CN110336178B - 对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、展宽器以及周期性极化晶体。通过使信号光、泵浦光以及闲频光之间的非共线角同时满足对波长、对温度变化不敏感所需的角度关系，从而使该光参量啁啾脉冲放大器既能够实现宽带宽的信号光放大(对波长变化不敏感)，又能够有效缓解非线性晶体因局部温度过高而导致的相位失配(对温度变化不敏感)。周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使kp(T0)、ks(T0)、ki(T0)和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，使得该光参量啁啾脉冲放大器能够满足相位匹配的要求，从而提高该光参量啁啾脉冲放大器高平均功率模式下的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器。
背景技术
在现有技术中，由于缺乏合适的激光增益介质(是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大的物质体系)，只有极少数特定波长的激光能够由受激辐射的激光介质直接产生。光参量放大(是指一束高频率的光和一束低频率的光同时进入非线性介质中，出来的光当中低频率的光由于差频效应而得到放大，这种现象称为光参量放大。以下简称为OPA)，可用于将频率为ωp的泵浦光的能量转移到频率为ωs的信号光上(ωp>ωs)，与此同时，还会得到第三种频率为ωi(ωp＝ωs+ωi)的激光(称为闲频光)。光参量放大器已广泛应用于科研、医学、工业等领域，以获取更高功率的激光输出。作为目前产生超短超强脉冲激光的一种有效手段，以OPA为基础的光参量啁啾脉冲放大器(Optical Parametric ChirpPulse Amplifiers，OPCPA)在众多领域有着广泛的应用，其基本原理为：将欲放大的一束低能量飞秒宽带信号光通过引入啁啾色散的方法在时域上展宽(展宽后的脉冲激光在时域上表现为啁啾脉冲激光)，然后让展宽后的啁啾信号光和另一束高能量的窄带泵浦光(典型脉宽约为几十皮秒)在非线性晶体中进行参量放大；在此过程中能量由泵浦光转移到信号光，信号光得到放大的同时产生闲频光；放大后的信号光通过啁啾色散补偿的方法被重新压缩成飞秒脉冲激光。
相位匹配(Phase Matching，以下简称为PM)是光参量放大的根本要求，在光参量放大过程中，满足相位匹配有利于能量由泵浦光向信号光持续转移，从而大大提高泵浦光的转化效率。但一般情况下，相位匹配条件对波长、对温度敏感，波长或者温度的偏离都会破坏原有的相位匹配，导致光参量放大器转换效率的降低。
对OPCPA而言，一方面，增益带宽是衡量其可输出最短脉冲激光的关键指标，信号光的脉宽越短，带宽越宽，对OPCPA增益带宽的要求也就越高(要求对波长变化不敏感)。另一方面，非线性晶体对激光能量的吸收会随着泵浦光功率的提高愈发严重，造成非线性晶体局部温度的升高以及晶体折射率的不均匀分布，使得相位匹配无法在全晶体区域内始终被满足，这种热诱导的相位失配，严重影响了光参量放大的转换效率(要求对温度变化不敏感)。所以，对高平均功率的光参量啁啾脉冲放大器而言，需要能够同时对波长、对温度变化不敏感。
发明人发现，在现有技术中，以非共线的相位匹配方式，并且借助合适的非共线角，可以显著提高光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽，或者，温度带宽。然而，在现有技术中，对波长、对温度变化不敏感的非共线相位匹配结构对非共线角有着不同的要求，因此，一般无法在同一非共线相位匹配结构中同时实现相位匹配条件对波长、对温度变化不敏感，从而导致高平均功率宽带光参量啁啾脉冲放大器转换效率的降低以及增益带宽的窄化。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，旨在解决现有技术中无法在同一非共线相位匹配结构中同时实现相位匹配条件对波长、对温度变化不敏感的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、展宽器以及周期性极化晶体，所述第一脉冲激光器产生的信号光经过所述展宽器后与所述第二脉冲激光器产生的泵浦光在所述周期性极化晶体中进行耦合，耦合的过程中能量从泵浦光转移到信号光上从而使信号光放大，同时产生闲频光，其中，经过所述周期性极化晶体的所述信号光、所述泵浦光以及所述闲频光之间非共线，并且相互之间的非共线角能够同时满足对波长、对温度变化不敏感所需的角度关系，所述周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使ks(T0)、kp(T0)、ki(T0)和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，所述ks(T0)表示相位匹配温度T0下所述信号光中心波长的波矢、所述kp(T0)表示相位匹配温度T0下所述泵浦光中心波长的波矢、所述ki(T0)表示相位匹配温度T0下所述闲频光中心波长的波矢，所述kg＝2π/Λ，表示所述周期性极化晶体的倒格矢，Λ表示周期性极化晶体的极化周期。
