CN108281877A - 基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统，涉及激光脉冲放大技术领域，该基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统包括色散模块、光参量转换模块、光学延迟模块和反射模块；频谱待整形的啁啾激光脉冲经过色散模块后，不同频率的光被色散模块色散开后分别以不同的入射角进入光参量转换模块，泵浦光脉冲依次经过光学延迟模块、反射模块后以与啁啾激光脉冲不共线的入射角进入光参量转换模块，啁啾激光脉冲与泵浦光脉冲在光参量转换模块内发生能量转移后，由光参量转换模块发射出实现啁啾激光脉冲的频谱整形，以缓解现有技术中所使用的啁啾激光脉冲频谱整形系统对信号光能量的利用率较低，且相对使用灵活性较低等技术问题。

Description

基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统
技术领域
本发明涉及激光脉冲放大技术领域，尤其涉及一种基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统。
背景技术
自激光脉冲出现以来，就一直朝着脉宽越来越短、强度越来越高的的方向发展。超短、超强的激光脉冲具有强电场、强磁场、高压强等极端的物理条件，已成为人们在强场物理、快点火、材料科学、飞秒加工等领域开展研究的强有力工具。自1985年D.Strcik和G.Mourou将微波波段的啁啾雷达技术引入激光脉冲的放大领域，进而形成啁啾脉冲放大技术后，高功率超短激光脉冲的发展便开始了一个新的征程。迄今为止，世界上多个实验室和研究机构均采用CPA技术作为主放，并先后获得了峰值功率在PW及以上量级的超短脉冲输出。尽管利用CPA技术已经较容易获得超高强度超短激光脉冲，但它仍然存在一些缺点，如在在放大过程中伴随着较强的放大自发辐射(ASE)，影响压缩后脉冲的对比度；其次，CPA放大系统所用的增益介质长、能量提取有限所导致的热效应严重、易产生自聚焦以及放大过程中单通增益低等缺陷；此外，不可忽视的是，放大过程中的光谱增益窄化、增益饱和效应比较明显，影响再压缩后的脉冲达不到原来的宽度。
常用的脉冲频谱整形方法主要有：F-P标准具、双折射滤光片、可编程声光色散滤波器(AOPDF)、光强度调制器等。从本质上来说这些方法都是利用滤波器不同频率成分的透射率来达到脉冲中心频率附近透过率低于两侧频率成分的透射率，以此使脉冲频谱形状趋于平顶或中间凹陷的分布，从而扩展频谱宽度以补偿放大过程中的增益窄化。利用这类线性滤波技术，虽然可以使频谱宽度增大一至两倍左右，达到上百nm的带宽，且使频谱得到整形，但通常情况下从再生腔出来的脉冲对比度或信噪比较低；此外，几乎所有这些方法都是限幅或削波的形式，以损失能量为代价，信号光能量的利用率并不高；最后，F-P标准具、双折射滤光片这类滤波元件一般只能用于一种信号光频谱的整形，对于想得到任意形状的频谱分布，则需要重新设计器件，显得灵活性较低。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统，以缓解现有技术中所使用的啁啾激光脉冲频谱整形系统对信号光能量的利用率较低，且相对使用灵活性较低等技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统，包括色散模块、光参量转换模块、光学延迟模块和反射模块；
所述色散模块用于将啁啾激光脉冲中不同频率的光色散开，所述光参量转换模块用于将啁啾激光脉冲的能量放大，所述光学延迟模块用于调节泵浦光脉冲相对啁啾激光脉冲到达光参量转换模块的时延，所述反射模块用于改变泵浦光脉冲的光路方向；
频谱待整形的啁啾激光脉冲经过所述色散模块后，不同频率的光被所述色散模块色散开后分别以不同的入射角进入所述光参量转换模块，泵浦光脉冲依次经过所述光学延迟模块、所述反射模块后以与啁啾激光脉冲不共线的入射角进入所述光参量转换模块，所述啁啾激光脉冲与所述泵浦光脉冲在所述光参量转换模块内发生能量转移后，由所述光参量转换模块发射出。
