CN107026388B - 载波包络相位稳定性高的光参量放大系统和稳定方法 - Google Patents

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Abstract

一种载波包络相位稳定性高的光参量放大系统和稳定方法，该系统的特点是在光参量放大的泵浦光路中插入设置熔融石英楔板对，其中一个熔融石英楔板放置于电动平移台上。本发明的光参量放大系统能实现CEP稳定的闲置光输出，并且具有抗环境扰动的优势。为高次谐波、阿秒物理实验和太赫兹源等领域提供载波包络相位稳定的光源。

Description

载波包络相位稳定性高的光参量放大系统和稳定方法
技术领域
本发明涉及光参量放大，特别是一种载波包络相位(以下简称为CEP)稳定性高的光参量放大系统和稳定方法。CEP稳定的光源在高次谐波、阿秒物理实验和太赫兹源等领域具有十分重要的意义。
背景技术
随着超短脉冲激光技术的发展，激光的脉宽已经达到周期量级。在周期量级强激光场与物质相互作用过程中，CEP在很大程度上决定瞬时脉冲的电场强度。在与瞬时电场强度相关的实验中，CEP不同将导致不同的物理现象，例如：高次谐波的截止区能量，少周期红外光电离辐射的太赫兹波，阿秒物理等。这就对光源的CEP稳定性提出了更高的要求和挑战。
最早在2002年，A.等就提出利用光学参量放大(以下简称为OPA)的基本原理来实现超短激光脉冲的CEP被动稳定。理论研究表明OPA过程中信号光与泵浦光的CEP在放大过程中保持不变，而闲置光的CEP则与两者的差值有关，当信号光是泵浦光的一部分经过自相位调制展宽得到时，信号光与泵浦光的相位差是常数，与泵浦光的CEP是否变化无关，因此闲置光就是CEP被动稳定的。基于OPA过程产生CEP被动稳定的闲置光已有人在2011年实现(“Generation of carrier-envelope phase stabilized intense 1.5cyclepulses at 1.75μm”OpticsExpress，Vol.19Issue7，pp.6783-6789)，测量CEP仍有漂移，CPE抖动的均方根(RMS)为400～600mrad。若想进一步减小CEP抖动量就需要找出该微小抖动的来源。Ian N.Ross等人于2002年在文章“Analysis and optimization of opticalparametric chirped pulse amplification”Journal of the Optical Society ofAmerica B-Optical Physics，Vol.19Issue12，pp.2945-2956中对光参量放大过程进行理论分析，闲置光的CEP不仅包含信号光和泵浦光的相位差，还包含相位失配相关的项。相位失配项会因环境温度变化和光束抖动而改变。晶体温度也会随着激光作用时间的增加而缓慢升高，相位失配项的变化诱导CEP漂移发生。而这种因环境、晶体温度、气流和光束指向性抖动引起CEP漂移是无法通过简单的OPA过程消除的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种载波包络相位稳定性高的光参量放大系统和稳定方法。利用调节泵浦光的CEP来抵消闲置光CEP原有的漂移，实现CEP稳定的闲置光输出。本发明具有抗环境扰动(气流和温度的变化，光束方向抖动)的优势。
本发明的方案如下：
一种载波包络相位稳定性高的光参量放大系统，包括：飞秒激光器、激光分束片、白光产生器、第一平面反射镜、第二平面反射镜和光参量放大器，飞秒激光器经激光分束片后分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经白光产生器产生超连续谱相干白光作为种子光(后面统称为信号光，因为种子光在OPA过程充当了未放大的信号光作用)，所述的反射光束为泵浦光，该泵浦光经所述的第一平面反射镜和第二平面反射镜与所述的信号光进入所述的光参量放大器，其特点在于，在所述的第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的泵浦光路上设置熔融石英楔板对，其中一个熔融石英楔板放置于电动平移台上，在所述的光参量放大器的输出光路上设置有闲置光分束片，在所述的闲置光分束片的反射光方向设置CEP稳定性测量装置，该CEP稳定性测量装置的输出端和计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的电动平移台的控制端相连。
