CN108873558A - 一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法及装置，钛蓝宝石激光源产生初始飞秒激光，被分束片分为两束：较强的一束光作为泵浦光，经过泵浦光光谱展宽器后得到宽带啁啾泵浦光，再经过延时线和双色镜入射到非线性晶体；较弱的一束光作为种子光，进入超连续白光产生器，得到宽带啁啾种子光，再经过双色镜入射到非线性晶体，并与宽带啁啾泵浦光耦合发生光参量放大。本发明采用光谱展宽的宽带啁啾泵浦光，包含更多的频率成分；且宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的瞬时频率对应关系受到精确调控，以使得种子光的频率成分在较大的范围内实现相位匹配，从而提高了信号光的增益带宽，实现了超宽带的信号光频谱输出。
Description
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，尤其涉及一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法及装置。
背景技术
飞秒激光脉冲因其具有超短的时间分辨率和极高的峰值功率，在超快光学、强场物理等领域的研究中有着重要的应用。因此，如何产生高能量的超短激光脉冲成为了国内外各大高校及研究所的重要研究方向之一。目前，商业化的钛蓝宝石(Ti:sapphire)飞秒激光器已经可以在800纳米的中心波长处产生超短、超强脉冲。然而，在许多超快激光相关的基础理论及实际应用研究中，产生不同中心波长的飞秒激光脉冲也是至关重要的。需要注意的是，受到增益介质的带宽所限，在更长波长的近红外至中红外波段，目前的传统激光技术无法直接产生超短的飞秒激光脉冲。相比起受激辐射放大技术，光参量放大(OpticalParametric Amplification，OPA)凭借着高参量增益、宽增益带宽、可调谐波长范围大以及热积累效应可忽略等优势，成为了产生超短红外激光脉冲的重要手段。
在简并波段的OPA系统中，由于信号光与闲频光具有相等的群速度，两者间可以实现超宽带的相位匹配，获取周期量级的脉冲输出。然而，对非简并波段的OPA系统，信号光和闲频光脉冲的群速度不同，两者间的群速度失配会影响到系统相位匹配带宽，获取宽带增益的难度相应增大。
为了在非简并波段获取宽带相位匹配，可以采用啁啾补偿方案。通过准确控制入射泵浦光与种子光脉冲的啁啾，调整两者的瞬时波长在时域的变化规律，使得两者的对应关系符合相位匹配曲线，从而在非简并波段实现宽带增益。值得注意的是，由于啁啾补偿方案需要将不同的泵浦光波长成分与种子光波长成分一一对应，因此，泵浦光的带宽越大，所能实现完美相位匹配的种子光频谱范围也越大。在已有的光参量放大系统中，最常用的泵浦光光源之一是钛蓝宝石飞秒激光器，其脉宽通常大于30飞秒，对应的带宽不足以支持周期量级脉宽的输出，因此会显著地限制光参量放大系统的增益带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法及装置，提高了信号光的增益带宽，实现了超宽带的信号光频谱输出。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法，包括以下步骤，步骤一，产生初始飞秒激光；步骤二，将初始飞秒激光分成两束，分别为泵浦光和种子光，增大泵浦光的带宽得到宽带泵浦光，然后引入正啁啾，得到宽带啁啾泵浦光；增大种子光的带宽得到宽带种子光，然后引入正啁啾，得到宽带啁啾种子光；其中宽带泵浦光与宽带种子光分别引入不同的正啁啾，使得两者的瞬时频率在时域上的对应关系符合相位匹配曲线；步骤三，调整宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的啁啾和两者之间的延时，使两者同步入射到非线性晶体中进行光参量放大，得到宽带啁啾信号光、宽带啁啾闲频光和衰减后的宽带啁啾泵浦光；步骤四，滤除宽带啁啾闲频光与衰减后的宽带啁啾泵浦光，得到宽带啁啾信号光，对其进行压缩，得到超短信号光脉冲输出。
按上述技术方案，所述步骤三中，所述得到宽带啁啾信号光具体为，调节宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间的延时，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，相应地调节非线性晶体的相位匹配角，实现对不同中心波长的宽带啁啾种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光脉冲之间的延时通过延时线调节，并相应旋转非线性晶体，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，实现对不同中心波长的种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。最终得到周期量级脉宽的飞秒信号光脉冲。
