CN108649420A - 基于串行opa的超宽带高通量啁啾脉冲放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，该系统将总的泵浦能量平均分配在多块非线性晶体上，利用光学参量放大技术分别放大种子激光光谱的不同部分，从而有效利用非线性晶体的增益带宽。本发明可利用小口径的非线性晶体获得更大的输出能量和光谱带宽，结构简单，易于实现，经过本发明放大获得的高通量超宽带啁啾激光压缩后可以用于强场粒子加速，阿秒脉冲产生等强场激光物理实验。

Description

基于串行OPA的超宽带高通量啁啾脉冲放大器
技术领域
本发明属于固体激光技术领域，具体是一种基于串行光学参量放大(OPA)的超宽带高通量啁啾脉冲放大器。
背景技术
超强超短激光近30年来一直是研究的热门领域，利用啁啾脉冲放大技术，将宽带超短激光脉冲时间上展宽然后放大，再压缩得到超短脉冲已经成为产生高能量超短激光脉冲的一种标准方案。获得的高能量超短激光脉冲能够应用于相对论性物理与光学、极端超短超快激光物理、非线性光学与光谱学、阿秒相干光源、量子相干控制、超高能量密度物理和基于高强度激光的实验室天体物理和核物理等的研究。
当前在啁啾脉冲放大系统中，主要有基于钛宝石的啁啾脉冲放大和基于光学参量过程的光学参量啁啾脉冲放大两种方式。基于钛宝石在800nm附近的宽增益带宽，可以实现数PW的激光峰值功率输出；而利用非共线的光学参量放大可以提供更大的增益带宽，从而足以支持更短的压缩脉宽和更高输出峰值功率，所以光学参量啁啾脉冲放大方案也被用于产生超高强度的超短激光脉冲。但是，如果进一步要获得更强的激光脉冲，需要放大过程能提供更宽带的增益光谱和更大的能量增益，在光学参量放大过程中，相位匹配及群速走离这些因素的影响会限制放大过程中的增益带宽，另外在ns级脉宽的光学参量放大过程中，工作晶体的能流密度损伤阈值会限制最大可用的泵浦光强，这将抑制泵浦转换效率的提高以及放大能量的提高。
发明内容
本发明为了增加参量放大过程中的增益带宽和提高放大输出通量和能量，提出了一种基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，即携带正啁啾的信号脉冲串行经过多级光学参量放大，在多级放大中分别对放大信号脉冲时间上不同的多段(对应不同的光谱)进行放大。可利用小口径的非线性晶体来获得更大的输出能量和光谱带宽，从而实现更短的脉宽输出。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，其构成包括：泵浦激光器、第一扩束望远镜、宽带种子源、第二扩束望远镜、第一分束片、第二分束片、第三分束片、……、第N-1分束片、反射镜；第一OPA放大器、第二OPA放大器、第三OPA放大器、……、第NOPA放大器；
所述的泵浦激光器发出的泵浦光经过第一扩束望远镜扩束后被第一分束片分束为第一泵浦反射光束和第一泵浦透射光束，该第一泵浦透射光束经所述的第二分束片分束为第二泵浦反射光束和第二泵浦透射光束，该第二泵浦透射光束经所述的第三分束片、分束为第三泵浦反射光束和第三泵浦透射光束，以此类推……，该第N-2泵浦透射光束经第N-1分束片分束为第N-1泵浦反射光束和第N-1泵浦透射光束，该第N-1泵浦透射光束经反射镜后的第N泵浦反射光束入射到所述的第N路OPA放大系统；
所述的宽带种子源发出的信号光经过第二扩束望远镜扩束后与第一泵浦反射光束共同注入到第一OPA放大器中，经过放大的信号光与第二泵浦反射光束共同注入到第二OPA放大器中，经过第二次放大的信号光与第三泵浦反射光束共同注入到第三OPA放大器中，以此类推……，经过第N-1次放大的信号光与第N泵浦反射光束共同注入到第NOPA放大器中，经过第N次放大的信号光输出。
所述的第一分束片、第二分束片、第三分束片、……、和第N-1分束片的分束比(透射:反射)为N-1:1,N-2:1,N-3:1,……,1:1。