进一步的，所述光参量转换模块采用光参量放大晶体；
所述光参量放大晶体将所述泵浦光脉冲的能量转移至所述啁啾激光脉冲，使得所述啁啾激光脉冲的能量增加。
进一步的，所述色散模块采用棱镜元件；
频谱待整形的所述啁啾激光脉冲经过所述棱镜元件发生色散，从而使得不同频率的光色散开后获得不同的入射角。
进一步的，所述色散模块采用光栅元件；
频谱待整形的所述啁啾激光脉冲经过所述光栅元件发生色散，从而使得不同频率的光色散开后获得不同的入射角。
进一步的，所述反射模块采用第一反射镜；
所述第一反射镜用于反射入射来的所述泵浦光脉冲，并将所述泵浦光脉冲反射至所述光参量放大晶体内。
进一步的，所述光学延迟模块包括多个第二反射镜，且多个所述第二反射镜依次排列。
进一步的，还包括第一激光发射模块；
所述第一激光发射模块设置在所述色散模块的前方；
所述第一激光发射模块用于发射所述啁啾激光脉冲。
进一步的，还包括第二激光发射模块；
所述第二激光发射模块设置在所述反射模块的前方；
所述第二激光发射模块用于发射所述泵浦光脉冲。
进一步的，所述光参量放大晶体采用BBO晶体。
进一步的，经所述光参量放大晶体发射出的光包括频谱整形后的所述啁啾激光脉冲和能量减小的所述泵浦光。
进一步的，经所述光参量放大晶体发射出的光还包括新产生的闲频光。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统，包括色散模块、光参量转换模块、光学延迟模块和反射模块，频谱待整形的啁啾激光脉冲入射至色散模块，使得不同频率的光被色散模块色散开，进而使得色散后的不同频率光以不同的入射角进入光参量转换模块；同时，泵浦光脉冲依次经过光学延迟模块、反射模块，以不同于啁啾激光脉冲的入射角入射进入光参量转换模块，进而使得泵浦光脉冲与色散后的不同频率的啁啾激光脉冲在光参量转换模块内耦合作用，发生能量转换，进而使得泵浦光脉冲的部分能量能够转移至啁啾激光脉冲上，且不同频率的光能够分别与泵浦光发生能量转移，即不同频率的光以不同的非共线角入射至光参量转换模块，进而使得每一个频率的光的波矢、泵浦光脉冲的波矢以及闲频光的波矢共同构成矢量三角形，进而最大限度的保证各个频率的光实现与泵浦光脉冲以及闲频光之间的相位匹配，从而提高了泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲之间的能量转换效率，以及增加了由光参量转换模块出射后的啁啾激光脉冲的光谱带宽；利用在光参量转换模块中使得泵浦光脉冲的部分能量转移至啁啾激光脉冲，使得啁啾激光脉冲的能量得到放大，从而增加了能量的利用率；同时，在泵浦光脉冲经过的光路上设置有光学延迟模块，通过光学延迟模块调节泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲到达光参量转换模块的时间差，即泵浦光脉冲相对啁啾激光脉冲的时延，从而灵活的调整放大后的啁啾激光脉冲的频谱的频移，从而更有效的克服了增益窄化、光谱红移等不良的光学效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一提供的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统的示意图；
图2为实施例一提供的啁啾激光脉冲、泵浦光脉冲以及闲频光的相位匹配示意图；
图3为实施例一提供的不同角色散率时非共线角偏移量随波长变化的示意图；
图4为实施例一提供的啁啾激光脉冲相对泵浦光脉冲不同时延下的频谱分布示意图；
图5为实施例一提供的啁啾激光脉冲频谱整形后的示意图。
图标：10-色散模块；20-光参量转换模块；30-反射模块；40-光学延迟模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
