α表示所述闲频光与所述啁啾脉冲激光和泵浦光传输方向之间的夹角；
所述夹角α等于满足宽带相位匹配所需的群速度匹配角Ω，以实现对所述啁啾脉冲激光的宽带宽的光参量放大；其中，Ω＝arccos(vsignal/vidler)，vsignal表示所述啁啾脉冲激光在所述周期性极化晶体中的群速度，vidler表示所述闲频光在所述周期性极化晶体中的群速度，vsignal＝vidler*cos(α)。
进一步地，所述周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使kp、ks、ki和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，其中，所述ks表示所述啁啾脉冲激光的波矢、所述kp表示所述泵浦光的波矢、所述ki表示所述闲频光的波矢，所述kg表示所述周期性极化晶体的倒格矢，所述ks与所述kp共线。
进一步地，所述周期性极化晶体的极化周期Λ与所述夹角β，基于夹角α、夹角β、和kg之间的映射关系以及所述夹角α进行设定，以使所述周期性极化晶体满足相位匹配；其中，Λ＝2π/kg，所述夹角α表示所述闲频光，与所述啁啾脉冲激光和泵浦光传输方向之间的夹角。
进一步地，所述宽带光参量啁啾脉冲放大器还包括窄带皮秒激光器；
所述窄带皮秒激光器，用于输出泵浦光；
所述窄带皮秒激光器输出的泵浦光与所述展宽后得到的啁啾脉冲激光时间同步。
进一步地，所述泵浦光与所述啁啾脉冲激光以共线正入射的方式，进入所述周期性极化晶体。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，该宽带光参量啁啾脉冲放大器包括窄带皮秒激光器、脉冲激光展宽器、光学耦合镜、扩/缩束系统、周期性极化晶体、分光镜以及脉冲激光压缩器。其中，具有周期性畴反转结构的周期性极化晶体用于基于入射的泵浦光对啁啾脉冲激光进行宽带宽的光参量放大，同时生成闲频光；并将所述闲频光、与所述啁啾脉冲激光和所述泵浦光进行分离，从而抑制所述宽带光参量啁啾脉冲放大器进入饱和放大后的能量回流；在抑制能量回流的基础上，该周期性极化晶体还支持宽带宽的相位匹配。由于该宽带光参量啁啾脉冲放大器不但抑制了信号光能量的回流，还具有极宽的增益带宽，得益于脉冲能量(转换效率)与脉冲宽度(增益带宽)的同步优化，大大提升了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率，提高了光参量啁啾脉冲放大器的性能。同时，通过调整扩/缩束系统的扩/缩束倍数，从而调整啁啾脉冲激光与泵浦光于周期性极化晶体内的光斑口径，还可以简便地调控光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽，啁啾脉冲激光与泵浦光的光斑口径越小，其增益带宽越宽。通过周期性极化晶体以及扩/缩束系统对增益带宽的双重优化，使得该宽带光参量啁啾脉冲放大器具有更高的可输出最高峰值功率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的宽带光参量啁啾脉冲放大器示意图；
图2是本发明实施例提供的周期性极化晶体示意图；
图3是本发明实施例提供的周期性极化晶体俯视图；
图4是本发明实施例提供的光参量啁啾脉冲放大器不同信号光/泵浦光光斑直径条件下的增益带宽示意图；
图5是本发明实施例提供的经光参量啁啾脉冲放大器放大后的800nm信号光的“空间-光谱”示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为本发明的第一个实施例，如图1所示，本发明提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，该宽带光参量啁啾脉冲放大器包括脉冲激光展宽器10、光学耦合镜20、具有周期性畴反转结构的周期性极化晶体40、分光镜50以及脉冲激光压缩器60。
脉冲激光展宽器10，用于对入射的超短脉冲激光进行啁啾展宽(一般将展宽后的超短脉冲激光称为啁啾脉冲激光)，以使啁啾脉冲激光的脉宽与入射的泵浦光的脉宽相同，该啁啾脉冲激光进入光学耦合镜20。
光学耦合镜20，用于使上述啁啾脉冲激光与入射的泵浦光空间耦合，并一同进入周期性极化晶体40。
周期性极化晶体40，用于基于入射的泵浦光对入射的啁啾脉冲激光进行放大，同时生成闲频光；及，将闲频光、与啁啾脉冲激光和泵浦光进行分离，以抑制该宽带光参量啁啾脉冲放大器进入饱和放大后的能量回流；及，在抑制能量回流的同时，实现对该啁啾脉冲激光的宽带宽的光参量放大；放大的啁啾脉冲激光与残余的泵浦光一同进入分光镜50。
分光镜50，用于对经周期性极化晶体40出射的放大的啁啾脉冲激光与残余的泵浦光进行分离，以确保仅有放大的啁啾脉冲激光进入脉冲激光压缩器60。
