CN110086073A - 光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置 - Google Patents

Abstract

一种光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，包括：皮秒短脉冲光源，空间整形系统，成像系统，宽带光谱产生系统，频域光参量啁啾脉冲放大系统。所述光谱可调的频域光参量啁啾脉冲放大装置的泵浦光和信号光都由皮秒短脉冲光源产生，泵浦光是由光源分束后经过空间整形器产生，信号光是由光源分束后入射到晶体上产生的超连续谱。本发明通过光栅和透镜组成的4f系统将宽带频谱信号光在空间坐标系中展开成薄片，利用空间整形的泵浦光成像在傅里叶变换面上与信号光进行光参量放大，从而实现光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置。不仅有效地解决了传统OPCPA方法中存在的诸多问题，而且通过空间可编程整形的泵浦光，能够得到一种新型灵活的光谱整形方案。

Description

光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置

技术领域

本发明涉及超宽带啁啾脉冲放大技术，特别是一种光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置。

背景技术

OPCPA技术结合了CPA技术和OPA技术的特点，具有增益带宽宽，能量转换效率高，光束质量好，工作介质短，热沉积低，相位畸变低，信噪比高等优点。目前大口径高能10PW级OPCPA系统面临三个主要难题。其一，根据傅里叶变换关系，越短的压缩脉宽意味着更宽的频谱，为实现数十飞秒、能量数百焦耳的超短脉冲放大，考虑到一定的冗余度，要求整个放大系统的增益带宽达到近百纳米量级。随着能量的不断提取，增益窄化效应越来越明显，成为制约超短脉冲放大过程的不可避免的瓶颈。其二，该类装置末级光束口径需达到200mm甚至更大，而且在末级之前也需要口径50mm到100mm不等的放大级，在非共线相位匹配技术下527nm单色泵浦808nm波长处目前单块晶体能实现百纳米增益带宽的只有BBO晶体和YCOB晶体，但是它们受限于材料的生长尺寸，只能用于中小口径放大级，对于百毫米口径放大级仅有DKDP晶体可供选择，但DKDP晶体在该波段的参量带宽46nm不能支持小于20fs的压缩脉冲放大，对于光子周期量级脉冲宽度的10PW级OPCPA系统数来说，增益带宽明显不足，需要探索新型参量放大技术。其三，为了获得近变换极限的周期量级高峰值功率超短脉冲，需要色散补偿光栅对高能量的长脉冲进行压缩，大口径高损伤阈值的光栅的获取成为又一个难题。

发明内容

为了在超短脉冲能量放大的同时兼顾大的增益带宽，规避晶体生长以及光栅损伤阈值等材料方面的局限性，进一步简化装置的复杂性，作为超高峰值功率超短脉冲放大的新的技术储备，本发明提出一种新型光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，通过在傅里叶变换面(FP面) 上将宽带频谱在空间坐标系中展开成薄片，每个频率薄片通过参量晶体的不同位置，从而分别进行OPA放大。放大过程不受限于晶体的相位匹配条件，与传统的时域OPCPA相比，整个增益带宽仅仅取决于参量晶体的数量，而不是单个参量晶体本身的特性，这就意味着晶体的增益带宽和口径大小都不是限制因素。在实现大能量超宽带OPCPA方面具有很多优势，它能够在超短脉冲能量放大的同时兼顾大的增益带宽和灵活的光谱整形方法，不需要展宽压缩装置，而且不受晶体生长以及光栅损伤阈值等材料方面的限制。

本发明的技术解决方案如下：

一种光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，特点在于其构成包括：皮秒短脉冲光源、空间整形系统、成像系统、宽带光谱产生系统和频域光参量放大系统，部件的位置关系如下：

皮秒短脉冲种子源一部进入宽带光谱产生系统作为信号光，进入频域光参量放大系统，另一部分进入空间整形系统作为泵浦光，泵浦光经成像系统成像后，进入频域光参量放大系统，时间同步的信号光和泵浦光在频域光参量放大系统中空间交叠，在傅里叶变换面上进行放大，由于两者来自同一个种子源，等于是零时间抖动的频域光参量放大装置，保证了光参量放大所需的同步精度和整个系统的稳定性。

所述的频域光参量放大系统是由第一光谱色散器件、第一准直器、参量放大组件、第二准直器和第二光谱色散器件构成的对称4f系统，所述的参量放大组件位于4f系统中的傅里叶变换面上；

