CN110112644A - 一种高能量少周期光参量放大方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超快激光技术领域，公开了一种高能量少周期光参量放大方法及装置，方法包括：分别向初始的飞秒泵浦光和飞秒种子光引入相反方向的线性啁啾，将两个脉冲的宽度从飞秒量级扩展至皮秒量级，选用BBO晶体进行放大以提升系统所能承受的脉冲能量。在第一块BBO晶体内啁啾泵浦光与啁啾种子光同步共线入射并进行光参量放大，随后采用带阻滤波片将啁啾信号光滤除，保留啁啾泵浦光与啁啾闲频光，两者同步共线入射至第二块BBO晶体内进行光参量放大，得到放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光，如此反复；显著提升了闲频光的能量转换效率；由于啁啾泵浦光与啁啾种子光含有相反的啁啾，差频所得的啁啾闲频光覆盖较宽的频谱范围，经过压缩可以得到少周期的脉宽。

Description

一种高能量少周期光参量放大方法及装置
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种高能量少周期光参量放大方法及装置。
背景技术
近年来，高能量、少周期飞秒激光脉冲的产生受到了激光科学与技术领域的广泛研究，尤其是强场激光物理领域，对于飞秒激光脉冲的能量、脉宽、中心波长、峰值功率等各方面的参数提出了不同的需求。尽管目前商业化的钛宝石激光器已经可以在近红外波段产生超短、超强的脉冲，但脉冲的中心波长被限制在800纳米，几乎不具有可调谐性。为了将其中心波长拓展至更长的中红外波段(＞2微米)，光参量放大(Optical ParametricAmplification，OPA)成为了最好的替代方案之一。OPA具有增益带宽大、波长可调谐、没有热效应积累等优点，适合用于产生紫外至中红外波段的超短激光脉冲，这为超快激光与强场物理领域的发展开辟了新的方向。
在光参量放大中，高频率的泵浦光与低频率的种子光在非线性晶体中发生差频，产生第三种频率的闲频光，同时种子光得到放大产生信号光。当泵浦光的强度大于信号光和闲频光时，能量由泵浦光向信号光和闲频光转移，将两者放大；当信号光和闲频光被放大到一定程度以至于强度超过泵浦光(增益饱和)时，能量则会回流，导致两者衰减，而泵浦光则被放大，即发生了能量逆转换过程。在常见的光参量放大系统中，为了避免能量逆转换，通常选取合适的非线性晶体厚度，使得信号光和闲频光不被放大至饱和状态，这因此限制了系统的能量转换效率。
另一方面，对于光参量放大系统，往往可以通过引入啁啾脉冲放大(ChirpedPulse Amplification，CPA)来实现更高能量的输出。使用长脉冲(皮秒或纳秒级脉宽)的高能量泵浦光，同时种子光被引入啁啾展宽到与泵浦光相近的脉宽，如此可以降低入射脉冲的峰值强度，使得系统可以承受更高的泵浦能量。但值得注意的是，光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中往往会由于相位匹配带宽的限制发生增益窄化效应，降低信号光和闲频光的增益带宽，因此必须在增益带宽和效率之间寻求一个平衡。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种高能量少周期光参量放大方法及装置，其目的在于同时优化OPA系统的增益带宽及转换效率，获取高能量的少周期闲频光脉冲输出。
本发明提供了一种高能量少周期光参量放大方法，包括以下步骤：
(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，所述飞秒泵浦光被引入负线性啁啾得到啁啾泵浦光，所述飞秒种子光经过展宽后获得宽带种子光，所述宽带种子光被引入正线性啁啾得到啁啾种子光；
(2)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光同步共线入射至第一级BBO晶体内进行第一级光参量放大，获得放大的啁啾信号光、放大的啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；
(3)滤除啁啾信号光波段的成分后将保留的啁啾泵浦光和啁啾闲频光共同输入至下一级BBO晶体进行下一级光参量放大，并获得进一步放大的啁啾信号光、进一步放大的啁啾闲频光和进一步衰减的啁啾泵浦光；
(4)重复步骤(3)依次在第三级BBO晶体、……、第N级BBO晶体内进行光参量放大后获得第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；