所述的光参量放大器为单级或多级光参量放大器，所述的熔融石英楔板对插入任一级光参量放大器的泵浦光路中。
利用上述载波包络相位稳定性高的光参量放大系统的稳定方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①所述的光参量放大器输出的闲置光经闲置光分束片分成透射光束和反射光束，所述的CEP稳定性测量装置通过反射光束的测量所述的闲置光的CEP漂移量其中L是所述光参量晶体的厚度，Δk(t)是OPA过程引入的相位失配量；
②所述的计算机根据所述的CEP漂移量按下列公式计算出所述的电动平移台的位移量：
如图1所示，电动平移台移动导致石英楔板对插入量增加的方向为正，β是石英楔板楔角，dfus_deph(λp)是泵浦光在熔融石英材料中失相长度；
③计算机向所述的电动平移台的控制端输出命令，驱动所述的电动平移台运动移动dstag(t)，改变泵浦光路中所述的石英楔板对的插入量；
④重复上述步骤①②③，实现OPA输出CEP的稳定的闲置光。
本发明的原理如下：
根据光参量放大过程的理论分析，闲置光的载波包络相位可以通过解如下三波相互作用方程得到，
式中，是泵浦光的初始载波包络相位，是信号光的初始载波包络相位，Δk是OPA过程引入的相位失配量，Δk＝kp-ks-ki，通过实验设计使信号光与泵浦光来自同一光源，相互作用开始两者的相位差不变 (常数)，则闲置光的载波包络相位为：
上式前两项是常数，只有最后一项会因为相位失配而变化。实际激光光束方向的微小抖动都会引起相位失配项变化，晶体温度随着激光作用的时间增加而升高，也会导致相位失配Δk(t)变化，引起闲置光产生CEP的漂移为
提高载波包络稳定性的原理如图1所示：首先闲置光CEP漂移量已知(可通过CEP测量装置得到)调节石英楔板对的插入量，使泵浦光的相位增加(石英色散引起相位变化)，调节后，使OPA的泵浦光的初始相位为：
闲置光的CEP为：
从上式看出，经过楔板对调节OPA输出的闲置光是与时间无关的常数，可以实现CEP稳定的闲置光输出。
改变石英楔板对插入量(dfus)导致的泵浦光CEP引入的附加相位
其中dfus_deph是熔融石英的失相长度(n是熔融石英的折射率)，λp是泵浦光波长。对于0.8μm的光dfus_deph(λp)＝28.9μm。楔板垂直于光路放置，电动平移台沿楔板长直角边方向移动，则平移台移动大小和石英楔板插入量的对应关系是上式中的负号是由于
若维持闲置光CEP稳定，则需满足带入上式可得平移台需要移动的位移
从而实现激光载波包络相位稳定的闲置光输出。
本发明的优点：
1、本发明中采用石英楔板放置于高精度(1μm)电动平移台上的方法，可以准确控制石英楔板对的插入量，精确地调节泵浦光的CEP。
2、本发明中采用实时电动调节泵浦光的CEP来抵消闲置光的CEP漂移，可实现CEP稳定的闲置光输出。
3、本发明石英楔板对可用于光参量放大系统中的任一级，就能产生CEP稳定光源输出。
本发明的光参量放大系统能实现CEP稳定的闲置光输出，并且具有抗环境扰动的优势。为高次谐波、阿秒物理实验和太赫兹源等领域提供载波包络相位稳定的光源。
附图说明
图1为本发明载波包络相位稳定性高的光参量放大系统的结构示意图。
图2为本发明载波包络相位稳定性高的光参量放大系统一个具体实施例结构示意图。
图3为具体实施例输出的载波包络相位测量数据图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2为本发明载波包络相位稳定性高的光参量放大系统的具体实施例结构示意图。由图2可见，本发明实施例是一套三级光参量放大(OPA)系统，本发明的特征结构只是在第三级光参量放大过程(OPA3)中应用，但并不限制于本实施例中使用。
其结构包括：飞秒激光器1输出波长800nm(40fs)激光，经过三个分束片，依次反射的光作为第三级泵浦光、第二级泵浦光、第一级泵浦光。透射光引入白光产生器3提供信号光，经过第一光参量放大器(OPA1)15和第二光参量放大器(OPA2)16被放大到60μJ。在图2中第三级泵浦光路上的第一反射镜4和第二平面反射镜7之间设置熔融石英楔板对5，其中一个熔融石英楔板放置于电动平移台6上，在所述的第三光参量放大器(OPA3)8的输出光路上依次设置有闲置光分束片9、CEP稳定性测量装置10和计算机11，所述的计算机11的输出端与所述的电动平移台6的控制端相连。