本发明还提供一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大装置，该装置包括钛蓝宝石激光源、分束镜、泵浦光光谱展宽器、延时线、第一反射镜、超连续白光产生器、双色镜、第二反射镜、非线性BBO晶体、分光片和脉冲压缩器；钛蓝宝石激光源产生的飞秒激光经过分束镜分为两束，分别为飞秒泵浦光和飞秒种子光：飞秒泵浦光经过泵浦光光谱展宽器得到宽带啁啾泵浦光；飞秒种子光经过第一反射镜后再经过超连续白光产生器得到宽带啁啾种子光；宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光包含不同的正啁啾，两者的瞬时频率的对应关系满足相位匹配曲线；将宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间进行延时，宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光经过双色镜、第二反射镜后共同入射到非线性BBO晶体内发生光参量放大，输出宽带啁啾信号光、宽带啁啾闲频光和衰减后的宽带啁啾泵浦光，三者共同输入分光片得到宽带啁啾信号光，再入射到脉冲压缩器中，压缩脉冲得到超短信号光脉冲输出。初始泵浦光需经过泵浦光光谱展宽器拓展其光谱范围，并引入正啁啾以得到宽带啁啾泵浦光；初始种子光需经过超连续白光产生器拓展其光谱范围，并引入正啁啾以得到宽带啁啾种子光。
按上述技术方案，宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光脉冲之间的延时通过延时线调节，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，相应地调节非线性BBO晶体的相位匹配角，实现对不同中心波长的种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。
本发明产生的有益效果是：本发明采用光谱展宽的宽带啁啾泵浦光，包含更多的频率成分，且宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的瞬时频率对应关系受到精确调控，以使得种子光的频率成分在较大的范围内实现相位匹配，从而提高了信号光的增益带宽，实现了超宽带的信号光频谱输出。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大装置结构示意图；
图2是BBO晶体切割角为19.9°时的相位匹配效率随泵浦光和种子光的波长变化的关系图；
图3是BBO晶体切割角为19.9°时窄带与宽带泵浦光的频谱；
图4是BBO晶体切割角为19.9°时窄带与宽带泵浦条件下的输出信号光频谱；
图5是不同中心波长处的输出信号光光谱；
图6是中心波长1400纳米的输出信号光脉冲在时域上的包络和相位图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，首先提供一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法，包括以下步骤，步骤一，产生初始飞秒激光；步骤二，将初始飞秒激光分成两束，分别为泵浦光和种子光，增大泵浦光的带宽得到宽带泵浦光，然后引入正啁啾，得到宽带啁啾泵浦光；增大种子光的带宽得到宽带种子光，然后引入正啁啾，得到宽带啁啾种子光；其中宽带泵浦光与宽带种子光分别引入不同的正啁啾，使得两者的瞬时频率在时域上的对应关系符合相位匹配曲线；步骤三，调整宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的啁啾和两者之间的延时，使两者同步入射到非线性晶体中进行光参量放大，得到宽带啁啾信号光、宽带啁啾闲频光和衰减后的宽带啁啾泵浦光；步骤四，滤除宽带啁啾闲频光与衰减后的宽带啁啾泵浦光，得到宽带啁啾信号光，对其进行压缩，得到超短信号光脉冲输出。
按上述技术方案，所述步骤三中，所述得到宽带啁啾信号光具体为，调节宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间的延时，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，相应地调节非线性晶体的相位匹配角，实现对不同中心波长的宽带啁啾种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。
