CN107247380B - 一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光技术领域，提供了一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法，双啁啾频谱光参量放大器利用飞秒激光器组件产生时间同步的泵浦光与信号光，并分别独立地经过输入光栅和输入准直透镜，使信号光和泵浦光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，在焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；然后，基于扇形的周期性极化晶体，完成所述泵浦光对信号光的全频谱的高效光参量放大，并产生宽光谱的闲频光；最后，利用分光镜将宽光谱的闲频光分离出来，并经输出准直透镜和输出光栅，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，再经必要的色散补偿，最终得到长波长的超短脉冲激光；本发明提供的光参量放大器结构简单，可以得到长波长的超短脉冲激光。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法。
背景技术
有限光学周期的长波长超短激光脉冲在物理学、化学、生物学、光电子学以及激光光谱学等领域有着重要的应用，是开展微观尺度科学研究和揭示超快物理、化学过程的重要工具。
目前，基于二阶光学非线性效应的频率下转换技术是产生长波长超短脉冲激光的有效手段。要得到高功率的超短脉冲激光，通常需具备两个必要条件：宽带宽的驱动光源和后续的多级差频，以及光参量放大。其中，驱动光源的带宽决定了种子光的频谱带宽，而差频和光参量放大的增益带宽是决定种子光是否能被有效放大且不损失频谱的关键因素。总体而言，宽频谱的驱动光源与能够提供宽带增益的光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)是目前得到高功率超短脉冲激光的常规技术手段。
光参量放大(OPA，Optical Parametric Amplifiers)的基本工作原理是由频率为ωp的泵浦光提供能量，以非线性晶体为介质，对频率为ωs的信号光进行放大，同时得到第三种频率为ωi的闲频光(ωp>ωs、ωp＝ωs+ωi)。在常规飞秒光学参量放大器中，泵浦光与信号光均为傅氏变换极限的飞秒脉冲激光，相互作用的泵浦光和信号光在非线性晶体中的群速度失配(GVM，Group velocity mismatch)限制了非线性作用的有效长度，造成较低的能量转换效率。虽然可以通过增加泵浦光的光强来弥补有效长度不足的缺点，但泵浦光的峰值光强受非线性晶体损伤阈值的限制，依然无法直接得到高功率的超短脉冲激光。为了解决这个问题，光参量啁啾脉冲放大技术被提出，通过对信号光啁啾展宽，得以在不损伤非线性晶体的前提下，使用大能量的皮秒或者纳秒脉冲激光为泵浦光，避免了群速度失配的影响；但由于非线性晶体的色散，仍难以实现单级光参量放大的宽带宽相位匹配，造成偏离中心波长的频谱分量无法得到充分的放大，限制了输出超短脉冲激光的极限带宽。
发明内容
本发明提供一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法，旨在提供一种能够产生、放大长波长超短脉冲激光的光参量放大器，来解决常规飞秒光参量放大器受限于晶体阈值与群速度失配，以及常规光参量啁啾脉冲放大器难以实现单级宽带光参量放大，从而不能得到长波长的超短脉冲激光的问题。
本发明提供了一种双啁啾频谱光参量放大器，包括：飞秒激光器组件、第一输入光栅、第二输入光栅、第一输入准直透镜、第二输入准直透镜和光学耦合镜，还包括沿光路方向依次放置的扇形的周期性极化晶体、分光镜、输出准直透镜和输出光栅；
所述飞秒激光器组件用于产生时间同步的两路飞秒脉冲激光，包括泵浦光和信号光，其中，所述泵浦光依次经过所述第一输入光栅和第一输入准直透镜，并入射至所述光学耦合镜，所述信号光依次经过所述第二输入光栅和第二输入准直透镜，并入射至所述光学耦合镜，入射的所述泵浦光及所述信号光由所述光学耦合镜耦合到一起，其中，所述泵浦光和所述信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；