(5)经过N级放大后滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，获得纯净的啁啾闲频光，并通过补偿所述啁啾闲频光的线性啁啾压缩脉冲获得高能量少周期的飞秒闲频光。
在本发明实施例中，步骤(1)中的飞秒泵浦光引入负啁啾，飞秒种子光引入正啁啾，两者相反的啁啾方向可以产生带宽最优化的啁啾闲频光，从而支持获取少周期的闲频光脉宽。
光参量放大系统一般可选择I类相位匹配和II类相位匹配两种方案，如果种子光(信号光)和闲频光的偏振相同，则为I类相位匹配；如果种子光(信号光)和闲频光的偏振不同，则为II类相位匹配。
作为本发明的一个实施例，在第一级BBO晶体、第二级BBO晶体、第三级BBO晶体、……、第N级BBO晶体内均以II类相位匹配方式进行光参量放大。
更进一步地，在步骤(3)中，可以选取波段合适的带阻滤波片滤除啁啾信号光波段的成分。每两块BBO晶体之间采用带阻滤波片滤除啁啾信号光，同时尽可能使得啁啾泵浦光与啁啾闲频光通过，从而抑制能量的逆转换过程，获取最大的能量转换效率。
更进一步地，在步骤(5)中，可以利用长波通滤波片滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光。
更进一步地，N级BBO晶体的厚度均需满足：保证在每一块BBO晶体内发生的放大正好使得啁啾闲频光的能量达到饱和。
本发明还提供了一种高能量少周期光参量放大装置，包括：飞秒泵浦激光源、飞秒种子激光源、泵浦光展宽器、超连续白光产生器、种子光展宽器、二向色镜、N级放大单元、长波通滤光片和啁啾闲频光压缩器；飞秒泵浦激光源用于产生飞秒泵浦光；泵浦光展宽器用于对飞秒泵浦光进行展宽处理并输出含有负啁啾的啁啾泵浦光；飞秒种子激光源用于产生飞秒种子光；超连续白光产生器用于对所述飞秒种子光进行展宽后输出宽带种子光；种子光展宽器用于根据所述宽带种子光输出啁啾种子光；所述二向色镜用于将啁啾泵浦光与所述啁啾种子光合并后输出；N级放大单元用于对所述二向色镜的输出进行N级光参量放大，并输出第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；所述长波通滤波片用于对所述N级放大单元的输出进行滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光后获得N级放大后的啁啾闲频光；啁啾闲频光压缩器用于对啁啾闲频光进行线性啁啾补偿，并输出高能量少周期的飞秒闲频光。
本发明中，通过飞秒泵浦光引入负线性啁啾，飞秒种子光引入正线性啁啾，啁啾泵浦光与啁啾种子光包含相反方向的啁啾，从而可以产生最大带宽的啁啾闲频光，支持获取少周期的闲频光脉冲。
更进一步地，N级放大单元包括：N个依次等间距排列的BBO晶体，以及N-1个带阻滤波片；每相邻两个BBO晶体之间设置一个带阻滤波片；BBO晶体用于以II类相位匹配方式进行光参量放大；带阻滤波片用于滤除啁啾信号光波段的成分。
作为本发明进一步优选地，当N为5时，第一BBO晶体、第二BBO晶体、第三BBO晶体、第四BBO晶体和第五BBO晶体的厚度均需要满足如下条件：在每一块BBO晶体内的放大正好使得闲频光的能量达到饱和；且在每两块BBO晶体之间设置一个带阻滤波片滤除啁啾信号光，保留啁啾泵浦光与啁啾闲频光，抑制后续晶体内的能量逆转换过程，提升闲频光的能量转换效率。
更进一步地，N个BBO晶体的厚度均满足：在每一块BBO晶体内的放大正好使得闲频光的能量达到饱和。
更进一步地，高能量少周期光参量放大装置还包括：延时线，用于调整所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光之间的延时，使其在时域上保持同步，同步入射至第一级BBO晶体内进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光。
本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下技术优点：
(1)在级联的N块BBO晶体之间插入带阻滤波片进行滤波，滤除放大所得的啁啾信号光，避免后续晶体中发生能量的逆转换，从而使得闲频光脉冲被持续放大，实现极高的能量转换效率。
(2)初始的泵浦光与种子光分别被引入负啁啾和正啁啾，两者的瞬时频率随着时间呈现相反的变化趋势，因此差频产生的闲频光瞬时频率随着时间变化最快，对应最大的增益带宽，支持少周期的输出脉宽。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高能量少周期光参量放大装置的结构示意图。