所述的载波包络相位稳定性高的光参量放大系统的稳定方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①第三光参量放大器8输出的闲置光经分束片9后分成透射光束和反射光束，将所述的反射光束对入CEP稳定性测量装置10，测量CEP漂移信息；
②计算机11根据CEP漂移信息计算出电动平移台6移动的位移
③计算机向所述的电动平移台6的控制端输出命令，驱动所述的电动平移台运动移动dstag(t)，改变泵浦光路中所述的石英楔板对5的插入量；
④重复上述步骤①②③，实现OPA输出CEP的稳定的闲置光。
将闲置光12对于CEP测量装置21测量十分钟内CPE抖动的均方根(RMS)为136mrad。图3是具体实施例输出的载波包络相位的测量数据。其中图3(a)是由f-2f测量的拍频光谱，图3(b)是计算机分析拍频光谱得到的CEP。该方法可以实现激光载波包络相位的稳定，为物理实验提供更为广泛的CEP稳定的光源。
所述的CEP稳定性测量装置10,21，都是依据f-2f测量法，将待测光与其倍频光谱拍频后引入到Ocean Opitcs光谱仪(型号HR2000+)中。光谱仪测量的拍频光谱通过USB端口送入计算机11进行数据分析。
所述的具体实施例中石英楔板5楔角为β＝2°，其中一个置于PI电机平移台6(M-605.1DD)上，通过将PI控制卡(型号C-843)直接插入电脑主机卡槽，计算机11调用Labview驱动程序控制电动平移台6沿楔板长直角边方向移动。平移台6运行速度为40mm/s，移动精度为1μm。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明应用的具有代表性的例子。显然，本发明不限于在OPA3中，也不限于少周期脉冲，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、同等变化，均认为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用的载波包络相位稳定性高的光参量放大系统的稳定方法，该光参量放大系统，包括：飞秒激光器(1)、激光分束片(2)、白光产生器(3)、第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(7)和光参量放大器(8)，飞秒激光器(1)输出的光束经激光分束片(2)后分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经白光产生器(3)产生超连续谱相干白光作为信号光，所述的反射光束为泵浦光，该泵浦光经所述的第一平面反射镜(4)和第二平面反射镜(7)与所述的信号光进入所述的光参量放大器(8)，其特征在于，在所述的第一平面反射镜(4)和第二平面反射镜(7)之间的泵浦光路上设置熔融石英楔板对(5)，其中一个熔融石英楔板放置于电动平移台(6)上，在所述的光参量放大器(8)的输出光路上设置有闲置光分束片(9)，在所述的闲置光分束片(9)的反射光方向设置CEP稳定性测量装置(10)，该CEP稳定性测量装置(10)的输出端和计算机(11)的输入端相连，所述的计算机(11)的输出端与所述的电动平移台(6)的控制端相连；其特征在于该方法包括下列步骤：
①所述的光参量放大器(8)输出的闲置光经闲置光分束片(9)分成透射光束和反射光束，将所述的反射光束导入CEP稳定性测量装置(10)，测量所述的闲置光的CEP漂移量其中L是所述的光参量放大器(8)的光参量晶体的厚度，Δk(t)是光参量放大过程引入的相位失配量；
②所述的计算机(11)根据所述的CEP漂移量按下列公式计算出所述的电动平移台(6)的位移量：
其中，所述的电动平移台(6)移动导致石英楔板对插入量增加的方向为正，β是石英楔板对(5)的石英楔板的楔角，dfus_deph(λp)是泵浦光在熔融石英材料中失相长度；
③计算机向所述的电动平移台(6)的控制端输出命令，驱动所述的电动平移台运动移动dstag(t)，改变泵浦光路中所述的石英楔板对(5)的插入量；
④重复上述步骤①②③，实现OPA输出CEP的稳定的闲置光。
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