从所述光学耦合镜出射的所述泵浦光和所述信号光进入所述扇形的周期性极化晶体，以扇形的周期性极化晶体为非线性介质，完成所述泵浦光对所述信号光的全频谱的光参量放大，产生放大后的信号光和衰减的泵浦光，同时产生宽光谱的闲频光；并经过所述分光镜将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，所述分离后的闲频光经过所述输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光；
其中，所述泵浦光和信号光的每部分相对独立的频谱分量都与需要的所述扇形的周期性极化晶体的极化周期对应，从而使得整个频谱区域中的每部分频谱分量都满足相位匹配条件。
进一步地，所述飞秒激光器组件包括第一飞秒激光器和第二飞秒激光器，所述第一飞秒激光器输出的泵浦光和所述第二飞秒激光器输出的信号光时间同步；或所述飞秒激光器组件包括一个飞秒激光器和一个频率转换器，所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经过所述频率转换器，得到两路时间同步的飞秒脉冲激光，其中一路作为泵浦光，另一路作为信号光。
进一步地，所述第一飞秒激光器为790nm钛宝石飞秒激光器，输出790nm 的泵浦光；所述第二飞秒激光器为1030nm飞秒激光器，输出1030nm的信号光。
进一步地，所述双啁啾频谱光参量放大器还包括：色散补偿片，所述色散补偿片设置在所述输出光栅和所述双啁啾频谱光参量放大器的输出端之间，用于补偿所述输出光栅输出的闲频光在所述扇形的周期性极化晶体内累积的群速度色散。
进一步地，所述分光镜是对信号光和泵浦光高透，对闲频光高反的双色镜；或所述分光镜是对闲频光高透，对信号光和泵浦光高反的双色镜。
本发明还提供了一种上述双啁啾频谱光参量放大器的放大方法，包括：
利用飞秒激光器组件产生时间同步的两路飞秒脉冲激光，包括泵浦光和信号光；
将所述泵浦光和所述信号光分别经过输入光栅和准直透镜，并经过光学耦合镜，使得所述泵浦光和所述信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；
基于扇形的周期性极化晶体，完成所述泵浦光对所述信号光的全频谱的光参量放大，产生放大后的信号光和衰减的泵浦光，同时产生宽光谱的闲频光；
将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，所述分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光。
进一步地，所述泵浦光和信号光的每部分相对独立的频谱分量都与需要的所述扇形的周期性极化晶体的极化周期对应，从而使得整个频谱区域中的每部分频谱分量都满足相位匹配条件。
进一步地，所述飞秒激光器组件包括第一飞秒激光器和第二飞秒激光器，所述第一飞秒激光器输出的泵浦光和所述第二飞秒激光器输出的信号光时间同步；或所述飞秒激光器组件包括一个飞秒激光器和一个频率转换器，所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经过所述频率转换器，得到两路时间同步的飞秒脉冲激光，其中一路作为泵浦光，另一路作为信号光。
进一步地，所述第一飞秒激光器为790nm钛宝石飞秒激光器，输出790nm 的泵浦光；所述第二飞秒激光器为1030nm飞秒激光器，输出1030nm的信号光。
进一步地，所述分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光，包括：