图2为闲频光的能量转换效率随着非线性晶体有效厚度的变化情况图。
图3为不同初始啁啾条件下所得闲频光脉冲的光谱图。
图4为补偿输出闲频光的线性啁啾后所得的少周期闲频光脉冲的时域波形。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过向高能量泵浦脉冲和宽带种子脉冲引入相反方向的啁啾，优化闲频光脉冲的增益带宽；同时采用级联的非线性晶体方案，在系统达到饱和时使用带阻滤波片滤除信号光脉冲，抑制后续晶体中的能量逆转换过程，如此通过反复对闲频光进行放大，以实现最高的闲频光能量转换效率。
本发明实施例提出一种高能量少周期光参量放大方法，包括以下步骤：
(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，飞秒泵浦光引入负线性啁啾得到啁啾泵浦光，飞秒种子光经过超连续白光产生器得到宽带种子光，引入正线性啁啾得到啁啾种子光；
(2)啁啾泵浦光和啁啾种子光同步共线入射到第一BBO晶体内，以II类相位匹配方式进行第一级光参量放大，产生放大的啁啾信号光和啁啾闲频光，同时输出衰减的啁啾泵浦光；
(3)选取波段合适的带阻滤波片，滤除啁啾信号光波段的成分，保留啁啾泵浦光和啁啾闲频光，两者共同输入第二BBO晶体内，以II类相位匹配方式进行第二级光参量放大，产生放大的啁啾信号光和啁啾闲频光，同时输出进一步衰减的啁啾泵浦光；
(4)重复步骤(3)，在第三BBO晶体、第四BBO晶体、第五BBO晶体内反复放大啁啾闲频光，每一级放大后利用带阻滤波片滤除啁啾信号光，并将保留的啁啾泵浦光和啁啾闲频光用于后续的放大；
(5)最后利用长波通滤波片滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，提取纯净的啁啾闲频光，通过补偿其线性啁啾压缩脉冲，得到高能量、少周期的飞秒闲频光输出。
本发明分别向初始的飞秒泵浦光和飞秒种子光引入相反方向的线性啁啾，将两个脉冲的宽度从飞秒量级扩展至皮秒量级，同时选用高损伤阈值的硼酸钡(β-BaB2O4，BBO)晶体进行放大以提升系统所能承受的脉冲能量。在第一块BBO晶体内啁啾泵浦光与啁啾种子光同步共线入射并进行光参量放大，得到放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光；随后采用带阻滤波片将啁啾信号光滤除，保留啁啾泵浦光与啁啾闲频光，两者同步共线入射至第二块BBO晶体内进行光参量放大，得到放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光，如此反复。每一级放大后均使用带阻滤波片滤除放大的啁啾信号光，从而抑制了能量由信号光和闲频光向泵浦光传递的能量逆转换过程，显著提升了闲频光的能量转换效率。与此同时，由于啁啾泵浦光与啁啾种子光含有相反的啁啾，差频所得的啁啾闲频光覆盖较宽的频谱范围，因此经过压缩可以得到少周期的脉宽。
本发明实施例提出了一种高能量少周期光参量放大装置，如图1所示，包括：飞秒泵浦激光源1、飞秒种子激光源2、泵浦光展宽器3、超连续白光产生器4、种子光展宽器5、二向色镜6、延时线7、第一BBO晶体8、第二BBO晶体9、第三BBO晶体10、第四BBO晶体11、第五BBO晶体12、第一带阻滤光片13、第二带阻滤光片14、第三带阻滤光片15、第四带阻滤光片16、长波通滤光片17和啁啾闲频光压缩器18；
飞秒泵浦激光源1产生飞秒泵浦光，经过泵浦光展宽器3得到含有负线性啁啾的啁啾泵浦光；飞秒种子激光源2产生飞秒种子光，经过超连续白光产生器4得到宽带种子光，再经过种子光展宽器5得到含有正线性啁啾的啁啾种子光；利用二向色镜6将啁啾泵浦光与啁啾种子光合并，利用延时线7调整两者间的延时，使得两者同步输入至第一BBO晶体8内进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光；利用第一带阻滤光片13滤除啁啾信号光，保留啁啾泵浦光与啁啾闲频光；混合光束接下来依次通过第二BBO晶体9、第二带阻滤光片14、第三BBO晶体10、第三带阻滤光片15、第四BBO晶体11、第四带阻滤光片16以及第五BBO晶体12，其中，啁啾泵浦光在各块BBO晶体内放大啁啾闲频光，同时差频产生啁啾信号光，而带阻滤光片则将啁啾信号光消除，使啁啾泵浦光和啁啾闲频光通过；经过第五BBO晶体12后，利用长波通滤波片17滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，仅保留啁啾闲频光，最终利用啁啾闲频光压缩器18补偿线性啁啾，将其压缩至少周期的超短脉宽。