如图1-5所示，本实施例提供的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统，包括色散模块10、光参量转换模块20、光学延迟模块40和反射模块30；色散模块10用于将啁啾激光脉冲中不同频率的光色散开，光参量转换模块20用于使入射至晶体的泵浦光和啁啾激光脉冲发生参量耦合作用，光学延迟模块40用于调节泵浦光脉冲相对啁啾激光脉冲到达光参量转换模块20的时延，反射模块30用于改变泵浦光脉冲的光路方向；频谱待整形的啁啾激光脉冲经过色散模块10后，不同频率的光被色散模块10色散开，色散后的光以不同的入射角进入光参量转换模块20，外置泵浦光脉冲依次经过光学延迟模块40、反射模块30反射至光参量转换模块20，啁啾激光脉冲与泵浦光脉冲在光参量转换模块20内发生能量转移后，由光参量转换模块20发射出。
具体的，该啁啾激光脉冲频谱整形系统包括色散模块10、光参量转换模块20、光学延迟模块40和反射模块30，频谱待整形的啁啾激光脉冲入射至色散模块10，使得不同频率的光被色散模块10色散开，色散后的不同频率光以不同的入射角进入光参量转换模块20；同时，外置的泵浦光脉冲依次经过光学延迟模块40、反射模块30，以不同于啁啾激光脉冲的入射角入射进入光参量转换模块20，且泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲分别以不同的入射角进入光参量转换模块20，即泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲以非共线的形式入射至光参量转换模块20，进而使得泵浦光脉冲与色散后的不同频率的啁啾激光脉冲在光参量转换模块20内耦合作用，发生能量转换，使得泵浦光脉冲的部分能量能够转移至啁啾激光脉冲上，且不同频率的光能够分别与泵浦光发生能量转移，即不同频率的光以不同的非共线角入射至光参量转换模块20，进而使得每一个频率的光的波矢、泵浦光脉冲的波矢以及闲频光的波矢共同构成矢量三角形,进而保证了各个频率的光实现与泵浦光脉冲以及闲频光的相位匹配，从而提高了泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲之间的能量转换效率，以及增加了由光参量转换模块20出射后的啁啾激光脉冲的光谱带宽。
其中，经过色散模块10色散后的啁啾激光脉冲，其不同频率的光在空间被色散开，而不同频率的光即不同波长的光，在某一固定相位匹配角下，不同波长的光对应着不同的非共线角，进而才能够满足该某一波长的相位匹配；在通常情况下，在光参量转换模块20中作用时，只能满足单一频率的完全相位匹配条件；因此，为了使啁啾信号脉冲频谱范围内更多的波长成分满足相位匹配，使啁啾信号脉冲放大后频谱较宽，则可以采用该基于光谱角色散的频谱整形方式，让啁啾激光脉冲中的各频率成分以不同的非共线角入射至光参量转换模块20，使每一个信号波矢和泵浦光波矢以及相应的闲频光波矢共同构成矢量三角形，达到信号光每个频率都满足相位匹配。
同时，在对啁啾激光脉冲进行参量作用后，即当啁啾激光脉冲通过光参量转换模块20时，能够从入射至光参量转换模块20中的泵浦光脉冲获得部分能量的增益，这种增益方式相比于线性滤波等方式的频谱整形技术而言，啁啾激光脉冲的能量得到了放大，进而增加了能量的利用率；同时，在泵浦光脉冲经过的光路上设置有光学延迟模块40，通过光学延迟模块40调节泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲到达光参量转换模块20的时间差，即泵浦光脉冲相对啁啾激光脉冲的时延，从而灵活的调整放大后的啁啾激光脉冲的频谱的频移，从而更有效的克服了增益窄化、光谱红移等不良的光学效应。
如图2所示，标号A为啁啾激光脉冲色散后不同频率的波矢，标号B为泵浦光脉冲的波矢。
如图3所示，是啁啾激光脉冲经过色散模块1030，不同角色散率时非共线角偏移量随波长变化的示意图。
如图5所示，其中，横坐标为波长，纵坐标为相对强度，标号D图形代表需要进行频谱整形的啁啾激光脉冲的频谱分布图，标号C图形代表完成频谱整形的频谱分布图。
在本实施例可选的方案中，如图1-5所示，色散模块10采用棱镜元件；频谱待整形的啁啾激光脉冲经过棱镜元件发生色散，从而使得不同频率的光色散开后获得不同的入射角。