其中，所述对波长变化不敏感所需要的角度关系为：
vi cosβ＝vs
其中，vi表示闲频光群速度，vs表示信号光群速度。
所述对温度变化不敏感所需要的角度关系为：
其中，α表示所述泵浦光与所述信号光的传输方向上的夹角，β表示所述信号光与所述闲频光的传输方向上的夹角，kp(T)表示所述泵浦光的波矢，ks(T)表示所述信号光的波矢，ki(T)表示所述闲频光的波矢，T0表示所述周期性极化晶体的相位匹配温度，T表示所述周期性极化晶体的工作温度。
其中，所述周期性极化晶体的倾斜角度可调节。
其中，所述对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器还包括反射镜，所述第二脉冲激光器产生的泵浦光经过反射镜后与经过所述展宽器后的信号光在所述周期性极化晶体中进行耦合。
其中，所述对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器还包括压缩器，放大后的信号光经过所述压缩器进行压缩。
其中，所述周期性极化晶体为满足0类准相位匹配的周期性极化铌酸锂晶体，其中，所述周期性极化铌酸锂晶体包含5％的氧化镁。
其中，所述第一脉冲激光器为飞秒脉冲激光器。
其中，所述第一脉冲激光器为中红外飞秒脉冲激光器或者钛宝石飞秒脉冲激光器。
其中，所述第二脉冲激光器为皮秒脉冲激光器。
上述对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，通过使信号光、泵浦光以及闲频光之间的非共线角同时满足对波长、对温度变化不敏感所需的角度关系，从而使该光参量啁啾脉冲放大器既能够实现宽带宽的信号光放大(对波长变化不敏感)，又能够有效缓解非线性晶体因局部温度过高而导致的相位失配(对温度变化不敏感)。周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使kp(T0)、ks(T0)、ki(T0)和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，使得该光参量啁啾脉冲放大器能够满足相位匹配的要求。由于该光参量啁啾脉冲放大器的相位匹配条件对波长、对温度变化不敏感，因此，能够提高其输出脉冲激光的峰值功率和平均功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的极化周期Λ随泵浦光和信号光之间的非共线角α的变化曲线图。
图3a-3c是根据本发明的一个实施例的基于三种不同相位匹配结构的光参量啁啾脉冲放大器在预设相位匹配温度下的二维光斑和频谱图，其中，插图为初始信号光的二维光斑和频谱图。
图3d-3f是根据本发明的一个实施例的基于三种不同相位匹配结构的光参量啁啾脉冲放大器在偏离预设相位匹配温度下的二维光斑和频谱图，其中，插图为初始信号光的二维光斑和频谱图。
图4a-4b是根据本发明的一个实施例的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器在极化周期Λ'相对于预设值Λ存在误差时的增益谱和温度带宽曲线图。
图4c-4d是根据本发明的一个实施例的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器在极化周期Λ'相对于预设值Λ存在误差时，调整周期性极化晶体的倾斜角度，得到的增益谱和温度带宽曲线图。
图5是根据本发明的一个实施例的周期性极化晶体在水平维度作倾斜角度调整的示意图。
10、对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器；1、第一脉冲激光器；2、第二脉冲激光器；3、展宽器；4、周期性极化晶体；5、反射镜；6、压缩器；7、信号光；8、泵浦光；9、闲频光。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的一个实施例的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器的示意图。
从图中可以看出，该对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器10具有第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、展宽器3以及周期性极化晶体4，第一脉冲激光器1产生的信号光经过展宽器3后与第二脉冲激光器2产生的泵浦光在周期性极化晶体4中进行耦合，耦合的过程中能量从泵浦光转移到信号光上从而使信号光放大，同时产生闲频光，其中，经过周期性极化晶体4的信号光7、泵浦光8以及闲频光9之间非共线，并且相互之间的非共线角能够同时满足对波长、对温度变化不敏感所需的角度关系，周期性极化晶体4的周期性畴反转结构具有使ks(T0)、kp(T0)、ki(T0)和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，ks(T0)表示相位匹配温度T0下信号光7中心波长的波矢、kp(T0)表示相位匹配温度T0下泵浦光8中心波长的波矢、ki(T0)表示相位匹配温度T0下闲频光9中心波长的波矢，kg＝2π/Λ，表示周期性极化晶体4的倒格矢，Λ表示周期性极化晶体4的极化周期。