脉冲激光压缩器60，用于压缩放大的啁啾脉冲激光的脉冲宽度，将其重新压缩至原来的经过脉冲激光展宽器10展宽之前的脉冲宽度，得到高峰值功率的超短脉冲激光。
综上所述，本发明第一个实施例所提供的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其包含的周期性极化晶体40具有周期性畴反转结构，该周期性畴反转结构使得周期性极化晶体40能够抑制能量的回流，还有极宽的相位匹配带宽。因此，该光参量啁啾脉冲放大器不但抑制了能量的回流；在抑制能量回流的基础上，还有极宽的增益带宽，得益于脉冲能量(转换效率)与脉冲宽度(增益带宽)的同步优化，大大提升了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率，提高了光参量啁啾脉冲放大器的性能。
作为本发明的第二个实施例，如图1所示，本发明提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，该宽带光参量啁啾脉冲放大器包括窄带皮秒激光器70、脉冲激光展宽器10、光学耦合镜20、扩/缩束系统30、具有周期性畴反转结构的周期性极化晶体40、分光镜50以及脉冲激光压缩器60。
窄带皮秒激光器70，用于输出泵浦光ωp至光学耦合镜20。
脉冲激光展宽器10，用于对入射的超短脉冲激光ωs进行啁啾展宽，以使展宽后的超短脉冲激光(一般将展宽后的超短脉冲激光称为啁啾脉冲激光)ωs的脉宽与入射的泵浦光ωp的脉宽相同，该啁啾脉冲激光ωs进入光学耦合镜20。需要说明的是，窄带皮秒激光器70输出的泵浦光ωp与经脉冲激光展宽器10展宽后得到的啁啾脉冲激光ωs时间同步。
光学耦合镜20，用于使啁啾脉冲激光ωs与入射的泵浦光ωp空间耦合，并一同进入周期性极化晶体40。需要说明的是，光学耦合镜20出射的泵浦光ωp和啁啾脉冲激光ωs以共线正入射的方式，进入扩/缩束系统30。
扩/缩束系统30，其置于光学耦合镜20和周期性极化晶体40之间，用于改变从光学耦合镜20出射的啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp的光斑口径，经光斑口径调整的啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp一同进入周期性极化晶体40。通过调整扩/缩束系统30的扩/缩束倍数，可以改变啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp的光斑口径，从而调整啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp于周期性极化晶体40内的光斑口径，以实现对所述宽带光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽的动态调控。在其余条件不变的前提下，啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp的光斑口径越小，所述光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽越宽。因为啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp的光斑口径越小，相应的，周期性极化晶体40内闲频光ωi，与啁啾脉冲激光ωs和泵浦光ωp的空间走离的速度越快，闲频光ωi对啁啾脉冲激光ωs和泵浦光ωp的影响越小，该宽带光参量啁啾脉冲放大器对相位失配越不敏感，其增益带宽也就越宽。通过调整啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp于所述周期性极化晶体内的光斑口径，可实现对所述宽带光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽的动态调控。在本实施例中，仅设置了一套扩/缩束系统30，用于等比例的改变啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp的光斑口径大小。
周期性极化晶体40，用于基于入射的泵浦光ωp对入射的啁啾脉冲激光ωs进行放大，同时生成闲频光ωi；及，将闲频光ωi、与啁啾脉冲激光ωs和泵浦光ωp进行分离，以抑制该宽带光参量啁啾脉冲放大器进入饱和放大后的能量回流；及，在抑制能量回流的同时，实现对该啁啾脉冲激光ωs的宽带宽的光参量放大。放大的啁啾脉冲激光ωs’与残余的泵浦光ωp’一同进入分光镜。
