CN110176713A - 一种高效率光参量放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率光参量放大方法及装置，属于超快激光技术领域。本发明首先对飞秒泵浦光与飞秒种子光做展宽处理，然后利用级联的β‑BaB2O4(BBO)晶体进行放大。展宽后的泵浦光与信号光同步共线入射到第一块BBO晶体，产生放大的信号光和闲频光，在BBO晶体后加带阻滤光片将信号光滤除，透过的泵浦光与闲频光输入第二块BBO晶体内进行进一步放大，如此反复。每一级放大后均采用带阻滤光片滤除信号光，仅保留泵浦光与闲频光。本发明通过滤除每一级放大后的信号光脉冲，有效地抑制了光参量放大中的能量逆转换，显著提高了系统的能量转换效率，有助于在光参量放大器中获取高能量的闲频光脉冲。
Description
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种高效率光参量放大方法及装置。
背景技术
高能量的飞秒激光脉冲在超快光学、非线性光学及强场激光物理等领域有着广泛的研究和应用前景。钛蓝宝石(Ti：Sapphire)是目前可以产生飞秒脉冲激光的最主流宽带增益介质，还无法找到另一种性能上可与其比拟的增益介质。因此当前高能飞秒脉冲激光的产生波段基本被限制在可见至近红外的狭小区域内，这大大限制了其应用范围，所以需要将超短激光脉冲的产生波段进行拓展。而光参量放大(Optical ParametricAmplification，OPA)因其增益带宽大、可调谐范围广、几乎没有热效应累积等优点，成为了将近红外飞秒激光的频率下转换至中红外波段、输出高能量超短脉冲的首选方案。超短高能量中红外激光脉冲将开辟强激光与物质相互作用领域中迄今很少探索过的参量空间，从而为人们开拓新效应和新应用提供新机遇。
光参量放大，即高强度泵浦光与低强度种子光进行差频作用得到一束新的频率的闲频光，这一过程中需满足能量守恒和相位匹配。一般，在三束光耦合区域，当泵浦光强度大于信号光和闲频光时，能量会由泵浦光转移至后者，即对两个脉冲实现放大；而当放大到一定程度后，信号光和闲频光的强度超过泵浦光，能量则会以相反方向传递，即发生能量逆转换。此时往往泵浦光还有大量的能量未被转换。这就限制了参量放大系统的转换效率，不利于产生其他波段的高能飞秒脉冲。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的提供了一种高效率光参量放大方法及装置，其目的在于通过滤除放大所得的信号光脉冲，抑制参量过程中的能量逆转换，从而提高光参量放大器的能量转换效率。
本发明提供了一种高效率光参量放大方法，该方法包括以下步骤：
(1)产生飞秒脉冲，并将所述飞秒脉冲分为能量不同的两束光，一束光作为飞秒泵浦光，另一束光作为飞秒种子光；
(2)将所述飞秒泵浦光进行展宽后获得啁啾泵浦光，将所述飞秒种子光进行展宽后获得啁啾种子光；
(3)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光分别进行准直后同步共线入射到第一非线性晶体内进行第一级光参量放大，获得衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光；
(4)滤除所述信号光后将泵浦光和闲频光共同输入至后一块非线性晶体内进行第i级光参量放大，获得进一步衰减的泵浦光、进一步放大的信号光和进一步放大的闲频光；其中，i为大于等于2且小于等于N的整数；
(5)当进行N级光参量放大后利用长波通滤光片滤除泵浦光和信号光，获得纯净的飞秒级脉宽且毫焦级高能量的闲频光脉冲；其中，N为大于2的正整数。
更进一步地，在步骤(1)中，能量高的一束光作为飞秒泵浦光，能量低的一束光光经过种子光产生装置产生飞秒种子光。
更进一步地，在步骤(4)中，利用带阻滤光片滤除所述信号光，所述带阻滤光片的滤光波段为信号光波段。因此信号光被滤除，次级放大中的能量逆转换过程被抑制，确保了泵浦光能量向闲频光的有效转化。
更进一步地，N个非线性晶体的厚度均需满足：每一级中的非线性晶体均使闲频光能量达到接近饱和。
更进一步地，级联的总级次则由实际情况确定，原则上来说，每增加一块晶体闲频光的能量转换效率会进一步提高，但提高的速度会很快下降，因此当提高速度较低时就不再增加级次。优选地，N为4。