分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，并补偿所述输出光栅输出的闲频光在所述扇形的周期性极化晶体内累积的群速度色散，得到长波长的超短脉冲激光。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法，利用飞秒激光器组件产生时间同步的泵浦光和信号光，并依次经过输入光栅和输入准直透镜，泵浦光和信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；基于扇形的周期性极化晶体，完成所述泵浦光对信号光的全频谱的高效光参量放大，得到宽光谱的闲频光；将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，分离后的闲频光经输出准直透镜和输出光栅，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光；本发明相较于现有技术，通过对泵浦光和信号光加入方向相反的空间啁啾，可大幅提高闲频光的光谱带宽，而且，由于泵浦光和信号光的不同频谱分量线性地分散在焦平面上，它们的脉宽也成比例的得到展宽，从而解决了常规飞秒光参量放大器受限于晶体阈值与群速度失配的问题；通过设计扇形的周期性极化晶体的沿信号光和泵浦光频率变化方向的极化周期，使得各部分频谱分量与所需要的极化周期恰好对应，从而使得各部分频谱分量都满足相位匹配条件，实现全频谱的高效光参量放大；本发明借助高功率的泵浦源，可以直接获得高功率的长波长超短脉冲激光。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种双啁啾频谱光参量放大器的光路示意图；
图2a是本发明实施例提供的当泵浦光、信号光初始脉冲分别为35fs、100 fs时，闲频光的光谱带宽随扇形PPLN晶体极化周期变化率(μm/mm)的变化曲线示意图；
图2b是本发明实施例提供的泵浦光、信号光初始脉宽均为100fs时，闲频光的光谱带宽随扇形PPLN晶体极化周期变化率(μm/mm)的变化曲线示意图；
图3a是本发明实施例提供的常规飞秒光参量放大器(归一化)转换效率与闲频光的光谱带宽随单一极化周期的PPLN晶体长度的变化曲线示意图；
图3b是本发明实施例提供的双啁啾频谱光参量放大器(归一化)转换效率与闲频光的光谱带宽随扇形PPLN晶体长度的变化曲线示意图；
图3c是本发明实施例提供的双啁啾频谱光参量放大器(归一化)转换效率与闲频光的光谱带宽随单一极化周期的PPLN晶体长度的变化曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的一种双啁啾频谱光参量放大器的放大方法的流程示意图。
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。
由于现有技术中存在常规飞秒光参量放大器受限于晶体阈值与群速度失配，以及常规光参量啁啾脉冲放大器难以实现单级宽带光参量放大，从而不能直接得到宽带宽超短脉冲激光的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法，下面具体介绍本发明提供的技术方案的理论推导过程：
事实上，其中的理论并不复杂，信号光与泵浦光的不同频谱分量被线性地分布于不同的空间区域而非时域，假设带空间啁啾的泵浦光、信号光以及闲频光的瞬态角频率分别为ωp(x)、ωs(x)和ωi(x)。首先，必须满足能量守恒定律，即
ωi(x)＝ωp(x)-ωs(x) (1)
对带线性空间啁啾的泵浦光和信号光来说，其瞬态角频率分别等于：
ωp(x)＝ωp0+βp·x (2)
ωs(x)＝ωs0+βs·x (3)
其中，ωp0和ωs0分别表示泵浦光和信号光的中心角频率，βs＝dωs(x)/dx 和βp＝dωp(x)/dx分别表示泵浦光和信号光的线性空间啁啾。将(2)(3)代入(1)，可以得到：
ωi(x)＝(ωp0-ωs0)+(βp-βs)·x (4)
可见，信号光与泵浦光的线性啁啾(βp和βs)既决定了闲频光线性啁啾的“正负”，又决定了其最初的频谱带宽。如果信号光和泵浦光的线性啁啾符号相反，理论上，光参量放大的副产物——闲频光将拥有比信号光和泵浦光更宽的初始带宽。例如，如果信号光跟泵浦光的光谱带宽相等，闲频光的光谱带宽将是它们的两倍。