如图2所示，该周期性极化晶体40包括依次相连的第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域；其中，第一非线性区域与第二非线性区域均具有周期性畴反转结构。第一非线性区域的周期性畴反转方向与啁啾脉冲激光传输方向的夹角为β，第二非线性区域的周期性畴反转方向与啁啾脉冲激光传输方向的夹角为﹣β，以使第一非线性区域的畴结构与第二非线性区域的畴结构沿该啁啾脉冲激光传输方向呈轴对称。如图3所示，第一非线性区域用于使生成的第一闲频光ωi1从啁啾脉冲激光和泵浦光的一侧走离，第二非线性区域用于使生成的第二闲频光ωi2从啁啾脉冲激光和泵浦光的另一侧走离。线性区域没有周期性畴反转结构，仅用于分离闲频光；线性区域的长度需大于非共线传输的闲频光，与啁啾脉冲激光和泵浦光完全分离所需传输长度，确保仅有啁啾脉冲激光和泵浦光进入第二非线性区域。夹角α表示闲频光，与啁啾脉冲激光和泵浦光传输方向之间的夹角，即ki与ks/kp之间的夹角。由于第一非线性区域的周期性畴反转结构，第一闲频光ωi1会以偏离啁啾脉冲激光/泵浦光α角的方向传输；由于第二非线性区域的周期性畴反转结构，第二闲频光ωi2会以偏离啁啾脉冲激光/泵浦光-α角的方向传输。
周期性极化晶体40的周期性畴反转结构具有使kp、ks、ki和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，其目的是为了满足相位匹配的要求。其中，ks表示所述啁啾脉冲激光的波矢、kp表示所述泵浦光的波矢、ki表示所述闲频光的波矢，kg表示所述周期性极化晶体的倒格矢，ks与kp共线。且夹角α、夹角β、和kg之间一一对应，存在一定的映射关系，周期性极化晶体40的极化周期Λ或所述夹角β，基于夹角α、夹角β、和kg之间的映射关系以及夹角α进行设定，以使周期性极化晶体40实现相位匹配，其中，Λ＝2π/kg。
本实施例所提供的夹角α等于满足宽带相位匹配所需的群速度匹配角Ω，即α＝Ω＝arccos(vsignal/vidler)，此时该周期性极化晶体40能够实现对啁啾脉冲激光的宽带宽的光参量放大。其中，Ω＝arccos(vsignal/vidler)，vsignal表示啁啾脉冲激光在周期性极化晶体40中的群速度，vidler表示闲频光在周期性极化晶体40中的群速度，vsignal＝vidler*cos(α)。
需要说明的是，周期性极化晶体40的畴反转结构既满足相位匹配的要求，还能够使产生的闲频光从啁啾脉冲激光和泵浦光持续走离，从而达到抑制能量回流的目的，提高了能量的转换效率；在抑制能量回流的基础上，将夹角α设置成群速度匹配角Ω，从而实现了宽带宽的相位匹配，提高了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽，同时解决了现有技术中的能量回流问题以及增益带宽窄化问题，实现转换效率与增益带宽的同步优化，大大提升了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率，提高了该光参量啁啾脉冲放大器的性能。
分光镜50，用于对经周期性极化晶体40出射的放大的啁啾脉冲激光ωs’与残余的泵浦光ωp’进行分离，以确保仅有的放大的啁啾脉冲激光ωs’入射至脉冲激光压缩器60。
脉冲激光压缩器60，用于压缩放大的啁啾脉冲激光ωs’的脉冲宽度，将其重新压缩至原来的经过脉冲激光展宽器10展宽之前的脉冲宽度，得到高峰值功率的超短脉冲激光。
综上所述，本发明第二个实施例所提供的宽带光参量啁啾脉冲放大器，同时解决了现有技术中的能量回流问题以及增益带宽窄化问题，实现转换效率与增益带宽的同步优化，通过对脉冲能量(转换效率)与脉冲宽度(增益带宽)这两个决定超短脉冲激光峰值功率的关键参数的优化，显著提升了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率，提高了该光参量啁啾脉冲的性能。同时，通过调整扩/缩束系统的扩/缩束倍数，还可以简便地调控光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽，啁啾脉冲激光ωs与泵浦光ωp的光斑口径越小，其增益带宽越宽。通过周期性极化晶体以及扩/缩束系统对增益带宽的双重优化，使得该宽带光参量啁啾脉冲放大器具有更高的可输出最高峰值功率。
作为本发明的第三个实施例，提供了一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，其由窄带皮秒激光器，脉冲激光展宽器，光学耦合镜，扩/缩束系统，周期性极化晶体，分光镜以及脉冲激光压缩器构成。
信号光为800nm的钛宝石脉冲激光。脉冲激光展宽器为型光栅展宽器，脉冲激光压缩器为Treacy型光栅压缩器。800nm的钛宝石脉冲激光经型光栅展宽器展宽，其啁啾展宽后的脉冲宽度与泵浦光相当。窄带皮秒激光器为532nm皮秒脉冲激光器，其输出的532nm脉冲激光，与待放大的800nm的啁啾脉冲激光时间同步，经过光学耦合镜，与800nm的啁啾脉冲激光一同依次经过扩/缩束系统和周期性极化晶体，以波长为532nm的皮秒脉冲激光为泵浦光，对800nm的啁啾脉冲激光进行放大。扩/缩束系统可以等比例的改变信号光与泵浦光于周期性极化晶体的光斑口径，以此实现光参量啁啾脉冲放大器增益带宽的动态调控。再由分光镜，将残余的泵浦光从放大后的信号光中分离。放大后的信号光经Treacy型光栅压缩器压缩，最终得到高峰值功率的超短脉冲激光。