本发明还提供了一种高效率光参量放大装置，包括：飞秒激光器、分束器件、种子光产生装置、泵浦光展宽器、种子光展宽器、二向色镜、多级放大单元和长波通滤光片；飞秒激光器用于产生飞秒脉冲；分束器件用于将飞秒脉冲分为能量不同的两束光，一束光作为飞秒泵浦光，另一束光作为飞秒种子光；种子光产生装置用于将根据所述飞秒种子光产生宽带种子光；泵浦光展宽器用于对所述飞秒泵浦光进行展宽后输出啁啾泵浦光；种子光展宽器用于对所述宽带种子光进行展宽后输出啁啾种子光；所述二向色镜用于将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光进行合并后输出；所述多级放大单元用于对二向色镜的输出进行多级放大后获得衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光；长波通滤光片用于滤除泵浦光和信号光，获得纯净的飞秒级脉宽且毫焦级高能量的闲频光脉冲。
更进一步地，多级放大单元包括：N个BBO晶体和(N-1)个带阻滤波片；N个BBO晶体依次设置在所述二向色镜的出射光路的光轴上，且每相邻两个BBO晶体之间设置一个带阻滤波片；BBO晶体用于对二向色镜输出的光进行光参量放大；带阻滤波片用于对放大后的光信号进行滤除啁啾信号光且保留皮秒泵浦光和啁啾闲频光的处理。
其中，N个BBO晶体的厚度需满足：每个BBO晶体均能够使闲频光在每个晶体中出射时能量都达到饱和。
其中，述带阻滤波片能够使得泵浦光和闲频光完全透过，而信号光不能透过。因此通过消除信号光，抑制了次级放大中的能量逆转换过程，确保了闲频光在后续晶体内得到持续放大，实现闲频光的高效放大。
本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过在级联的多块BB0晶体之间插入带阻滤光片进行滤波，使得每级放大所得的信号光被滤除，避免了在后续放大中发生能量逆转换过程，从而使得泵浦光的能量尽可能地向闲频光转换，使能量转换效率大大提高。
附图说明
图1为本发明装置的结构图。
图2为随非线性晶体有效厚度变化闲频光能量转换效率的变化图；其中，实线为多块级联BBO晶体高效率光参量放大结果，虚线为传统单块BBO晶体放大结果。
图3为不同泵浦光能量时所得闲频光脉冲能量的变化图；其中，方块标注的为级联BBO晶体放大的情况，星号标注的为单块BBO晶体放大的情况。
图4所示为多块级联BBO晶体光参量放大时闲频光在频域和时域的特征；其中，图(a)为频谱图，图(b)为脉冲包络图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明在相位匹配与群速度匹配情况不变的前提下，将能量逆转换过程进行有效抑制，使得光参量放大的效率得到了较大幅度提高。
本发明提出一种高效率光参量放大方法，包括以下步骤：
(1)将飞秒激光器产生的高能飞秒脉冲激光束经过分束器件分为能量不同的两束光；两束光中较高能量的一束作为飞秒泵浦光，较低能量的一束经过种子光产生装置产生飞秒种子光；
(2)飞秒泵浦光经过泵浦光展宽器进行展宽，得到啁啾泵浦光；飞秒种子光经过种子光展宽器进行展宽，得到啁啾种子光；
(3)将啁啾泵浦光与啁啾种子光同步共线入射至第一块非线性晶体内，非线性晶体对入射光进行光参量放大，得到衰减的泵浦光、放大的信号光以及放大的闲频光；
(4)通过带阻滤光片滤除信号光，保留泵浦光和闲频光；将两者共同输入第二块非线性晶体内进行第二级光参量放大，尽管闲频光已经在第一级放大中达到饱和(能量转换效率已达到单级放大时的最大值)，但由于在第二级中不存在信号光，且泵浦光依然保留很大一部分能量，所以能量依然会由泵浦光向闲频光和新产生的信号光中转移，继续放大闲频光脉冲(即闲频光总能量的转换效率得到了提升)；
(5)经过第二级放大后，继续利用带阻滤光片滤除信号光脉冲，保留泵浦光和闲频光并在后续的非线性晶体内放大；如此反复，在每一级放大后闲频光总能量转换效率均有提升，当提升不明显时，停止增加级次；而多级积累下的效率提升是极为可观的，最终利用长波通滤光片滤出纯净的闲频光，实现闲频光的高效率放大。
基于上述方法，本发明实施例提出了一种高效率光参量放大装置，如图1所示，包括飞秒激光器1、分束器件2、种子光产生装置3、泵浦光展宽器4、种子光展宽器5、二向色镜6、第一BBO晶体7、第二BBO晶体9、第三BBO晶体11、第四BBO晶体13、带阻滤光片8、10、12和长波通滤光片14。本装置选用四块BBO晶体是基于输出脉冲的能量和带宽的优化，四块可以使得脉冲被放大到较高的能量，同时不会由于增加过多不必要的晶体数量导致输出光谱的窄化，相应地选用三块带阻滤波片分别在每两块BBO晶体之间滤除信号光。实际操作中，可以根据激光具体条件选取BBO晶体数量，使得闲频光的能量转换效率尽可能提高，带阻滤波片数量保持为BBO晶体数量减1即可。