所述的第一泵浦反射光束、第二泵浦反射光束、第三泵浦反射光束、……、第N-1泵浦反射光束和第N泵浦反射光束的能量相等。
所述的OPA放大器为非共线匹配类型，包括延时器、第一双色镜、非线性晶体、第二双色镜、泵浦光收集器；信号光依次经所述的延时器和第一双色镜入射到非线性晶体上，泵浦光也经第一双色镜入射到非线性晶体上，信号光和泵浦光通过调整延时器和第一双色镜完成空间上和时间上的重合，并满足相位匹配条件后，信号光被放大；经非线性晶体输出的剩余泵浦光经第二双色镜被泵浦光收集器吸收；信号光则通过第二双色镜直接输出。
所述的宽带种子源输出的信号光脉宽是泵浦激光器输出泵浦光脉宽的N倍，且是携带线性啁啾，以实现多段光谱的串行光参量放大。
对于泵浦光束所用的反射镜镀有针对泵浦波长的高反膜，对于将泵浦光和信号光分束及合束的双色镜均镀有针对信号激光波长和闲置激光波长的高透膜及针对泵浦激光波长的高反膜。
所述的非线性晶体表面镀有同时针对泵浦激光波长、信号激光波长和闲置激光波长的的高透膜。
与现在的技术相比，本发明具有的优势是：
1)本发明将整个光学参量放大过程中总的泵浦能量平均分配在多块非线性晶体上，降低非线性晶体的损伤风险，提高利用同等口径非线性晶体的输出通量和能量。
2)本发明结构简单，依次串行放大信号光的两段或多段不同光谱，整个放大过程能提供更宽的增益带宽，不需要复杂的相干合成光谱的方式，直接就可以获得比较宽的增益光谱，从而支持更短的而压缩脉宽。
3)本发明可以采用更小口径的非线性晶体获得更高的输出能量和压缩脉冲宽度，提升超强超短激光装置和系统的峰值功率，同时降低装置的造价和成本。
附图说明
图1为本发明基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器实施例1的结构示意图。
图2为本发明基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器中OPA放大器结构示意图。
图3为本发明基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器实施例1的结构示意图。
图4为本发明按实施例1经过第一级放大后获得的光谱及参量耦合导致的光谱相位。
图5为本发明按实施例1经过两级串行放大后获得的超宽带光谱及参量耦合导致的光谱相位。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
请先参阅图1，图1为本发明基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器实施例1的结构示意图，如图所示，该系统包括：泵浦激光器1、第一扩束望远镜2、宽带种子源3、第二扩束望远镜4、第一分束片11、第二分束片12、第三分束片13、……、第N-1分束片、反射镜5；第一OPA放大器21、第二OPA放大器22、第三OPA放大器23、……、第NOPA放大器2N；所述的泵浦激光器1发出的泵浦光经过第一扩束望远镜2扩束后被第一分束片11分束为第一泵浦反射光束和第一泵浦透射光束，该第一泵浦透射光束经所述的第二分束片12分束为第二泵浦反射光束和第二泵浦透射光束，该第二泵浦透射光束经所述的第三分束片13、分束为第三泵浦反射光束和第三泵浦透射光束，……，该第N-2泵浦透射光束经第N-1分束片分束为第N-1泵浦反射光束和第N-1泵浦透射光束，该第N-1泵浦透射光束经反射镜5后的第N泵浦反射光束入射到所述的第N路OPA放大系统2N；所述的宽带种子源3发出的信号光经过第二扩束望远镜4扩束后与第一泵浦反射光束共同注入到第一OPA放大器21中，经过放大的信号光与第二泵浦反射光束共同注入到第二OPA放大器22中，经过第二次放大的信号光与第三泵浦反射光束共同注入到第三OPA放大器23中，……，经过第N-1次放大的信号光与第N泵浦反射光束共同注入到第NOPA放大器2N中，经过第N次放大的信号光输出。
所述的第一分束片11、第二分束片12、第三分束片13、……、和第N-1分束片的分束比(透射:反射)为N-1:1,N-2:1,N-3:1,……,1:1。