注入所述的频域光参量放大系统的信号光经所述的第一光谱色散器件在空间上展开成频率薄片，通过第一准直器准直后，每个频率薄片通过参量放大组件，最后通过第二准直器和第二光谱色散器件进行空间复原；

经过整形系统整形后的泵浦光，成像在傅里叶变换面上，与信号光时间同步，空间交叠在拼接的参量晶体上实现参量放大。

所述皮秒短脉冲光源，其脉冲宽度，能量和峰值功率等参数能够保证用于产生宽带超连续信号源，以及提供频域光参量放大所需泵浦源。

所述空间整形系统，包括电寻址和光寻址等空间光调制器件用于产生任意空间形状的泵浦光源。

所述成像系统，将空间整形系统输出的泵浦光，成像传输到频域光参量啁啾脉冲放大4f系统的傅里叶变换面上，从而与信号光在空间上交叠，时间上同步进行参量放大。

所述宽带光谱产生系统，将皮秒短脉冲光源分束后的光取样聚焦到晶体上产生百nm宽带的超连续谱，用于提供频域光参量放大系统所需信号源。

所述频域光参量放大系统，是由光栅等光谱色散器件，透镜等准直器件以及拼接的参量放大晶体组成，所述超连续谱信号光源输入到光谱色散器件和准直器件组成的4f系统中，宽带光谱在傅里叶面上空间展开成薄片，每个频率薄片通过参量晶体的不同位置，与所述的空间整形泵浦光时空耦合从而分别进行参量放大。

本发明的工作原理：

对于频域光参量啁啾脉冲放大来说，超宽带增益带宽是由多个参量晶体拼接实现的，傅里叶变换面(FP)上的参量放大相当于多个窄带参量放大的相干叠加，原理上能够实现完全的相位匹配。根据参量放大的增益与泵浦光光强的平方成正比，FP面上的增益函数主要取决于泵浦光的强度分布，所以通过控制泵浦光的空间光强分布，得到所需的增益谱线，在参量放大的同时利用空间整形技术能够灵活的实现光谱整形。本课题组具有成熟的空间光整形技术，可以根据需要实现所需的光束强度分布，具有实时控制的功能。目前常见的空间光调制器主要有电寻址和光寻址两种类型，电寻址调制器由于不透明电极的存在，存在明显的黑栅效应；而光寻址调制器可以有效避免这个问题，工作原理如图所示：光导层BSO层与液晶层呈串联结构，通过控制光导层上的光敏光 (Address beam)强度来调节液晶层上的分压，进而控制液晶层的位相延迟，再由后续检偏器的解调，便可实现对被调制光(Read beam)空间强度分布的控制。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.能够在超短脉冲能量放大的同时兼顾大的增益带宽，不需要展宽压缩装置，而且不受晶体生长以及光栅损伤阈值等材料方面的限制。

2.结合已有的空间光整形技术对泵浦光进行整形，在参量放大的同时实现灵活的实时光谱整形能力。

附图说明

图1是本发明光谱整形的频域光参量放大装置的结构示意图。

图中：1-皮秒短脉冲光源；2-空间整形系统；3-成像系统；4-宽带光谱产生系统；5-频域光参量放大系统

图2是本发明中频域光参量放大系统的结构示意图。

图中：6-第一光谱色散器件；7-第一准直器；8-参量放大组件；9- 第二准直器；10-第二光谱色散器件

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明一种新型光谱整形的频域光参量放大装置的结构示意图。

由皮秒短脉冲光源1出来的光，中心波长为1053nm，持续时间为 8ps，输出能量为5mJ，先经过空间整形器2，利用已有的空间光调制技术，实时控制泵浦光的空间强度分布，从而间接控制光谱增益函数，得到所需要的输出光谱以及时间波形。然后再通过成像系统3，将空间整形系统输出的泵浦光，成像传输到频域光参量啁啾脉冲放大4f系统的傅里叶变换面上，从而与信号光在空间上交叠，时间上同步进行参量放大。由皮秒激光器1引出的另一束能量为百微焦量级的光，打在YAG 棒上，产生超连续谱，从中截取中心波长为800nm，宽度为100nm的光谱，输出能量百nJ，用来提供频域光参量放大所需宽带光源4。