本发明还提供一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大装置，如图1所示，该装置包括钛蓝宝石激光源1、分束镜2、泵浦光光谱展宽器3、延时线4、第一反射镜5、超连续白光产生器6、双色镜7、第二反射镜8、非线性BBO晶体9、分光片10和脉冲压缩器11；钛蓝宝石激光源1产生的飞秒激光经过分束镜2分为两束，分别为飞秒泵浦光和飞秒种子光：飞秒泵浦光经过泵浦光光谱展宽器3得到宽带啁啾泵浦光；飞秒种子光经过第一反射镜5后再经过超连续白光产生器6得到宽带啁啾种子光；宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光包含不同的正啁啾，两者的瞬时频率的对应关系满足相位匹配曲线；将宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间进行延时，宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光经过双色镜7、第二反射镜8后共同入射到非线性BBO晶体9内发生光参量放大，输出宽带啁啾信号光、宽带啁啾闲频光和衰减后的宽带啁啾泵浦光，三者共同输入分光片10得到宽带啁啾信号光，再入射到脉冲压缩器11中，压缩脉冲得到超短信号光脉冲输出。
按上述技术方案，宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光脉冲之间的延时通过延时线调节，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，相应地调节非线性BBO晶体的相位匹配角，实现对不同中心波长的种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。
本发明的一个较佳实施例中，钛蓝宝石激光源产生初始飞秒激光，被分束片分为两束：较强的一束光作为泵浦光，经过泵浦光光谱展宽器后得到宽带啁啾泵浦光，再经过延时线和双色镜入射到非线性晶体；较弱的一束光作为种子光，进入超连续白光产生器，得到宽带啁啾种子光，再经过双色镜入射到非线性晶体，并与宽带啁啾泵浦光耦合发生光参量放大；最后通过分光片和脉冲压缩器得到超短信号光脉冲输出。以钛蓝宝石飞秒激光器作为激光源，产生脉宽40飞秒、中心波长800纳米、重复频率1千赫兹的飞秒激光脉冲。经过分束镜后，泵浦光的单脉冲能量为200微焦，种子光的单脉冲能量为10微焦。
在泵浦光光谱展宽器中，采用焦距为1.6米的凸透镜聚焦光束，并利用四块厚度为0.1毫米的熔融石英窗片展宽泵浦光的光谱获取宽带泵浦光，光束在窗片上的入射角为布儒斯特角，以尽量避免能量的损耗。使用凸透镜重新准直光束，最后用厚玻璃块向宽带泵浦光引入正啁啾，通过旋转玻璃块调整其有效厚度，对宽带啁啾泵浦光的啁啾进行精确控制。所得宽带啁啾泵浦光的带宽相比起初始激光增大了一倍以上，展宽后的脉宽约为50～60飞秒。
超连续白光产生器采用强度连续可调滤波片控制脉冲的通过能量，将其聚焦至蓝宝石晶体内拓展其频谱以获取宽带种子光，再利用厚玻璃块引入正啁啾，旋转玻璃块调整其有效厚度，获得宽带啁啾种子光。经过强度可调滤波片后，实际利用的种子光脉冲能量约为3微焦；经过蓝宝石晶体内的超连续白光产生过程，在1000纳米至1800纳米的近红外波段获得了宽带光谱，作为本装置的宽带种子光；最后使用厚玻璃块向宽带种子光引入正啁啾，展宽得到脉宽约为60飞秒的宽带啁啾种子光。
宽带啁啾泵浦光和宽带啁啾种子光经过双色镜共同入射到非线性BBO(β-硼酸钡)晶体内，晶体切割角为19.9°，针对中心波长为1400纳米的种子光所优化。
图2给出了不同的泵浦光与种子光瞬时频率所对应的相位匹配效率。可以看出，泵浦光的波长范围越大，能实现完美相位匹配的种子光波长范围也越大。图中黑色虚线表示本方案中的泵浦光与种子光瞬时波长在时域上的对应关系，当入射的宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的波长对应关系符合该曲线时，种子光的增益谱宽最大。
图3是BBO晶体切割角为19.9°时，窄带与宽带泵浦光的频谱；图3中实线为宽带泵浦光的光谱，虚线为窄带泵浦光的光谱。图4是BBO晶体切割角为19.9°时，窄带与宽带泵浦条件下的输出信号光频谱，图4中实线为宽带泵浦条件下的输出信号光光谱，虚线为窄带泵浦条件下的输出信号光光谱。从图3中看到，展宽后的泵浦光相比起初始激光的带宽增大了一倍，根据图2中的相位匹配曲线可知，宽带啁啾泵浦光可以有效地提升系统的增益带宽。图4所示，窄带泵浦条件下，输出信号光的频谱覆盖了1200纳米至1600纳米范围；而在宽带泵浦条件下，输出信号光的带宽大大增加，频谱覆盖了1000纳米至1900纳米的超宽带范围。