足够宽光谱的闲频光“种子”是得到高功率超短闲频光脉冲的前提，但是，光参量放大的相位匹配带宽决定了其最终可输出的最短脉宽。由于非线性晶体的色散，在反向双啁啾的工作条件下，仍难以以单块非线性晶体实现宽带宽的相位匹配。
为此，以扇形的周期性极化晶体为非线性晶体，将其设置在焦平面处，通过合理设计扇形周期性极化晶体沿信号光和泵浦光角频率变化方向的极化周期，使每部分相对独立的泵浦光和信号光的频谱分量都能够与需要的极化周期对应起来，即可实现闲频光全光谱的完美相位匹配以及高转换效率的光参量放大。
下面具体介绍本发明提供的一种双啁啾频谱光参量放大器，包括：飞秒激光器组件、第一输入光栅、第二输入光栅、第一输入准直透镜、第二输入准直透镜和光学耦合镜，还包括沿光路方向依次放置的扇形的周期性极化晶体、分光镜、输出准直透镜和输出光栅、色散补偿片；
所述飞秒激光器组件用于产生时间同步的两路飞秒脉冲激光，包括泵浦光和信号光，其中，所述泵浦光依次经过所述第一输入光栅和第一输入准直透镜，并入射至所述光学耦合镜，所述信号光依次经过所述第二输入光栅和第二输入准直透镜，并入射至所述光学耦合镜，入射的所述泵浦光及所述信号光由所述光学耦合镜耦合到一起，其中，所述泵浦光和所述信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面(也称为傅里叶平面) 呈频率变化率符号相反的空间啁啾；从所述光学耦合镜出射的所述泵浦光和所述信号光进入所述扇形的周期性极化晶体，以扇形的周期性极化晶体为非线性介质，完成所述泵浦光对所述信号光的全频谱的高效光参量放大，产生放大后的信号光和衰减的泵浦光，同时产生宽光谱的闲频光；并经过所述分光镜将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，所述分离后的闲频光经过所述输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换；所述色散补偿片设置在所述输出光栅与所述双啁啾频谱光参量放大器的输出端之间的光路上，用于补偿所述输出光栅输出的闲频光在所述扇形的周期性极化晶体内累积的群速度色散，得到长波长的超短脉冲激光。
具体地，本发明提供的扇形的周期性极化晶体设置在焦平面处，以扇形的周期性极化晶体为非线性晶体，通过合理设计扇形周期性极化晶体沿信号光和泵浦光频率变化方向的极化周期，使每部分相对独立的泵浦光和信号光的频谱分量都能够与需要的极化周期对应起来，从而使得每部分频谱分量都满足相位匹配条件，实现全频谱的高效光参量放大，并得到宽光谱的闲频光。
具体地，所述飞秒激光器组件包括第一飞秒激光器和第二飞秒激光器，所述第一飞秒激光器输出的泵浦光和所述第二飞秒激光器输出的信号光时间同步；或所述飞秒激光器组件包括一个飞秒激光器和一个频率转换器，所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经过所述频率转换器，得到两路时间同步的飞秒脉冲激光，其中一路作为泵浦光，另一路作为信号光。
具体地，第一输入光栅、第二输入光栅以及输出光栅的工作波长分别对应泵浦光、信号光以及闲频光的激光波长。
具体地，所述分光镜是对信号光和泵浦光高透，对闲频光高反的双色镜；或所述分光镜是对闲频光高透，对信号光和泵浦光高反的双色镜，无论是前述哪种双色镜，目的都是为了将放大后的信号光、衰减的泵浦光与闲频光分离，并对分离出的闲频光继续后续的处理步骤。
本发明提供的一种双啁啾频谱光参量放大器，通过对泵浦光和信号光加入方向相反的空间啁啾，可大幅提高闲频光的光谱带宽，而且，由于泵浦光和信号光的不同频谱分量线性地分散在焦平面上，它们的脉宽也成比例的得到展宽，从而解决了常规飞秒光参量放大器受限于晶体阈值与群速度失配的问题；通过设计扇形的周期性极化晶体的沿信号光和泵浦光频率变化方向的极化周期，使得各部分频谱分量与所需要的极化周期恰好对应，从而使得各部分频谱分量都满足相位匹配条件，实现全频谱的高效光参量放大；本发明借助高功率的泵浦源，可以直接获得高功率的长波长超短脉冲激光，极大简化了装置的复杂程度。理论上，利用百飞秒的商品化近红外激光源即可以高转换率得到有限光学周期的中红外脉冲激光，借助高功率的泵浦源可直接产生高功率的中红外超短脉冲激光。