其中，周期性极化晶体为如图2所示的具有周期性畴反转结构的周期性极化晶体，可以实现宽带宽的相位匹配以及抑制能量的回流。闲频光与啁啾脉冲激光/泵浦光传输方向之间的夹角α等于群速度匹配角Ω，Ω＝arccos(vsignal/vidler)，其中，vsignal、vidler分别表示啁啾脉冲激光与闲频光在周期性极化晶体中的群速度，即闲频光于啁啾脉冲激光传输方向上的群速度分量与信号光的群速度相等，vsignal＝vidler*cos(α)。再由夹角α，夹角β，以及极化周期Λ之间的映射关系确定该周期性极化晶体的极化周期Λ与夹角β。
在本实施例中，夹角α等于15.4度；首先由α确定β跟Λ；然后在β和Λ确定的周期性极化晶体中，闲频光自然会偏离啁啾脉冲激光与泵浦光α角度走离。周期性极化晶体为满足0类准位相匹配的5％MgO掺杂周期性极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)。工作温度设定在24.5摄氏度。如图3所示，在800nm信号光，532nm泵浦光以及对应的1588nm闲频光条件下，闲频光与信号光/泵浦光传输方向之间的夹角α应等于15.4度。对应的，为了满足0类准相位匹配，周期性极化晶体的极化周期，即畴长Λ为2.5μm，其周期性畴反转的方向与激光传输方向之间的夹角β为63度。
假定800nm的啁啾脉冲激光与532nm的泵浦光的光斑直径相同，5％MgO:PPLN晶体的非线性区域的总长度为20mm，其中第一非线性区域与第二非线性区域各10mm。如图4所示，图中给出了本发明所提供的宽带光参量啁啾脉冲放大器不同信号光/泵浦光光斑直径条件下的增益带宽。图中还同时给出了基于共线相位匹配的常规光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽。由图中可见，相比于共线相位匹配，本发明可显著提升光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽。而且，利用扩/缩束系统可简便的等比例改变信号光与泵浦光于周期性极化晶体的光斑口径，以此实现光参量啁啾脉冲放大器增益带宽的动态调控。一般的，光斑口径越小，光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽越宽。以1.1mm的光斑直径(1/e2高全宽)为例，其对应的增益带宽超过100nm，这样的增益带宽可支持脉冲宽度大于等于20fs的超短脉冲激光的有效放大。
基于全维度(时间-空间)的仿真实验，如图5所示，图中给出了本发明所提供的光参量啁啾脉冲放大器的放大后的800nm信号光的“空间-光谱”图。图中给出了800nm信号光不同半径区域的激光光谱。具体的，800nm信号光的初始脉冲为70fs(1/e2高全宽)，经型光栅展宽器，将其脉冲啁啾展宽至70ps，对应的，532nm泵浦光的脉冲宽度为100ps。800nm信号光与532nm泵浦光的光斑直径均为1.1mm。5％MgO:PPLN晶体中的泵浦光强为75MW/cm2，信号光光强为泵浦光光强的1‰。作为子图，图中还一同给出了入射的800nm信号光的“空间-光谱”图。由图中可见，放大后的800nm信号光基本保留了初始的光谱信息，没有出现因为增益带宽不足导致的光谱的窄化。与此同时，其对应的量子转换效率超过70％。得益于脉冲能量(转换效率)与脉冲宽度(增益带宽)的同步优化，在相同的工作条件下，本实施例所提供的光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率是基于共线相位匹配的常规光参量啁啾脉冲放大器的5-10倍。
综上所述，本发明第三个实施例所提供的宽带光参量啁啾脉冲放大器，从仿真数据可以表明，其同时解决了现有技术中的能量回流问题以及增益带宽窄化问题，实现了转换效率与增益带宽的同步优化，通过对脉冲能量(转换效率)与脉冲宽度(增益带宽)这两个决定超短脉冲激光峰值功率的关键参数的优化，显著提升了该宽带光参量啁啾脉冲放大器的可输出最高峰值功率，提高了该光参量啁啾脉冲的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，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)
1.一种宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述宽带光参量啁啾脉冲放大器包括：
