CN109387991A - 一种非共线双啁啾光参量放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非共线双啁啾光参量放大方法及装置，该方法中，初始钛蓝宝石激光源产生飞秒激光并被分为两束：能量较低的一束作为飞秒种子光，进入宽带泵浦的光参量放大系统，产生中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器得到中红外啁啾种子光；能量较高的一束作为飞秒泵浦光，经过泵浦光展宽器得到啁啾泵浦光。两束光以一定的非共线角输入到一块硼酸铋（BiBO）晶体内进行放大。本发明采用近红外的钛蓝宝石飞秒激光放大中红外的宽带种子光，利用BiBO晶体内的非共线群速度匹配实现了超宽带放大；此外，入射的泵浦光与种子光均含有较大的线性啁啾，显著提高了系统的能量可拓展性，从而实现了高能量、周期量级脉宽的中红外激光脉冲输出。
Description
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，尤其涉及一种非共线双啁啾光参量放大方法及装置。
背景技术
近年来，高能量周期量级激光脉冲在阿秒光学、强场科学和超快光谱学等研究领域吸引了大量国内外研究者的注意。而相比起商业化的0.8微米钛蓝宝石激光器，长波长的光源具有很多更优异的特性，例如：产生更高光子能量的极紫外光源、在小Keldysh参数下诱导隧穿电离、在固态介质中发生新的现象等。由于增益带宽大、单次通过能量增益高、可调谐范围广等优势，光参量放大成为了产生长波长光源的最有力途径。利用钛蓝宝石激光器作为泵浦光源，光参量放大器已经可以在可见光至中红外的不同波段范围内产生飞秒脉冲输出。
在光参量放大系统中，当种子光与闲频光的波长不同时，两者之间会产生群速度失配，限制系统的相位匹配带宽。为了补偿这一失配，研究者提出了非共线放大方案。将泵浦光与种子光以非共线方式入射至非线性晶体内，使得闲频光的群速度在信号光传播方向上的投影与信号光群速度相等，从而获得宽带的相位匹配。值得注意的是，通常非共线方案选取的信号光波长都小于闲频光波长，因而无法应用于中红外波段。此外，闲频光具有载波包络相位被动稳定的特性，对于超快光学领域具有极高的研究价值。
为了弥补非共线方案的空缺，科学家采取了几种不同的替代方案，例如：利用空心光纤展宽窄带激光的光谱范围，得到宽带频谱输出；利用周期性极化晶体中的准相位匹配实现宽带增益；利用宽带可见光与窄带飞秒激光的差频过程获取中红外宽带频谱等等。但这些方案由于受到了非线性晶体和空芯光纤的孔径及损伤阈值有限，无法进一步地提高所得超短脉冲的能量，限制了其在强场物理学等领域中的进一步应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种非共线双啁啾光参量放大方法及装置，利用BiBO晶体内反常的色散特性，在中红外波段实现非共线相位匹配。同时，入射至BiBO晶体内的脉冲均经过了展宽器引入啁啾，增大了脉冲宽度，降低入射脉冲的峰值强度，显著提高了方案的能量可拓展性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种非共线双啁啾光参量放大方法，所述方法包括以下步骤：
S1、产生初始飞秒激光。
S2、将初始飞秒激光分成两束光，包括飞秒泵浦光和飞秒种子光，飞秒种子光的脉冲能量范围为100～600微焦，飞秒泵浦光的能量范围为2～6毫焦连续可调；飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器，得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大系统，得到中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器，得到中红外啁啾种子光。中红外飞秒种子光与飞秒泵浦光都要经过脉冲展宽器，得到中红外啁啾种子光与啁啾泵浦光，从而降低入射脉冲的峰值强度，提升系统的能量可拓展性。
S3、将啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光以非共线夹角同步入射到硼酸铋晶体中进行光参量放大，产生中红外啁啾信号光，最后通过脉冲压缩得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光。啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光需以一定的非共线夹角入射至硼酸铋晶体内，从而满足中红外啁啾种子光与闲频光的群速度匹配。
按上述技术方案，所述步骤S2中，中红外飞秒种子光的中心波长位于中红外波段(1700～2000nm)，具有宽带频谱(大于1000nm)，且载波包络相位稳定。
按上述技术方案，所述步骤S3中，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光同步入射到硼酸铋晶体中后，调节硼酸铋晶体角度以实现中红外波段的宽带相位匹配。将非线性晶体安装在一个可旋转的镜架上，即可通过旋转实现对晶体角度的调节。
本发明还提供一种非共线双啁啾光参量放大装置，装置包括飞秒激光源、分束镜、第一反射镜、宽带泵浦的光参量放大器、种子光展宽器、泵浦光展宽器、第二反射镜、第三反射镜、硼酸铋晶体；飞秒激光源产生的初始飞秒激光经过分束镜分为两束，包括飞秒泵浦光和飞秒种子光：飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器6得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大器得到中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器得到中红外啁啾种子光，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光以非共线方式同步入射至硼酸铋晶体中发生光参量放大，得到中红外啁啾信号光，所述放大后的中红外啁啾信号光经过脉冲压缩，得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光。