具体的，色散模块10可以采用棱镜元件，色散模块10主要是用于将待整形的啁啾激光脉冲中不同频率的成分光色散开，即将不同频率的啁啾激光脉冲在空间上色散开，从而使得啁啾激光脉冲中不同频率的光以不同的入射角入射至光参量转换模块20，从而最大限度地保证各频率成分的相位匹配，进而提高参量转换效率和输出光谱带宽。
其中，啁啾激光脉冲的放大过程能够分为共线和非共线两种方式，在共线参量过程中，信号光(即啁啾激光脉冲)、泵浦光(即泵浦光脉冲)以及闲频光的各个光束的波矢方向处于同一条直线上，而在非共线参量过程中，信号光(即啁啾激光脉冲)、泵浦光(即泵浦光脉冲)以及闲频光的各个光束的波矢方向不处于同一条直线上，各个光束之间时存在有一定的夹角，在参量作用后不需要分光原件即可自动分离，且在较大波长范围内能够实现群速度匹配，具有更好的实用性；当上述的三个光束满足完全相位匹配后，即可得到最大的转换效率，但是若存在相位失配，转换效率会降低。
类似的，色散模块10采用光栅元件；频谱待整形的啁啾激光脉冲经过光栅元件，使得不同频率的光色散开并获得不同的入射角。
具体的，光栅是由大量等宽间距的平行刻痕构成的光学器件。
在本实施例可选的方案中，如图1-5所示，光参量转换模块20采用光参量放大晶体；光参量放大晶体将泵浦光脉冲的能量转移至啁啾激光脉冲，使得啁啾激光脉冲的能量增加。
具体的，光参量转换模块20主要用于将使得泵浦光脉冲的能量转移至啁啾激光脉冲，使得啁啾激光脉冲发生光谱增益，故而，光参量转换模块20采用光参量放大晶体，通过光参量放大晶体使得啁啾激光脉冲和泵浦光脉冲发生参量转换过程。
进一步的，光参量放大晶体能够采用BBO晶体。
具体的，BBO晶体本名为b-BaB2O4晶体，是一种常用的非线性晶体，性能良好，具有极宽的透光范围，较大的相匹配角，较大的非线性系数，较高的抗光损伤阈值，宽带的温度匹配以及优良的光学均匀性，从紫外到中红外范围内的非线性频率转换性能非常好。
需要注意的是，此处的光参量放大晶体不仅仅限制于采用BBO晶体，还可以采用其他能够实现泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲之间能量转移的光参量晶体。
在本实施例可选的方案中，如图1-5所示，反射模块30采用第一反射镜；第一反射镜用于反射入射来的泵浦光脉冲，并将泵浦光脉冲反射至光参量放大晶体内。
具体的，反射模块30是用于将入射的泵浦光脉冲反射至光参量放大晶体，即反射模块30能够改变泵浦光脉冲的光路方向。
其中，反射模块30采用第一反射镜，第一反射镜是利用反射定律工作的光学元件，第一反射镜只改变光路的前行方向。
在本实施例可选的方案中，如图1-5所示，光学延迟模块40包括多个第二反射镜，且多个第二反射镜依次排列。
具体的，光学延迟模块40用于调整泵浦光脉冲与啁啾激光脉冲之间的时延，即延长或缩短了泵浦光脉冲相对于啁啾激光脉冲到达光参量转换模块20的时间。
其中，在光学延迟模块40内设置有多个第二反射镜，且多个第二反射镜依次排列，泵浦光脉冲需要依次经过多个第二反射镜，进而与啁啾激光脉冲之间形成时间差，也就是时延，时延对啁啾激光脉冲放大后的频谱具有积极的作用，能够克服光谱红移等不良光学效应。
在本实施例可选的方案中，如图1-5所示，还包括第一激光发射模块；第一激光发射模块设置在色散模块10的前方，第一激光发射模块用于发射啁啾激光脉冲。
具体的，第一激光发射模块用于发射出频谱分布呈高斯函数形的啁啾激光脉冲。
其中，啁啾激光脉冲是一种频率随着时间呈线性变化的激光脉冲，即频率是时间的正比例函数，一般由超短脉冲经过展宽器展宽获得；故而，激光发射模块包括激光发射器和展宽器，激光发射器用于发射超短激光脉冲，展宽器用于将超短激光脉冲展宽形成啁啾激光脉冲。
其中，超短激光脉冲的脉冲持续时间一般小于10-12秒，啁啾激光脉冲的持续时间大约在ns(纳秒)量级，即10-9秒左右。
其中，展宽器是使超短激光脉冲的时间加长，最终变成脉宽较宽的脉冲信号。
进一步的，还包括第二激光发射模块；第二激光发射模块设置在反射模块30的前方；第二激光发射模块用于发射泵浦光脉冲。
在本实施例可选的方案中，如图1-5所示，经光参量放大晶体发射出的光包括频谱整形后的啁啾激光脉冲和能量减小的泵浦光脉冲。