飞秒激光器1产生超短高能飞秒脉冲，经过分束器件2分为两束能量不同的光；其中高能量的光束经过泵浦光展宽器4得到啁啾泵浦光；低能量的光束经过种子光产生装置3产生宽带种子光，种子光再经过种子光展宽器5得到啁啾种子光；啁啾泵浦光和啁啾种子光通过二向色镜6合并，同步输入至第一BBO晶体7内进行第一级放大；第一级放大得到衰减的泵浦光、放大的信号光和闲频光，经过带阻滤光片8后，信号光被滤除，泵浦光和闲频光透过，并输入至第二BBO晶体9内进行第二级放大。第二级放大得到的信号光被带阻滤光片10滤除，透过的泵浦光和闲频光，输入至第三BBO晶体11内进行第三级放大。第三级放大得到的信号光被带阻滤光片12滤除，透过的泵浦光和闲频光，输入至第四BBO晶体13内进行第四级放大。最终所得的泵浦光、信号光和闲频光经过长波通滤波片14，泵浦光和信号光被滤除，提取出纯净的飞秒级脉宽、毫焦级高能量闲频光脉冲。
在以上高效率光参量放大装置中，泵浦光展宽器和种子光展宽器分别将泵浦光和种子光脉冲的宽度拉伸，使得两个被拉伸脉冲在时域上具有相近的脉宽，脉宽拉伸量由激光的光强与三束光在介质中的群速度走离决定，拉伸过多会使激光光强太低以致闲频光难以达到饱和，拉伸不足则会导致三束光在时域中过早被拉开，通常可将激光拉升至100飞秒至10皮秒量级的脉宽范围。
四块BBO晶体的厚度需根据放大情况由低级次到高级次分别确定，确定原则是：每一级的晶体厚度要使闲频光能量在该级放大中达到接近饱和。四块BBO晶体的切割角度一致，根据泵浦光、信号光和闲频光的波长确定，满足相同的相位匹配条件。在此条件下，信号光和闲频光在每一块BBO晶体内均放大同一中心波长，确保了能量的有效转化。若使用不同的切割角度，则信号光和闲频光在每块晶体内被放大不同的波长成分，实际并未达到饱和效果，因此会影响到放大的效率。实际应用过程中，可通过旋转BBO晶体使其更精确地满足相位匹配条件的需求。
与常规的光参量放大方案相比，本发明一方面向泵浦光引入啁啾，拉升了其脉宽，使得脉冲可以在时域上包含更高的能量，提升了系统的能量可拓展性；另一方面采用带阻滤波片滤除了饱和的信号光，抑制了后续的放大过程中的能量逆转换效应，使得闲频光的转换效率大大提高。在高泵浦能量的前提下提高了系统的能量转换效率，从而更有益于产生高能量的闲频光脉冲。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的高效率光参量放大方法及装置，下面结合附图以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激光源，产生脉宽为20飞秒，单脉冲能量为10.2毫焦，中心波长为800纳米，重复频率为1千赫兹的飞秒激光脉冲；利用分束器件将总光束分为功率分别是10瓦和0.2瓦的两束光。其中10瓦的光束直接作为泵浦光；0.2瓦的光束单独进行一次光参量放大，产生脉宽30飞秒，单脉冲能量1微焦，中心波长1400纳米的放大信号光作为种子光脉冲。泵浦光展宽器向飞秒泵浦光引入4000飞秒2的啁啾，种子光展宽器向飞秒种子光引入-5700飞秒2的啁啾，得到脉宽分别约为550飞秒的啁啾泵浦光和525飞秒的啁啾种子光。将两束光合并，以一类相位匹配的1.75毫米的第一BBO晶体为OPA放大介质，晶体切割角度为θ＝20°，φ＝0°满足800纳米泵浦光和1400纳米种子光的相位匹配条件。由于放大后的信号光波段与泵浦光和闲频光的波段并不重合，因此利用一块带阻滤光片可将信号光(1600纳米以下)滤除99.5％，透过99％的泵浦光和99％的闲频光，以供后续放大。第二BBO晶体的厚度为0.7毫米，第三BBO晶体厚度为0.7毫米，第四BBO晶体的厚度为1.0毫米，分别使得闲频光脉冲能量在各块晶体内达到饱和。最后利用一块长波通滤光片将波长1600纳米以下的成分(泵浦光和信号光)滤除，仅保留长波长、高能量的闲频光脉冲作为最终输出。
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有效晶体厚度的变化情况。图2中实线表明，在单块BBO晶体中，闲频光在晶体1.6毫米厚度之前被持续放大，在1.6毫米厚度处达到饱和，转换效率为26.9％，对应脉冲能量为3.2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，虚线显示的级联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，闲频光在后续的三块晶体内继续被放大，最终可实现38.2％的能量转换效率，脉冲能量为3.82毫焦，较单块BBO晶体的情况提高了44.2％。根据泵浦光、信号光与闲频光的中心波长比例，闲频光理论上可以达到的最高转换效率为41.8％，所以级联BBO晶体放大所得的38.2％的闲频光转换效率已经十分接近理论极限。