下面举一具体实施例介绍这种双啁啾频谱光参量放大器，如图1所示，包括：第一近红外飞秒激光器101、第二近红外飞秒激光器102、第一输入光栅 103、第二输入光栅104、第一输入准直透镜105、第二输入准直透镜106、光学耦合镜107、周期性极化晶体108、分光镜109、输出准直透镜110、输出光栅111、色散补偿片112。
其中，所述第一近红外飞秒激光器101和所述第二近红外飞秒激光器102 时间同步，所述第一近红外飞秒激光器101为790nm钛宝石飞秒激光器，其输出的790nm飞秒脉冲激光为所述双啁啾频谱光参量放大器的泵浦光，所述第二近红外飞秒激光器102为1030nm飞秒激光器，其输出的1030nm飞秒脉冲激光为所述双啁啾频谱光参量放大器的信号光。
其中，所述泵浦光依次经过所述第一输入光栅103、第一输入准直透镜105，并入射至所述光学耦合镜，所述信号光依次经过所述第二输入光栅104、第二输入准直透镜106，并入射至所述光学耦合镜，完成空间啁啾展宽，信号光与泵浦光的不同频谱分量被线性地分布于不同的空间区域而非时域。然后，从所述第一输入光栅103出射的泵浦光和所述第二输入光栅104出射的信号光经光学耦合镜107耦合到一起并出射后，790nm飞秒脉冲激光与1030nm飞秒脉冲激光一同进入所述周期性极化晶体108，以790nm飞秒脉冲激光为泵浦光，对 1030nm飞秒脉冲激光进行光参量放大，并得到同样带有线性空间啁啾的3.4μm 中红外闲频光。
事实上，由于泵浦光与信号光在所述周期性极化晶体108内呈频率变化率符号相反的线性空间啁啾，要实现全频谱的有效光参量放大，要求相对独立的不同空间区域的不同频谱分量均能够满足相位匹配，为此，以扇形的周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)为所述周期性极化晶体108。由于扇形PPLN晶体横向的极化周期可按照使用的需要任意设计，不同空间区域的不同频谱分量满足相位匹配所需的非统一的相位匹配条件正好可以以线性变化的极化周期来实现，进而使中红外闲频光的所有频谱成分都能得到有效放大，得到宽光谱的闲频光。所述周期性极化晶体108输出的混合光经所述分光镜109，将放大后的信号光与残留的泵浦光滤除，仅剩余3.4μm的中红外闲频光。最后经所述输出准直透镜110和输出光栅111，完成闲频光由频谱域到时间域的傅里叶变换，再经所述色散补偿片112对所述闲频光在所述周期性极化晶体108内累积的群速度色散进行补偿，最终得到3.4μm的中红外超短脉冲激光。
具体的，如果信号光与泵浦光有着相同的光谱带宽、相同的初始光斑以及相同的啁啾展宽倍数，闲频光的光谱带宽将是它们的两倍，对应的，焦平面内闲频光的空间啁啾率
则变为原来的1/2。与常规的4f光学系统不同，本发明所用光学系统为“2f1-2f2”光学系统，除了需要在光学系统的入射以及出射端，分别使用针对不同激光波长的光栅(或者棱镜)，输入、输出端准直透镜的焦距f1、f2相对独立。假设闲频光跟入射的信号光、泵浦光有着相同的发散特性，经过后半程的“2f2”空间传输，如果f1＝f2，闲频光进入输出光栅时的角色散大致为输入光栅所提供角色散的1/2。
需要说明的是，3.4μm闲频光的光谱带宽取决于扇形PPLN晶体极化周期的变化率，只有在合适的极化周期结构下，相对独立的不同信号光、泵浦光频谱分量之间的非线性过程都满足完美相位匹配，才能得到带宽最宽的闲频光以及最高的转换效率。而所述最优的极化周期结构(即极化周期的变化率)，取决于泵浦光、信号光的初始脉宽，以及泵浦光、信号光的啁啾展宽倍数(即焦平面处，空间啁啾展宽后的椭圆形光斑的长宽比)。这是因为，在固定的光斑范围内，信号光、泵浦光的带宽决定了它们各自不同频谱分量之间的离散程度，也决定了信号光与泵浦光频谱分量之间的重叠关系，显然，对不同的频谱分量之间的重叠关系，其最优的极化周期变化率也各不相同。反之亦然，对一定的信号光和泵浦光，改变信号光和泵浦光的啁啾展宽倍数，也会改变极化周期变化率的最优值。这一特点为实施本发明实施例提供了便利，既降低了对扇形PPLN 晶体加工精度的要求，不同初始脉宽的同一非线性过程还可以通过选择合适的空间展宽倍数，使重叠的不同频谱分量都能够在现有的扇形PPLN晶体找到合适的极化周期，无须重复设计针对不同初始脉宽的扇形PPLN晶体。