具体的，光参量放大晶体用于将泵浦光脉冲的部分能量转移至啁啾激光脉冲，实现啁啾激光脉冲的频谱增益，进而将增益后的啁啾激光脉冲发射出，同时能量减小的泵浦光脉冲也通过光参量放大晶体发射出。
进一步的，经光参量放大晶体发射出的光还包括新产生的闲频光。
具体的，在泵浦光脉冲和啁啾激光脉冲发生能量转移的过程中，也会新产生闲频光，从而使得啁啾激光脉冲、泵浦光脉冲以及闲频光以满足能量守恒和动量守恒。
其中，出射后闲频光一般不做使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统，其特征在于，包括色散模块、光参量转换模块、光学延迟模块和反射模块；
所述色散模块用于将啁啾激光脉冲中不同频率的光色散开，所述光参量转换模块用于将啁啾激光脉冲的能量放大，所述光学延迟模块用于调节泵浦光脉冲相对啁啾激光脉冲到达光参量转换模块的时延，所述反射模块用于改变泵浦光脉冲的光路方向；
频谱待整形的啁啾激光脉冲经过所述色散模块后，不同频率的光被所述色散模块色散开后分别以不同的入射角进入所述光参量转换模块，泵浦光脉冲依次经过所述光学延迟模块、所述反射模块后以与啁啾激光脉冲不共线的入射角进入所述光参量转换模块，所述啁啾激光脉冲与所述泵浦光脉冲在所述光参量转换模块内发生能量转移后，由所述光参量转换模块发射出。
2.根据权利要求1所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，所述光参量转换模块采用光参量放大晶体；
所述光参量放大晶体将所述泵浦光脉冲的能量转移至所述啁啾激光脉冲，使得所述啁啾激光脉冲的能量增加。
3.根据权利要求1所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，所述色散模块采用棱镜元件；
频谱待整形的所述啁啾激光脉冲经过所述棱镜元件发生色散，从而使得不同频率的光色散开后获得不同的入射角。
4.根据权利要求1所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，所述色散模块采用光栅元件；
频谱待整形的所述啁啾激光脉冲经过所述光栅元件发生色散，从而使得不同频率的光色散开后获得不同的入射角。
5.根据权利要求2所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，所述反射模块采用第一反射镜；
所述第一反射镜用于反射入射来的所述泵浦光脉冲，并将所述泵浦光脉冲反射至所述光参量放大晶体内。
6.根据权利要求1所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，还包括第一激光发射模块；
所述第一激光发射模块设置在所述色散模块的前方；
所述第一激光发射模块用于发射所述啁啾激光脉冲。
7.根据权利要求1所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，还包括第二激光发射模块；
所述第二激光发射模块设置在所述反射模块的前方；
所述第二激光发射模块用于发射所述泵浦光脉冲。
8.根据权利要求2所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，所述光参量放大晶体采用BBO晶体。
9.根据权利要求2所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，经所述光参量放大晶体发射出的光包括频谱整形后的所述啁啾激光脉冲和能量减小的所述泵浦光。
10.根据权利要求2所述的基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统,其特征在于，经所述光参量放大晶体发射出的光还包括新产生的闲频光。
CN201810209152.0A 2018-03-14 2018-03-14 基于光谱角色散的啁啾激光脉冲频谱整形系统 Pending CN108281877A (zh)

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