频域光参量放大系统5的核心由是图2所示的4f系统构成，当第一光谱色散器件6和第二光谱色散器件10—光栅都放置在焦距为f的第一准直器件7和第二准直器件9-透镜的焦距处，距离为两倍的焦距(2f)，这样的设计不会对出口处的输入时间脉冲形状引入任何变化。再将输入种子光束的光谱通过第一光谱色散器件6(刻线为100线/mm的衍射光栅)散开并通过第一准直器件7(焦距为800mm的准直透镜)准直之后，每个波长分别聚焦到傅里叶面上，我们得到了长度15mm，宽度500um的长条形信号光光斑。同时泵浦光通过本课题组已研制成功光寻址调制器进行任意空间整形(并在高功率激光装置上进行了工程验证)，该器件现已达到的技术指标为：透过率约为75％(工作波长为1053nm)；波前畸变PV＜0.5λ(Φ＝10mm范围)；光阀最大通光口径约20mm×20mm；开关比约50:1。光寻址液晶空间光调制的分辨率为20um(也就是像素点大小)，相对于每个频率在FP面上光斑尺寸15mm来说，具有足够的整形调整范围。通过我们设计的成像系统将空间整形的光斑传输到傅里叶面上，傅里叶面上由两块BBO晶体组成参量放大组件8(I类相位匹配)。每个晶体孔径为10mm，长边取向平行于傅里叶面中的水平分散光谱。因此，并排的两个晶体覆盖傅里叶面中延伸20mm的扩散光谱,可以获得了大于10％的参量转化效率,再通过整形的皮秒泵浦光进行放大，得到所需的整形的任意形状的光谱增益函数。在傅里叶面之后，相同的镜像光栅和准直透镜进行傅里叶逆变换以恢复具有与输入处相同的脉冲持续时间的时域脉冲。

该装置在超宽带脉冲能量放大的同时兼顾灵活的光谱整形方法，不仅有效地解决了传统OPCPA方法中晶体生长以及光栅损伤阈值等材料方面的限制，而且通过空间可编程整形的泵浦光，能够得到一种新型灵活的光谱整形方案。

Claims (5)

1.一种光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，特征在于其构成包括：皮秒短脉冲光源(1)、空间整形系统(2)、成像系统(3)、宽带光谱产生系统(4)和频域光参量放大系统(5)，部件的位置关系如下：

皮秒短脉冲种子源(1)一部进入宽带光谱产生系统(4)作为信号光，进入频域光参量放大系统(5)，另一部分进入空间整形系统(2)作为泵浦光，泵浦光经成像系统(3)成像后，进入频域光参量放大系统(5)，时间同步的信号光和泵浦光在频域光参量放大系统(5)中空间交叠，在傅里叶变换面上进行放大。

2.根据权利要求1所述的光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，其特征在于所述的频域光参量放大系统(5)是由第一光谱色散器件(6)、第一准直器(7)、参量放大组件(8)、第二准直器(9)和第二光谱色散器件(10)构成的对称4f系统，所述的参量放大组件(8)位于4f系统中的傅里叶变换面上；

注入所述的频域光参量放大系统(5)的信号光经所述的第一光谱色散器件(6)在空间上展开成频率薄片，通过第一准直器(7)准直后，每个频率薄片通过参量放大组件(8)，最后通过第二准直器(9)和第二光谱色散器件(10)进行空间复原；

经过空间整形系统整形后的泵浦光，成像在傅里叶变换面上，与信号光时间同步，空间交叠在拼接的参量晶体上实现参量放大。

3.根据权利要求2所述的光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，其特征在于所述的第一光谱色散器件(6)和第二光谱色散器件(10)是具有相同参数的光栅，能够使光谱在空间展开的器件。

4.根据权利要求2所述的光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，其特征在于所述的第一准直器(7)和第二准直器(9)具有相同的曲率半径，第一准直器(7)将经过第一光谱色散器件(6)空间展开的光谱准直到4f系统中的傅里叶变换面上，第二准直器(9)再将放大后的光会聚到第二光谱色散器件(10)上。

5.根据权利要求2所述的光谱整形的频域光参量啁啾脉冲放大装置，其特征在于所述的参量放大组件(8)由多个参量晶体拼接组成，每个晶体的光谱对应不同的空间位置。