进一步的，基于5mm的扇形PPLN晶体，我们对790nm泵浦光与1030nm 信号光的初始脉宽分别为35fs与100fs，以及100fs与100fs的两种不同情况进行了数值模拟，验证最优极化周期变化率与脉宽之间的关系，具体如图2a 和2b所示。我们做了以下设定：初始泵浦光和信号光的光斑口径相等；经空间啁啾展宽，展宽后的椭圆形光斑的长宽比均为5:1，且非展宽维度的长度均为 1mm(1/e2全宽，即仅包含单一频谱分量的准单色光的光斑口径)。不考虑群速度失配对结果的影响，假设每一空间区域相互作用的信号光、泵浦光均为准连续光。信号光、泵浦光的中心频率都能够在扇形PPLN入射截面的中心区域满足相位匹配。非线性晶体为极化周期沿信号光和泵浦光频率变化方向线性变化的扇形PPLN晶体。仿真结果如图2a和2b所示，图中给出了这两种不同初始脉宽情况下，闲频光带宽随扇形PPLN晶体极化周期变化率(μm/mm)的变化曲线。可见，不同的极化周期变化率会得到不同带宽的闲频光，只有在极化周期变化率的最优值附近，相对独立的不同信号光、泵浦光频谱分量之间的非线性过程都满足完美相位匹配，才能得到光谱带宽最宽的闲频光，而不同脉宽需要的最优极化周期变化率也各不相同。
进一步的，我们对所述双啁啾频谱光参量放大器的性能进行了数值仿真，并与常规的飞秒光参量放大器进行了对比。在本发明实施例中，790nm泵浦光与1030nm信号光的脉宽均为100fs。在焦平面，泵浦光与信号光的光斑均带有 100倍的空间啁啾，对应的，其脉宽也展宽至原来的100倍，为10ps。为了利用PPLN晶体最大的非线性系数d33，采用了0类准相位匹配，泵浦光、信号光以及闲频光均为e偏振。假设泵浦光、信号光光斑沿啁啾展宽方向的直径为50 mm，另一维度光斑直径为0.5mm(1/e2全宽)，所用扇形PPLN晶体入射截面中心的极化周期为22μm，极化周期变化率为～0.01μm/mm，即扇形PPLN晶体沿空间啁啾方向每经过1mm，极化周期变化～0.01μm。在实际应用中，皮秒脉冲激光的破坏阈值要显著小于飞秒脉冲激光，一般地，晶体破坏阈值与脉宽的平方根成反比。为得到相当的增益，皮秒脉冲激光需要使用更长的非线性晶体。为了尽可能接近实际地反应这两种不同类型光参量放大器的表现，所述双啁啾频谱光参量放大器的泵浦光强为飞秒光参量放大器的1/10，与此同时，其所用晶体长度也相应的增加101/2。
图3a、b分别给出了小信号情况下，常规飞秒光参量放大器和双啁啾频谱光参量放大器(归一化)转换效率与闲频光的光谱带宽随晶体长度的变化曲线。对图中的任意数据点，泵浦光强平方与晶体长度的乘积(即I2L)为定值，在理想情况下(GVM＝0)，都能得到相当的转换效率和闲频光光谱。可以看到，因为信号光和泵浦光的混频效应，飞秒OPA得到的闲频光光谱明显宽于信号光和泵浦光的初始光谱，虽然缺少飞秒OPA的混频效应，所述双啁啾频谱光参量放大器依旧能够克服由于增益不均匀导致的增益带宽窄化，得到比入射泵浦光频谱更宽的闲频光。随着晶体长度的增加，得益于飞秒OPA的混频效应，闲频光的光谱带宽依然表现良好，但由于相互作用的脉冲激光间的快速走离，其转换效率出现了显著下降；与之对应的是，所述双啁啾频谱光参量放大器无论是转换效率，还是闲频光带宽，都有较为稳定的表现。图3c还给出了未使用扇形PPLN晶体，使用只有单一极化周期的常规PPLN晶体时的结果。可见，长脉宽减小了群速度失配对参量放大有效长度的影响，与飞秒OPA相比，随晶体长度的增加，转换效率的恶化要缓慢得多，但其增益带宽仍受到群速度失配的限制，总体表现为转换效率与带宽的同步下降。
本发明实施例提供的一种双啁啾频谱光参量放大器，巧妙地解决了常规飞秒光参量放大器受限于晶体阈值与群速度失配，以及常规光参量啁啾脉冲放大器难以实现单级宽带光参量放大，从而不能直接得到宽带宽超短脉冲激光的问题，本发明实施例借助高功率的泵浦源，可以直接获得高功率的长波长超短脉冲激光(即闲频光)。