图3给出了不同泵浦光脉冲能量的条件下，单块BBO晶体和级联BBO晶体的光参量放大装置所得的输出闲频光脉冲能量。从图中可以看出，随着泵浦光能量的提高，两种装置所得的闲频光脉冲能量均能得到提升，相比之下，级联BBO晶体的方案的能量转换效率始终高出单块BBO晶体的方案。在50毫焦泵浦光能量的条件下，本方案可以达到接近40％的转换效率，从而产生能量高达20毫焦的闲频光脉冲。
图4给出了10毫焦泵浦能量的条件下输出闲频光脉冲的频谱和时域包络。图4(a)为闲频光脉冲在频域上的光谱，覆盖了1600纳米至2400纳米范围，频谱的半高全宽约为455纳米；相对应地，脉冲在时域上的傅里叶极限脉宽约为17飞秒。
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器件消除信号光，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。
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)
1.一种高效率光参量放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)产生飞秒脉冲，并将所述飞秒脉冲分为能量不同的两束光，一束光作为飞秒泵浦光，另一束光作为飞秒种子光；
(2)将所述飞秒泵浦光进行展宽后获得啁啾泵浦光，将所述飞秒种子光进行展宽后获得啁啾种子光；
(3)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光分别进行准直后同步共线入射到第一非线性晶体内进行第一级光参量放大，获得衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光；
(4)滤除所述信号光后将泵浦光和闲频光共同输入至后一块非线性晶体内进行第i级光参量放大，获得进一步衰减的泵浦光、进一步放大的信号光和进一步放大的闲频光；其中，i为大于等于2且小于等于N的整数；
(5)当进行N级光参量放大后利用长波通滤光片滤除泵浦光和信号光，获得纯净的飞秒级脉宽且毫焦级高能量的闲频光脉冲；其中，N为大于2的正整数。
2.如权利要求1所述的高效率光参量放大方法，其特征在于，在步骤(1)中，能量高的一束光作为飞秒泵浦光，能量低的一束光光经过种子光产生装置产生飞秒种子光。
3.如权利要求1或2所述的高效率光参量放大方法，其特征在于，在步骤(4)中，利用带阻滤光片滤除所述信号光，所述带阻滤光片的滤光波段为信号光波段。
4.如权利要求1-3任一项所述的高效率光参量放大方法，其特征在于，N个非线性晶体的厚度均需满足：每一级中的非线性晶体均使闲频光能量达到接近饱和。
5.如权利要求1-4任一项所述的高效率光参量放大方法，其特征在于，N为4。
6.一种高效率光参量放大装置，其特征在于，包括：飞秒激光器(1)、分束器件(2)、种子光产生装置(3)、泵浦光展宽器(4)、种子光展宽器(5)、二向色镜(6)、多级放大单元和长波通滤光片(14)；
所述飞秒激光器(1)用于产生飞秒脉冲；
所述分束器件(2)用于将所述飞秒脉冲分为能量不同的两束光，一束光作为飞秒泵浦光，另一束光作为飞秒种子光；
所述种子光产生装置(3)用于将根据所述飞秒种子光产生宽带种子光；
所述泵浦光展宽器(4)用于对所述飞秒泵浦光进行展宽后输出啁啾泵浦光；
所述种子光展宽器(5)用于对所述宽带种子光进行展宽后输出啁啾种子光；
所述二向色镜(6)用于将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光进行合并后输出；
所述多级放大单元用于对二向色镜(6)的输出进行多级放大后获得衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光；
所述长波通滤光片(14)用于滤除泵浦光和信号光，获得纯净的飞秒级脉宽且毫焦级高能量的闲频光脉冲。
7.如权利要求6所述的高效率光参量放大装置，其特征在于，所述多级放大单元包括：N个BBO晶体和(N-1)个带阻滤波片；
N个BBO晶体依次设置在所述二向色镜(6)的出射光路的光轴上，且每相邻两个BBO晶体之间设置一个带阻滤波片；
BBO晶体用于对二向色镜(6)输出的光进行光参量放大；
带阻滤波片用于对放大后的光信号进行滤除啁啾信号光且保留皮秒泵浦光和啁啾闲频光的处理。
8.如权利要求7所述的高效率光参量放大装置，其特征在于，N个BBO晶体的厚度需满足：每个BBO晶体均能够使闲频光在每个晶体中出射时能量都达到饱和。
9.如权利要求7或8所述的高效率光参量放大装置，其特征在于，所述带阻滤波片能够使得泵浦光和闲频光完全透过，而信号光不能透过。
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