所述的第一泵浦反射光束、第二泵浦反射光束、第三泵浦反射光束、……、第N-1泵浦反射光束和第N泵浦反射光束的能量相等。
所述的OPA放大器为非共线匹配类型，包括延时器211、第一双色镜212、非线性晶体213、第二双色镜214、泵浦光收集器215；信号光依次经所述的延时器211和第一双色镜212入射到非线性晶体213上，泵浦光也经第一双色镜212入射到非线性晶体213上，信号光和泵浦光通过调整延时器211和第一双色镜212完成空间上和时间上的重合，并满足相位匹配条件后，信号光被放大；经非线性晶体213输出的剩余泵浦光经第二双色镜214被泵浦光收集器215吸收；信号光则通过第二双色镜214直接输出。
所述的宽带种子源1输出的信号光脉宽是泵浦激光器1输出泵浦光脉宽的N倍，且是携带线性啁啾，以实现多段光谱的串行光参量放大。
对于泵浦光束所用的反射镜5镀针对泵浦波长的高反膜，对于将泵浦光和信号光分束及合束的双色镜镀针对信号激光波长和闲置激光波长的高透膜及针对泵浦激光波长的高反膜。
所述的非线性晶体213表面都镀同时针对泵浦激光波长、信号激光波长和闲置激光波长的的高透膜。
实施例1
请参阅图3，图3为本发明基于光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器实施例1的结构示意图。如图所示，本发明基于串行的两级光学参量放大器，包括527nm泵浦激光器1、第一扩束望远镜2、820nm的宽带种子源3、第二扩束望远镜4；1:1分束片11、反射镜5；第一延时器211、第一双色镜212、第一LBO晶体213、第二双色镜214、第一光吸收挡板215；第一延时器221、第三双色镜222、第二LBO晶体223、第四双色镜224和第二光吸收挡板225。
实施例中的527nm的泵浦激光器1发出的输出脉宽为5ns的泵浦光在经过第一扩束望远镜2后被1:1分束片11平均分成能量相等的反射泵浦光和透射泵浦光，两束泵浦光分别用于对两级光学参量放大提供泵浦。820nm的宽带种子源3发出的光谱宽度大于150nm(半高全宽)的信号光在经过第二扩束望远镜4后经过第一延时器221来控制第一路OPA泵浦光和信号光的相对延时，透过第一双色镜212的信号光和经过第一双色镜212反射的透射泵浦光经第一双色镜212合束后以非共线的方式一起入射到第一LBO晶体213上，入射时信号光和泵浦光的夹角是1.21度，在第一LBO晶体213晶体中，泵浦光在XY平面内以13.62度的方位角入射,且信号光和LBO晶体的X晶轴在泵浦光的同侧，按第I类相位匹配进行放大。该束剩余的泵浦光经过第二双色镜214后反射到第一吸收挡板215；
放大后的信号光经过第二延时器212来控制第二路OPA的泵浦光比信号光多5ns的延时，经第二延时器212出射的信号光和经反射镜5反射的透射泵浦光以合束后以非共线的方式一起入射到第二LBO晶体223上，合束后信号和泵浦光之间的夹角是1.46度，该束泵浦光在第二LBO晶体223中的入射方位角是14.91度，且信号光和LBO晶体的X晶轴在泵浦光的同侧，在该晶体的XY平面内按第I类相位匹配进行放大。放大后剩余的泵浦光经过第四双色镜224反射到第二吸收挡板225上。
本案例中的820nm种子源3的激光输出光依次经过第二扩束望远镜4和第一延时器211后透过第一双色镜212与反射泵浦光合束，以非共线的方式入射到第一LBO晶体213上。第一级放大后的光谱及耦合导致的光谱相位展示在图2中；经第一LBO晶体213中放大后的信号光依次经过第二双色镜214和第二延时器221,然后经过第三双色镜222和经过反射镜5的第一透射泵浦光合束，以非共线的方式在第二LBO晶体223中被放大，放大后的信号光透射通过第四双色镜224输出，最后输出的放大后的光谱及光谱参量放大中的耦合过程导致的光谱相位展示在图3中。在本案例中对于泵浦光束所用的反射镜5镀527nm的高反膜，对于将泵浦光和信号光分束及合束的第一双色镜212、第二双色镜214、第三双色镜222和第四双色镜224均镀有600～1000nm的高透膜和527nm的高反膜。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，特征在于其构成包括：