本发明还提供了一种上述双啁啾频谱光参量放大器的放大方法，如图4所示，包括：
步骤S101，利用飞秒激光器组件产生时间同步的两路飞秒脉冲激光，包括泵浦光和信号光；
具体地，所述飞秒激光器组件包括第一飞秒激光器和第二飞秒激光器，所述第一飞秒激光器输出的泵浦光和所述第二飞秒激光器输出的信号光时间同步；或所述飞秒激光器组件包括一个飞秒激光器和一个频率转换器，所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经过所述频率转换器，得到两路时间同步的飞秒脉冲激光，其中一路作为泵浦光，另一路作为信号光。
步骤S102，将所述泵浦光和所述信号光分别经过输入光栅和准直透镜，并经过光学耦合镜，使得所述泵浦光和所述信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；
步骤S103，基于扇形的周期性极化晶体，完成所述泵浦光对所述信号光的全频谱的高效光参量放大，产生放大后的信号光和衰减的泵浦光，同时产生宽光谱的闲频光；
具体地，本发明提供的扇形的周期性极化晶体设置在焦平面处，通过合理设计所述扇形的周期性极化晶体沿信号光和泵浦光频率变化方向的极化周期，使得每部分相对独立的泵浦光和信号光的频谱分量都与需要的极化周期恰好对应，从而使得每部分频谱分量都满足相位匹配条件。
步骤S104，将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，所述分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光。
具体地，分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，并补偿所述输出光栅输出的闲频光在所述扇形的周期性极化晶体内累积的群速度色散，得到长波长的超短脉冲激光。
本发明实施例提供的一种双啁啾频谱光参量放大器的放大方法，通过对泵浦光和信号光加入方向相反的空间啁啾，可大幅提高闲频光的光谱带宽，而且，由于泵浦光和信号光的不同频谱分量线性地分散在焦平面上，它们的脉宽也成比例的得到展宽，这也极大缓解了群速度失配对非线性相互作用的影响；再以扇形的周期性极化晶体为非线性晶体，实现宽带宽的准相位匹配。本发明实施例巧妙地解决了常规飞秒光参量放大器受限于晶体阈值与群速度失配，以及常规光参量啁啾脉冲放大器难以实现单级宽带光参量放大，从而不能直接得到宽带宽超短脉冲激光的问题，借助高功率的泵浦源，本发明实施例可以直接获得高功率的长波长超短脉冲激光(即闲频光)。
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 (10)
1.一种双啁啾频谱光参量放大器，其特征在于，包括：飞秒激光器组件、第一输入光栅、第二输入光栅、第一输入准直透镜、第二输入准直透镜和光学耦合镜，还包括沿光路方向依次放置的扇形的周期性极化晶体、分光镜、输出准直透镜和输出光栅；
所述飞秒激光器组件用于产生时间同步的两路飞秒脉冲激光，包括泵浦光和信号光，其中，所述泵浦光依次经过所述第一输入光栅和第一输入准直透镜，并入射至所述光学耦合镜，所述信号光依次经过所述第二输入光栅和第二输入准直透镜，并入射至所述光学耦合镜，入射的所述泵浦光及所述信号光由所述光学耦合镜耦合到一起，其中，所述泵浦光和所述信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；
从所述光学耦合镜出射的所述泵浦光和所述信号光进入所述扇形的周期性极化晶体，以扇形的周期性极化晶体为非线性介质，完成所述泵浦光对所述信号光的全频谱的光参量放大，产生放大后的信号光和衰减的泵浦光，同时产生宽光谱的闲频光；并经过所述分光镜将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，所述分离后的闲频光经过所述输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光；