脉冲激光展宽器，用于对入射的超短脉冲激光进行啁啾展宽，以使得到的啁啾脉冲激光的脉宽与入射的泵浦光的脉宽相同，所述啁啾脉冲激光进入光学耦合镜；
所述光学耦合镜，用于使所述啁啾脉冲激光与所述入射的泵浦光空间耦合，并一同进入周期性极化晶体；
所述周期性极化晶体，用于基于入射的泵浦光对啁啾脉冲激光进行放大，同时生成闲频光；及，将所述闲频光、与所述啁啾脉冲激光和所述泵浦光进行分离，以抑制所述宽带光参量啁啾脉冲放大器进入饱和放大后的能量回流；及，在抑制能量回流的同时，实现对所述啁啾脉冲激光的宽带宽的光参量放大；放大的啁啾脉冲激光与残余的泵浦光一同进入分光镜；
所述分光镜，用于对放大的啁啾脉冲激光与残余的泵浦光进行分离，以确保仅有放大的啁啾脉冲激光进入脉冲激光压缩器；
所述脉冲激光压缩器，用于压缩所述放大的啁啾脉冲激光的脉冲宽度，得到高峰值功率的超短脉冲激光。
2.如权利要求1所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述宽带光参量啁啾脉冲放大器还包括扩/缩束系统；
所述扩/缩束系统，置于所述光学耦合镜与所述周期性极化晶体之间，用于改变所述光学耦合镜出射的所述啁啾脉冲激光与所述泵浦光的光斑口径；经光斑口径调整的所述啁啾脉冲激光与所述泵浦光一同进入所述周期性极化晶体。
3.如权利要求2所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，通过调整所述扩/缩束系统的扩/缩束倍数，改变所述啁啾脉冲激光与所述泵浦光的光斑口径，以实现对所述宽带光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽的动态调控。
4.如权利要求1所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述周期性极化晶体包括依次相连的第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域；其中，所述第一非线性区域与所述第二非线性区域均具有周期性畴反转结构；
所述第一非线性区域的周期性畴反转方向与所述啁啾脉冲激光传输方向的夹角为β，所述第二非线性区域的周期性畴反转方向与所述啁啾脉冲激光传输方向的夹角为﹣β，以使所述第一非线性区域的畴结构与所述第二非线性区域的畴结构沿所述啁啾脉冲激光传输方向呈轴对称；
所述第一非线性区域用于使生成的第一闲频光从所述啁啾脉冲激光和泵浦光的一侧走离，第二非线性区域用于使生成的第二闲频光从所述啁啾脉冲激光和泵浦光的另一侧走离。
5.如权利要求1所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于：
夹角α表示所述闲频光与所述啁啾脉冲激光和泵浦光传输方向之间的夹角；
所述夹角α等于满足宽带相位匹配所需的群速度匹配角Ω，以实现对所述啁啾脉冲激光的宽带宽的光参量放大；其中，Ω＝arccos(vsignal/vidler)，vsignal表示所述啁啾脉冲激光在所述周期性极化晶体中的群速度，vidler表示所述闲频光在所述周期性极化晶体中的群速度，vsignal＝vidler*cos(α)。
6.如权利要求4所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使kp、ks、ki和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，其中，所述ks表示所述啁啾脉冲激光的波矢、所述kp表示所述泵浦光的波矢、所述ki表示所述闲频光的波矢，所述kg表示所述周期性极化晶体的倒格矢，所述ks与所述kp共线。
7.如权利要求6所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述周期性极化晶体的极化周期Λ与所述夹角β，基于夹角α、夹角β、和kg之间的映射关系以及所述夹角α进行设定，以使所述周期性极化晶体满足相位匹配；其中，Λ＝2π/kg，所述夹角α表示所述闲频光，与所述啁啾脉冲激光和泵浦光传输方向之间的夹角。
8.如权利要求1所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述宽带光参量啁啾脉冲放大器还包括窄带皮秒激光器；
所述窄带皮秒激光器，用于输出泵浦光；
所述窄带皮秒激光器输出的泵浦光与所述展宽后得到的啁啾脉冲激光时间同步。
9.如权利要求1所述的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述泵浦光与所述啁啾脉冲激光以共线正入射的方式，进入所述周期性极化晶体。
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