泵浦激光器(1)、第一扩束望远镜(2)、宽带种子源(3)、第二扩束望远镜(4)、第一分束片(11)、第二分束片(12)、第三分束片(13)、……、第N-1分束片、反射镜(5)；第一OPA放大器(21)、第二OPA放大器(22)、第三OPA放大器(23)、……、第NOPA放大器(2N)；
所述的泵浦激光器(1)发出的泵浦光经过第一扩束望远镜(2)扩束后被第一分束片(11)分束为第一泵浦反射光束和第一泵浦透射光束，该第一泵浦透射光束经所述的第二分束片(12)分束为第二泵浦反射光束和第二泵浦透射光束，该第二泵浦透射光束经所述的第三分束片(13)、分束为第三泵浦反射光束和第三泵浦透射光束，以此类推,……，第N-2泵浦透射光束经第N-1分束片分束为第N-1泵浦反射光束和第N-1泵浦透射光束，该第N-1泵浦透射光束经反射镜(5)反射后的第N泵浦反射光束入射到所述的第N路OPA放大系统(2N)；
所述的宽带种子源(3)发出的信号光经过第二扩束望远镜(4)扩束后与第一泵浦反射光束共同注入到第一OPA放大器(21)中，经该第一OPA放大器(21)放大后的信号光与第二泵浦反射光束共同注入到第二OPA放大器(22)中，经该第二OPA放大器(22)再次放大的信号光与第三泵浦反射光束共同注入到第三OPA放大器(23)中，以此类推……，经过第N-1次放大的信号光与第N泵浦反射光束共同注入到第NOPA放大器(2N)中，经该第NOPA放大器(2N)放大的信号光输出；
所述的第一分束片(11)、第二分束片(12)、第三分束片(13)、……、和第N-1分束片的分束比为透射:反射＝N-1:1,N-2:1,N-3:1,……,1:1。
2.根据权利要求1所述的基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述的第一泵浦反射光束、第二泵浦反射光束、第三泵浦反射光束、……、第N-1泵浦反射光束和第N泵浦反射光束的能量相等。
3.根据权利要求1所述的基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的OPA放大器为非共线匹配类型，包括延时器(211)、第一双色镜(212)、非线性晶体(213)、第二双色镜(214)、泵浦光收集器(215)；
信号光依次经所述的延时器(211)和第一双色镜(212)入射到非线性晶体(213)上，泵浦光也经第一双色镜(212)入射到非线性晶体(213)上，信号光和泵浦光通过调整延时器(211)和第一双色镜(212)完成空间上和时间上的重合，并满足相位匹配条件后，信号光被放大；经非线性晶体(213)输出的剩余泵浦光经第二双色镜(214)被泵浦光收集器(215)吸收；信号光则通过第二双色镜(214)直接输出。
4.按照权利要求1所述的基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的宽带种子源(1)输出的信号光脉宽是泵浦激光器(1)输出泵浦光脉宽的N倍，且是携带线性啁啾，以实现多段光谱的串行光参量放大。
5.按照权利要求1所述的基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的反射镜(5)镀有针对泵浦波长的高反膜，所述的第一双色镜(212)和第二双色镜(214)均镀有针对信号激光波长和闲置激光波长的高透膜及针对泵浦激光波长的高反膜。
6.按照权利要求1所述的基于串行光学参量放大的超宽带高通量啁啾脉冲放大器，其特征在于所述的非线性晶体(213)表面镀有针对泵浦激光波长、信号激光波长和闲置激光波长的的高透膜。
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