其中，所述泵浦光和信号光的每部分相对独立的频谱分量都与需要的所述扇形的周期性极化晶体的极化周期对应，从而使得整个频谱区域中的每部分频谱分量都满足相位匹配条件；
所述泵浦光与所述信号光的空间啁啾量可以独立调整，通过调整所述泵浦光与所述信号光的瞬态角频率的对应关系，再配合对所述泵浦光与所述信号光啁啾展宽倍数的整体调整，可以在满足宽带相位匹配的同时，实现对输出闲频光的带宽的调控。
2.如权利要求1所述的双啁啾频谱光参量放大器，其特征在于，所述飞秒激光器组件包括第一飞秒激光器和第二飞秒激光器，所述第一飞秒激光器输出的泵浦光和所述第二飞秒激光器输出的信号光时间同步；或所述飞秒激光器组件包括一个飞秒激光器和一个频率转换器，所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经过所述频率转换器，得到两路时间同步的飞秒脉冲激光，其中一路作为泵浦光，另一路作为信号光。
3.如权利要求2所述的双啁啾频谱光参量放大器，其特征在于，所述第一飞秒激光器为790nm钛宝石飞秒激光器，输出790nm的泵浦光；所述第二飞秒激光器为1030nm飞秒激光器，输出1030nm的信号光。
4.如权利要求1所述的双啁啾频谱光参量放大器，其特征在于，所述双啁啾频谱光参量放大器还包括：色散补偿片，所述色散补偿片设置在所述输出光栅和所述双啁啾频谱光参量放大器的输出端之间，用于补偿所述输出光栅输出的闲频光在所述扇形的周期性极化晶体内累积的群速度色散。
5.如权利要求1所述的双啁啾频谱光参量放大器，其特征在于，所述分光镜是对信号光和泵浦光高透，对闲频光高反的双色镜；或所述分光镜是对闲频光高透，对信号光和泵浦光高反的双色镜。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的双啁啾频谱光参量放大器的放大方法，其特征在于，包括：利用飞秒激光器组件产生时间同步的两路飞秒脉冲激光，包括泵浦光和信号光；将所述泵浦光和所述信号光分别经过输入光栅和准直透镜，并经过光学耦合镜，使得所述泵浦光和所述信号光的不同频谱分量线性地分散聚焦在各自的焦点，并在各自的焦点所在的焦平面呈频率变化率符号相反的空间啁啾；基于扇形的周期性极化晶体，完成所述泵浦光对所述信号光的全频谱的光参量放大，产生放大后的信号光和衰减的泵浦光，同时产生宽光谱的闲频光；将放大后的信号光、衰减的泵浦光与所述闲频光分离，所述分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光。
7.如权利要求6所述的放大方法，其特征在于，所述泵浦光和信号光的每部分相对独立的频谱分量都与需要的所述扇形的周期性极化晶体的极化周期对应，从而使得整个频谱区域中的每部分频谱分量都满足相位匹配条件。
8.如权利要求6所述的放大方法，其特征在于，所述飞秒激光器组件包括第一飞秒激光器和第二飞秒激光器，所述第一飞秒激光器输出的泵浦光和所述第二飞秒激光器输出的信号光时间同步；或所述飞秒激光器组件包括一个飞秒激光器和一个频率转换器，所述飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光经过所述频率转换器，得到两路时间同步的飞秒脉冲激光，其中一路作为泵浦光，另一路作为信号光。
9.如权利要求8所述的放大方法，其特征在于，所述第一飞秒激光器为790nm钛宝石飞秒激光器，输出790nm的泵浦光；所述第二飞秒激光器为1030nm飞秒激光器，输出1030nm的信号光。
10.如权利要求8所述的放大方法，其特征在于，所述分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，得到长波长的超短脉冲激光，包括：
分离后的闲频光经过输出准直透镜和输出光栅后，完成由频谱域到时间域的傅里叶变换，并补偿所述输出光栅输出的闲频光在所述扇形的周期性极化晶体内累积的群速度色散，得到长波长的超短脉冲激光。
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