按上述技术方案，中红外飞秒种子光的中心波长位于中红外波段(1700～2000nm)，具有宽带频谱(大于1000nm)，且载波包络相位稳定。
按上述技术方案，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光同步入射到硼酸铋晶体中后，调节硼酸铋晶体角度以实现中红外波段的宽带相位匹配。将非线性晶体安装在一个可旋转的镜架上，即可通过旋转实现对晶体角度的调节。
本发明产生的有益效果是：利用宽带泵浦的光参量放大器产生中红外飞秒种子光，具有宽带频谱和载波包络相位自稳定的特性，适合用于第二级非共线方案的继续放大；飞秒泵浦光和中红外飞秒种子光分别加入啁啾，降低入射脉冲的峰值强度，避免超过非线性硼酸铋晶体的损伤阈值，提升系统能量可拓展性；利用啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光的非共线入射方式，实现信号光与闲频光之间的群速度匹配，从而得到宽带增益，输出中红外啁啾信号光，最终得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光脉冲。
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是本发明实施例非共线双啁啾光参量放大装置结构示意图；
图2是BiBO晶体切割角为10.9度、非共线角为1.3度、啁啾泵浦光的群速度色散为12000飞秒2时，输出中红外啁啾信号光的能量转换效率(圆点)、极限脉宽(方块)和能量带宽积(菱形)随着中红外啁啾种子光的群速度色散变化的情况；
图3是BiBO晶体切割角为10.9度、非共线角为1.3度、啁啾泵浦光的群速度色散为12000飞秒2、中红外啁啾种子光的群速度色散为1400飞秒2时，输出中红外啁啾信号光的频谱(实线)和相位(虚线)；
图4是BiBO晶体切割角为10.9度、非共线角为1.3度、啁啾泵浦光的群速度色散为12000飞秒2、中红外啁啾种子光的群速度色散为1400飞秒2时，压缩后的中红外飞秒信号光的时域包络(实线)和相位(虚线)；
图5是BiBO晶体切割角为10.9度、非共线角为1.3度、啁啾泵浦光的群速度色散为30000飞秒2、中红外啁啾种子光的群速度色散为5000飞秒2时，输出中红外啁啾信号光的能量随输入啁啾泵浦光能量的变化情况示意图。
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，首先提供一种非共线双啁啾光参量放大方法，所述方法包括以下步骤：
S1、产生初始飞秒激光。
S2、将初始飞秒激光分成两束光，包括飞秒泵浦光和飞秒种子光，飞秒种子光的脉冲能量范围为100～600微焦，飞秒泵浦光的能量范围为2～6毫焦连续可调；飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器，得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大系统，得到中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器，得到中红外啁啾种子光。中红外飞秒种子光与飞秒泵浦光都要经过脉冲展宽器，得到中红外啁啾种子光与啁啾泵浦光，从而降低入射脉冲的峰值强度，提升系统的能量可拓展性。
S3、将啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光以非共线夹角同步入射到硼酸铋晶体中进行光参量放大，产生中红外啁啾信号光，最后通过脉冲压缩得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光。啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光需以一定的非共线夹角入射至硼酸铋晶体内，从而满足中红外啁啾种子光与闲频光的群速度匹配。
进一步地，所述步骤S2中，中红外飞秒种子光的中心波长位于中红外波段(1700～2000nm)，具有宽带频谱(大于1000nm)，且载波包络相位稳定。
进一步地，所述步骤S3中，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光同步入射到硼酸铋晶体中后，调节硼酸铋晶体角度以实现中红外波段的宽带相位匹配。将非线性晶体安装在一个可旋转的镜架上，即可通过旋转实现对晶体角度的调节。
本发明还提供一种非共线双啁啾光参量放大装置，如图1所示，装置包括飞秒激光源1、分束镜2、第一反射镜3、宽带泵浦的光参量放大器4、种子光展宽器5、泵浦光展宽器6、第二反射镜7、第三反射镜8、硼酸铋晶体9；飞秒激光源1产生的初始飞秒激光经过分束镜2分为两束，包括飞秒泵浦光和飞秒种子光：飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器6得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大器4得到中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器5得到中红外啁啾种子光，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光以非共线方式同步入射至硼酸铋晶体中发生光参量放大，得到中红外啁啾信号光，所述放大后的中红外啁啾信号光经过脉冲压缩，得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光。
进一步地，中红外飞秒种子光的中心波长位于中红外波段(1700～2000nm)，具有宽带频谱(大于1000nm)，且载波包络相位稳定。
进一步地，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光同步入射到硼酸铋晶体中后，调节硼酸铋晶体角度以实现中红外波段的宽带相位匹配。将非线性晶体安装在一个可旋转的镜架上，即可通过旋转实现对晶体角度的调节。