图5给出了调整宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光延时后得到的中心波长可调谐的信号光频谱。其中，点划线是中心波长1200纳米的信号光，虚线是中心波长1300纳米的信号光，实线是中心波长1400纳米的信号光。可以看到，在1200纳米至1400纳米的中心波长范围内，本装置都可以产生宽带的信号光频谱，对应的带宽均在200纳米以上。
图6给出了测量到的宽带啁啾信号光脉冲的时域包络和相位。其中，实线是测量的脉冲时域包络，虚线是测量的脉冲时域相位，点线是脉冲频谱对应的变换极限脉冲，对应脉宽为7.5飞秒。脉冲对应的宽度约为40飞秒，时域相位平滑，证明其可以被有效地压缩至更短脉宽。图中的点线给出了所得频谱对应的变换极限脉宽，约为7.5飞秒，小于两个光周期。
以上结果表明，利用频谱拓展后的宽带泵浦光对光参量放大系统进行泵浦，通过调节宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的瞬时频率在时域上的对应关系，可以在近红外范围内实现超宽带相位匹配，输出信号光的频谱覆盖1000至1900纳米的范围，对应小于两个光周期(7.5飞秒)的极限脉宽。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，产生初始飞秒激光；步骤二，将初始飞秒激光分成两束，分别为泵浦光和种子光，泵浦光的光强大于种子光，增大泵浦光的带宽得到宽带泵浦光，然后引入正啁啾，得到宽带啁啾泵浦光；增大种子光的带宽得到宽带种子光，然后引入正啁啾，得到宽带啁啾种子光；其中宽带泵浦光与宽带种子光分别引入不同的正啁啾，使得两者的瞬时频率在时域上的对应关系符合相位匹配曲线；步骤三，调整宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光的啁啾和两者之间的延时，使两者同步入射到非线性晶体中进行光参量放大，得到宽带啁啾信号光、宽带啁啾闲频光和衰减后的宽带啁啾泵浦光；步骤四，滤除宽带啁啾闲频光与衰减后的宽带啁啾泵浦光，得到宽带啁啾信号光，对其进行压缩，得到超短信号光脉冲输出。
2.根据权利要求1所述的宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大方法，其特征在于，所述步骤三中，所述得到宽带啁啾信号光具体为，调节宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间的延时，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，相应地调节非线性晶体的相位匹配角，实现对不同中心波长的宽带啁啾种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。
3.一种宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大装置，其特征在于，该装置包括钛蓝宝石激光源、分束镜、泵浦光光谱展宽器、延时线、第一反射镜、超连续白光产生器、双色镜、第二反射镜、非线性BBO晶体、分光片和脉冲压缩器；钛蓝宝石激光源产生的飞秒激光经过分束镜分为两束，分别为飞秒泵浦光和飞秒种子光：飞秒泵浦光经过泵浦光光谱展宽器得到宽带啁啾泵浦光；飞秒种子光经过第一反射镜后再经过超连续白光产生器得到宽带啁啾种子光；宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光包含不同的正啁啾，两者的瞬时频率的对应关系满足相位匹配曲线；将宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光之间进行延时，宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光经过双色镜、第二反射镜后共同入射到非线性BBO晶体内发生光参量放大，输出宽带啁啾信号光、宽带啁啾闲频光和衰减后的宽带啁啾泵浦光，三者共同输入分光片得到宽带啁啾信号光，再入射到脉冲压缩器中，压缩脉冲得到超短信号光脉冲输出。
4.根据权利要求3所述的宽带泵浦的啁啾补偿光参量放大装置，其特征在于，宽带啁啾泵浦光与宽带啁啾种子光脉冲之间的延时通过延时线调节，使宽带啁啾泵浦光的峰值对应宽带啁啾种子光的不同频率成分，相应地调节非线性BBO晶体的相位匹配角，实现对不同中心波长的种子光的放大，获取中心波长连续可调谐的宽带啁啾信号光光谱。
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