在以上高能量少周期光参量放大装置中，泵浦光展宽器向飞秒泵浦光引入负线性啁啾，种子光展宽器向飞秒种子光引入正线性啁啾，由于啁啾泵浦光与啁啾种子光的瞬时频率随时间的变化关系呈现出相反的趋势，因此可以产生带宽最大的啁啾闲频光。
装置中所述的五块BBO晶体的厚度均经过仔细挑选，使得在每一块BBO晶体内闲频光脉冲正好被放大至饱和状态，即能量转换效率达到峰值，系统达到能量逆转换过程发生的临界状态，此时利用带阻滤波片滤除啁啾信号光，抑制了能量的逆转换，使得啁啾泵浦光继续放大啁啾闲频光，进一步地提升其能量转换效率。
由于啁啾泵浦光和啁啾种子光均包含线性啁啾，因此差频所得的啁啾闲频光也包含线性啁啾，通过啁啾闲频光压缩器补偿其线性啁啾，即可对脉冲实现高效地压缩，获取接近变换极限的少周期脉宽输出。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的高能量少周期光参量放大方法及装置，现结合附图及具体实例详述如下：
以飞秒钛宝石激光再生放大器作为飞秒泵浦激光源产生脉宽为25飞秒，单脉冲能量为20毫焦，中心波长为800纳米，重复频率为1千赫兹的飞秒泵浦光脉冲；利用预放大OPA系统作为飞秒种子激光源产生脉宽为25飞秒，单脉冲能量为10微焦，中心波长为1400纳米，重复频率为1千赫兹的飞秒种子光脉冲。泵浦光展宽器向飞秒泵浦光引入-15000飞秒2的负啁啾得到啁啾泵浦光，种子光展宽器向飞秒种子光引入15000飞秒2的正啁啾得到啁啾种子光，啁啾泵浦光和啁啾种子光的脉宽均为1.7皮秒。将两束光合并，利用延时线使得两者在时域上同步，以II类相位匹配的BBO晶体作为放大介质，晶体切割角度为θ＝27.2°，满足800纳米泵浦光和1400纳米种子光的相位匹配条件，此外晶体角度φ＝30°使得晶体的非线性系数最大化。第一、第二、第三、第四和第五BBO晶体的厚度分别为2.3毫米、0.8毫米、0.8毫米、0.6毫米和0.6毫米，每块晶体的厚度均使得闲频光的能量在晶体内被放大至饱和状态。两块BBO晶体之间采用带阻滤光片滤除信号光，其中啁啾泵浦光和啁啾闲频光的透过率大于99.5％，啁啾信号光的透过率小于0.5％。最后利用一块长波通滤光片将波长1600纳米以下的成分(啁啾泵浦光和啁啾信号光)滤除，仅保留长波长、高能量的啁啾闲频光脉冲输出。
图2给出了单块BBO晶体和本装置中的级联BBO晶体条件下放大所得的闲频光转换效率随着有效晶体厚度的变化情况，其中，实线为传统的单块BBO晶体放大条件下的结果，虚线为多块级联BBO晶体的高效率光参量放大条件下的结果；图2中虚线表明，在单块BBO晶体中，闲频光在2.3毫米晶体之前被持续放大，在2.3毫米处达到饱和，转换效率为18.9％，对应脉冲能量为3.8毫焦。随着晶体厚度的进一步增长，由于信号光和闲频光的存在且两者强度超过泵浦光，将会发生能量的逆转换，造成闲频光能量的降低。相比之下，实线显示的级联BBO晶体则避免了逆转换过程的发生，经过第一BBO晶体放大达到饱和后，闲频光在后续的四块晶体内继续被放大，最终可实现高达31.7％的能量转换效率，脉冲能量为6.4毫焦，较单块BBO晶体的情况提高了68.4％。
图3给出了啁啾泵浦光与啁啾种子光包含相同方向的啁啾(虚线)和相反方向的啁啾(实线)时对应的输出闲频光的频谱；其中，实线为泵浦光包含负啁啾、种子光包含正啁啾的情况，虚线为泵浦光和种子光均包含正啁啾的情况；由图可以清楚地看出，当入射的啁啾泵浦光与啁啾种子光含有相反的啁啾时，所得的闲频光带宽远远大于同向啁啾的情况，光谱对应半高全宽约为240纳米；相比之下，同向啁啾时所得闲频光谱的半高全宽仅有20纳米。
图4给出了输出闲频光脉冲经过压缩后的时域包络形状，对应的脉冲宽度为23.8飞秒，约为3.8个光周期。
以上结果表明，通过级联的非线性晶体对闲频光进行持续放大，同时在每两块非线性晶体之间插入带阻滤光片消除信号光，可以实现对光参量放大过程中的能量逆转换效应的抑制，使得闲频光脉冲能够尽可能地被放大，最终获取接近理论极限的高能量转换效率；同时，向入射的泵浦光和种子光分别引入相反方向的啁啾，可以有效地提升所得闲频光的带宽，获取支持周期量级脉宽的闲频光脉冲输出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，所述飞秒泵浦光被引入负线性啁啾得到啁啾泵浦光，所述飞秒种子光经过展宽后获得宽带种子光，所述宽带种子光被引入正线性啁啾得到啁啾种子光；