本发明的较佳实施例中，以飞秒钛蓝宝石激光再生放大器作为飞秒激光源，产生脉宽35飞秒，中心波长800纳米，重复频率1000赫兹的飞秒激光。经过分束镜分为两束，其中飞秒种子光的脉冲能量为600微焦，飞秒泵浦光的能量在2毫焦以上。
飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器，引入12000飞秒2的群速度色散，脉宽被展宽到950飞秒，得到啁啾泵浦光。飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大器，再经过种子光展宽器，引入1000至3000飞秒2的群速度色散，得到中心波长2000纳米、带宽覆盖1400至2700纳米范围、单脉冲能量10微焦的中红外啁啾种子光。
啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光经过同步，共同入射至1.5毫米厚度的硼酸铋(BiBO)晶体内，其中，入射光束之间的非共线夹角为1.5度或1.3度，BiBO晶体为XZ平面切割，切割角度为10.7度，针对2000纳米中心波长的种子光所优化。
由图2看到，改变中红外啁啾种子光的群速度色散，输出中红外啁啾信号光的能量转换效率和极限脉宽也相应改变。这里采用能量带宽积(脉冲能量/极限脉宽)参数来对比不同条件下的系统性能，可以看出，中红外信号光脉冲的能量带宽积在中红外啁啾种子光的群速度色散为1400飞秒2时达到最优，对应的能量转换效率为16.6％，脉冲能量为330微焦，极限脉宽为10.1飞秒。
图3给出了中红外啁啾种子光的群速度色散为1400飞秒2时，输出信号光的频谱(实线)，可以看出，输出信号光频谱覆盖了1400纳米至2800纳米的一个倍频程范围，且频谱带宽(虚线)为良好的二次多项式型，对应在时域中即为线性时域啁啾。从图4可以看出，在向输出脉冲引入-1400飞秒2进行线性啁啾补偿压缩后，所得中红外飞秒信号光的脉宽为10.6飞秒，非常接近其极限脉宽，且小于两个光周期。
图5给出了分别增大啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光的群速度色散至30000飞秒2和5000飞秒2的条件下，输出中红外啁啾信号光的脉冲能量随啁啾泵浦光脉冲能量的变化情况。可以看出，啁啾泵浦光的能量越高，所得中红外啁啾信号光的能量也越高。在150毫焦泵浦的情况下，其峰值强度约为136*109瓦/厘米2，小于BiBO晶体的损伤阈值，而中红外啁啾信号光的脉冲能量可以达到22毫焦，仍对应小于两个光周期的超短脉宽。
以上结果表明，利用宽带泵浦的光参量放大器产生的中红外啁啾信号光和啁啾泵浦光在BiBO晶体内可以通过非共线方式实现超宽带相位匹配，获取跨越一个倍频程的输出带宽，对应小于两个光周期的极限脉宽。同时，向入射脉冲引入群速度色散(啁啾)可以显著地提升系统的能量可拓展性，产生20毫焦以上能量的周期量级中红外激光脉冲，且载波包络相位被动稳定。
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 (6)
1.一种非共线双啁啾光参量放大方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、产生初始飞秒激光；S2、将初始飞秒激光分成两束光，包括飞秒泵浦光和飞秒种子光，飞秒种子光的脉冲能量范围为100～600微焦，飞秒泵浦光的能量范围为2～6毫焦连续可调；飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器，得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大系统，得到中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器，得到中红外啁啾种子光；S3、将啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光以非共线夹角同步入射到硼酸铋晶体中进行光参量放大，产生中红外啁啾信号光，最后通过脉冲压缩得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光。
2.根据权利要求1所述的非共线双啁啾光参量放大方法，其特征在于，所述步骤S2中，中红外飞秒种子光的中心波长位于中红外波段，具有宽带频谱，且载波包络相位稳定。
3.根据权利要求1或2所述的非共线双啁啾光参量放大方法，其特征在于，所述步骤S3中，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光同步入射到硼酸铋晶体中后，调节硼酸铋晶体角度以实现中红外波段的宽带相位匹配。
4.一种非共线双啁啾光参量放大装置，其特征在于，装置包括飞秒激光源、分束镜、第一反射镜、宽带泵浦的光参量放大器、种子光展宽器、泵浦光展宽器、第二反射镜、第三反射镜、硼酸铋晶体；飞秒激光源产生的初始飞秒激光经过分束镜分为两束，包括飞秒泵浦光和飞秒种子光：飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过宽带泵浦的光参量放大器得到中红外飞秒种子光，再经过种子光展宽器得到中红外啁啾种子光，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光以非共线方式同步入射至硼酸铋晶体中发生光参量放大，得到中红外啁啾信号光，所述放大后的中红外啁啾信号光经过脉冲压缩，得到周期量级脉宽的中红外飞秒信号光。
5.根据权利要求4所述的非共线双啁啾光参量放大装置，其特征在于，中红外飞秒种子光的中心波长位于中红外波段，具有宽带频谱，且载波包络相位稳定。
6.根据权利要求4或5所述的非共线双啁啾光参量放大方法及装置，其特征在于，啁啾泵浦光与中红外啁啾种子光同步入射到硼酸铋晶体中后，调节硼酸铋晶体角度以实现中红外波段的宽带相位匹配。
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