在本实施例中，通过使信号光7、泵浦光8以及闲频光9之间的非共线角同时满足对波长、对温度变化不敏感所需的角度关系，从而使该光参量啁啾脉冲放大器10既能够实现宽带宽的信号光放大(对波长变化不敏感)，又能够有效缓解周期性极化晶体4因局部温度过高而导致的相位失配(对温度变化不敏感)。周期性极化晶体4的周期性畴反转结构具有使kp(T0)、ks(T0)、ki(T0)和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，使得该光参量啁啾脉冲放大器10能够满足相位匹配的要求。由于该光参量啁啾脉冲放大器10的相位匹配条件对波长、对温度变化不敏感，因此，能够提高其输出脉冲激光的峰值功率和平均功率。
在本实例中，对波长变化不敏感所需要的角度关系为：
vi cosβ＝vs
其中，vi表示闲频光群速度，vs表示信号光群速度。
对温度变化不敏感所需要的角度关系为：
其中，α表示泵浦光8与信号光7的传输方向上的夹角，β表示信号光7与闲频光9的传输方向上的夹角，T0表示周期性极化晶体4的相位匹配温度，T表示周期性极化晶体4的工作温度，ks(T)表示信号光7的波矢，kp(T)表示泵浦光8的波矢，ki(T)表示闲频光9的波矢。
在本实施例中，光参量啁啾脉冲放大器10可以具有反射镜5，第二脉冲激光器2在垂直方向上产生的泵浦光经过反射镜5进行反射。第一脉冲激光器1在水平方向上产生的信号光经过展宽器3进行展宽。经过反射镜5的泵浦光和经过展宽器3的信号光在周期性极化晶体4中进行耦合。
在本实施例中，光参量啁啾脉冲放大器10可以具有压缩器6，放大后的信号光经过压缩器6被压缩成高峰值功率的超短脉冲激光。
在本实例中，第一脉冲激光器1选用脉宽为35fs的3.4μm中红外飞秒脉冲激光器，其输出的3.4μm信号光经过展宽器3展宽为～10ps的啁啾脉冲激光。第二脉冲激光器2选用脉宽为～15ps的1064nm皮秒脉冲激光器，其输出的1064nm泵浦光经过反射镜5反射。
如图2所示，在本实施例中，周期性极化晶体4为满足0类准相位匹配的周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)，其中，周期性极化铌酸锂晶体包含5％的氧化镁(MgO)。在预设的24.5℃工作温度下，以3.4μm脉冲激光为信号光，以1064nm脉冲激光为泵浦光，以5％MgO掺杂PPLN晶体为周期性极化晶体4，在分别满足对波长、对温度变化不敏感所需要的角度关系的前提下，随着非共线角α的不同，对波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器，或者，对温度不敏感光参量啁啾脉冲放大器，均存在与之一一对应的极化周期Λ，并且两条极化周期的变化曲线会在特定的非共线角(α≈1.5°)下交汇。也就是说，以该交汇点对应的非共线角α和极化周期Λ，可以构造出能够同时满足对波长、对温度不敏感的光参量啁啾脉冲放大器10。具体的，此时的泵浦光8和信号光7在传输方向上的夹角α为1.5°，信号光7与闲频光9在传输方向上的夹角β为9.3°，相应的，为了满足0类准相位匹配，周期性极化晶体4的周期性畴反转方向和信号光7在传输方向上的夹角τ为79.7°，极化周期Λ为3.6μm。
为了验证本实施例的光参量啁啾脉冲放大器10的性能表现，假设展宽后的3.4μm啁啾脉冲激光在非共线传输维度下的光斑直径为1mm，周期性极化晶体4的长度为5mm，泵浦光的光强为～450MW/cm2，3.4μm啁啾脉冲激光的初始光强为泵浦光的1‰。根据周期性极化晶体4的折射率公式，对光参量啁啾脉冲放大器10的运行情况进行了数值仿真。为了进一步证明其优越性，分别与对温度不敏感光参量啁啾脉冲放大器(对应图2中的B点，夹角τ为83.6°，极化周期Λ为3.4μm，α为4.5°，β为5.5°)，以及，对波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器(对应图2中的A点，夹角τ为83.3°，极化周期Λ为2.6μm，α为4.5°，β为9.3°)的仿真数值进行对比。
如图3a-3c所示，信号光的初始带宽为～420nm。在预设的相位匹配温度下(ΔT＝0℃)，由于对波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器(图3b)和本实施例的光参量啁啾脉冲放大器10(图3c)都满足宽带宽的相位匹配条件，因此，两者有着相似的转换效率(分别为42％和40％)，相应的，输出信号光7的带宽分别为～390nm和～380nm，基本保留了原有的光谱特征；由于对温度不敏感光参量啁啾脉冲放大器(图3a)不满足宽带宽的相位匹配条件，因此，该对温度不敏感光参量啁啾脉冲放大器出现了严重的增益窄化，转换效率仅为～20.6％，并且输出信号光7的光谱带宽仅为～185nm。