(2)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光同步共线入射至第一级BBO晶体内进行第一级光参量放大，获得放大的啁啾信号光、放大的啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；
(3)滤除啁啾信号光波段的成分后将保留的啁啾泵浦光和啁啾闲频光共同输入至下一级BBO晶体进行下一级光参量放大，并获得进一步放大的啁啾信号光、进一步放大的啁啾闲频光和进一步衰减的啁啾泵浦光；
(4)重复步骤(3)依次在第三级BBO晶体、......、第N级BBO晶体内进行光参量放大后获得第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；
(5)经过N级放大后滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，获得纯净的啁啾闲频光，并通过补偿所述啁啾闲频光的线性啁啾压缩脉冲获得高能量少周期的飞秒闲频光。
2.如权利要求1所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，在第一级BBO晶体、第二级BBO晶体、第三级BBO晶体、......、第N级BBO晶体内均以II类相位匹配方式进行光参量放大。
3.如权利要求1或2所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，在步骤(3)中，选取带阻滤波片滤除啁啾信号光波段的成分。
4.如权利要求1-3任一项所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，在步骤(5)中，利用长波通滤波片滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光。
5.如权利要求1-4任一项所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，N级BBO晶体的厚度均需满足：保证在每一块BBO晶体内发生的放大正好使得啁啾闲频光的能量达到饱和。
6.一种高能量少周期光参量放大装置，其特征在于，包括：飞秒泵浦激光源(1)、飞秒种子激光源(2)、泵浦光展宽器(3)、超连续白光产生器(4)、种子光展宽器(5)、二向色镜(6)、N级放大单元、长波通滤光片(17)和啁啾闲频光压缩器(18)；
所述飞秒泵浦激光源(1)用于产生飞秒泵浦光；
所述泵浦光展宽器(3)用于对所述飞秒泵浦光进行展宽处理并输出含有负啁啾的啁啾泵浦光；
所述飞秒种子激光源(2)用于产生飞秒种子光；
所述超连续白光产生器(4)用于对所述飞秒种子光进行展宽后输出宽带种子光；
所述种子光展宽器(5)用于根据所述宽带种子光输出啁啾种子光；
所述二向色镜(6)用于将所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光合并后输出；
所述N级放大单元用于对所述二向色镜(6)的输出进行N级光参量放大，并输出第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；
所述长波通滤波片(17)用于对所述N级放大单元的输出进行滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光后获得N级放大后的啁啾闲频光；
所述啁啾闲频光压缩器(18)用于对所述啁啾闲频光进行线性啁啾补偿，并输出高能量少周期的飞秒闲频光。
7.如权利要求6所述的高能量少周期光参量放大装置，其特征在于，所述N级放大单元包括：N个依次等间距排列的BBO晶体，以及N-1个带阻滤波片；每相邻两个BBO晶体之间设置一个带阻滤波片；
BBO晶体用于以II类相位匹配方式进行光参量放大；带阻滤波片用于滤除啁啾信号光波段的成分。
8.如权利要求7所述的高能量少周期光参量放大装置，其特征在于，N个BBO晶体的厚度均满足：在每一块BBO晶体内的放大正好使得闲频光的能量达到饱和。
9.如权利要求6-8任一项所述的高能量少周期光参量放大装置，其特征在于，所述高能量少周期光参量放大装置还包括：延时线(7)，用于调整所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光之间的延时，使其在时域上保持同步。
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