在高平均功率的工作模式下，周期性极化晶体4对激光能量的吸收会造成其实际的工作温度偏离预设的工作温度。如图3d-3f所示，当温度升高至62.5℃(ΔT＝40℃)，相比在室温的相位匹配条件下，对温度不敏感光参量啁啾脉冲放大器(图3d)和本实施例的光参量啁啾脉冲放大器10(图3f)的转换效率和输出信号光7的光谱均未出现明显的变化，而对波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器(图3e)的转换效率则由原来的～42％降到～12％，并且输出信号光7的光谱带宽也由原来的～390nm降到～210nm，表明其对温度的变化非常敏感，无法适应高平均功率光参量啁啾脉冲放大器的应用需求。
发明人发现，在实际情况下，生产的周期性极化晶体的畴结构与需要的畴结构之间会存在一定的误差，从而影响光参量啁啾脉冲放大器的性能。下面介绍周期性极化晶体4在极化周期Λ上的误差对光参量啁啾脉冲放大器10造成的影响。假定周期性极化晶体4在极化方向τ上无误差，假定泵浦光8与信号光7的夹角α不变，如图4(a)-图4(b)所示，由于周期性极化晶体4的极化周期Λ'偏离预设值Λ，导致光参量啁啾脉冲放大器10的增益谱和温度带宽均明显变差，并且随着误差的增大愈加严重。在本实施例中，通过调整周期性极化晶体4的倾斜角度，使周期性极化晶体4的极化方向τ发生改变，可以降低极化周期的误差对光参量啁啾脉冲放大器10性能的影响。如图4(c)-4(d)所示，通过适当调整周期性极化晶体4的水平维度的倾斜角度(如图5所示)，原先出现畸变的增益谱和温度带宽都得到了明显改善。上述结果表明，通过调整周期性极化晶体4的倾斜角度，至少可以补偿周期性极化晶体4的5％的极化周期误差所导致的性能退化。
在可选的实施例中，第一脉冲激光器1选用800nm的钛宝石飞秒脉冲激光器。第二脉冲激光器2选用532nm的皮秒脉冲激光器。具体的，此时的泵浦光8和信号光7在传输方向上的夹角α为7.2°、信号光7和闲频光9在传输方向上的夹角β为15.4°。相应的，为了满足0类准相位匹配，周期性极化晶体4的周期性畴反转的方向和信号光7在传输方向上的夹角τ为80.6°，极化周期Λ为1.2μm。
以上为对本发明所提供的一种对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、展宽器以及周期性极化晶体，所述第一脉冲激光器产生的信号光经过所述展宽器后与所述第二脉冲激光器产生的泵浦光在所述周期性极化晶体中进行耦合，耦合的过程中能量从泵浦光转移到信号光上从而使信号光放大，同时产生闲频光，其中，经过所述周期性极化晶体的所述信号光、所述泵浦光以及所述闲频光之间非共线，并且相互之间的非共线角能够同时满足对波长、对温度变化不敏感所需的角度关系，所述周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使ks(T0)、kp(T0)、ki(T0)和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，所述ks(T0)表示相位匹配温度T0下所述信号光中心波长的波矢、所述kp(T0)表示相位匹配温度T0下所述泵浦光中心波长的波矢、所述ki(T0)表示相位匹配温度T0下所述闲频光中心波长的波矢，所述kg＝2π/Λ，表示所述周期性极化晶体的倒格矢，Λ表示周期性极化晶体的极化周期；
所述对波长变化不敏感所需要的角度关系为：
vi cosβ＝vs
其中，vi表示闲频光群速度，vs表示信号光群速度，所述对温度变化不敏感所需要的角度关系为：
其中，α表示所述泵浦光与所述信号光的传输方向上的夹角，β表示所述信号光与所述闲频光的传输方向上的夹角，kp(T)表示所述泵浦光的波矢，ks(T)表示所述信号光的波矢，ki(T)表示所述闲频光的波矢，T0表示所述周期性极化晶体的相位匹配温度，T表示所述周期性极化晶体的工作温度；
所述周期性极化晶体的倾斜角度可调节。
2.根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述光参量啁啾脉冲放大器还包括反射镜，所述第二脉冲激光器产生的泵浦光经过反射镜后与经过所述展宽器后的信号光在所述周期性极化晶体中进行耦合。
3.根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述光参量啁啾脉冲放大器还包括压缩器，放大后的信号光经过所述压缩器进行压缩。
4.根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述周期性极化晶体为满足0类准相位匹配的周期性极化铌酸锂晶体，其中，所述周期性极化铌酸锂晶体包含5％的氧化镁。
5.根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述第一脉冲激光器为飞秒脉冲激光器。
6.根据权利要求5所述的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述第一脉冲激光器为中红外飞秒脉冲激光器或者钛宝石飞秒脉冲激光器。
7.根据权利要求1所述的对温度变化不敏感的宽带光参量啁啾脉冲放大器，其特征在于，所述第二脉冲激光器为皮秒脉冲激光器。
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