CN110895377A - 一种光参量放大方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种光参量放大方法及装置，将飞秒泵浦光与飞秒种子光分别展宽，并利用级联的非线性晶体进行放大。在第一块非线性晶体内泵浦光和种子光同步共线入射并进行光参量放大，产生放大的信号光和闲频光，在非线性晶体后利用偏振片将竖直偏振的信号光滤除，透过的泵浦光与闲频光输入第二块非线性晶体内进行后续放大，如此反复。每一级放大后均滤除信号光，仅保留泵浦光与闲频光。本发明通过消除放大过程中的信号光脉冲，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

一种光参量放大方法及装置
技术领域
本发明属于属于超快激光技术领域，尤其涉及一种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。因受到宽带激光增益介质的限制，超短超强激光脉冲的产生主要位于可见光至近红外波段。为了进一步拓展超短激光脉冲的应用范围，需要将其中心波长向更长的中红外波段(1-5μm)延伸。针对这一需求，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。
在光参量放大中，一束高强度泵浦光与低强度种子光发生差频作用，产生一束第三种频率的闲频光，这一过程中需要满足能量守恒和相位匹配两个条件。通常，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。
光参量放大过程中的能量逆转换会抑制系统的转换效率，不利于高能量中红外激光脉冲(闲频光)的产生。因此，OPA系统中的非线性晶体厚度往往需要经过挑选，使得信号光和闲频光被放大至饱和状态附近，以避免逆转换过程的发生。然而，在达到饱和状态的OPA系统中，泵浦光还保留有大量的能量未能完全转换，但在这种情况下却不能通过继续增加晶体的厚度以进一步提升系统转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种光参量放大方法及装置，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。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光参量放大方法及装置，包括泵浦激光源、种子激光源、泵浦光展宽器、种子光展宽器、二向色镜、第一非线性晶体、第二非线性晶体、若干级非线性晶体组合、偏振滤光片一、偏振滤光片二和滤光片；泵浦激光源产生泵浦光，经过泵浦光展宽器得到啁啾泵浦光；种子激光源产生种子光，经过种子光展宽器得到啁啾种子光；泵浦光与种子光的偏振方向相互垂直，啁啾泵浦光和啁啾种子光通过二向色镜合并，同步输入至第一非线性晶体内进行第一级放大；第一级放大得到衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光，经过偏振滤光片一，相同偏振方向的泵浦光和闲频光透过，并输入至第二非线性晶体内进行第二级放大；第二级放大得到的信号光被偏振滤光片二滤除，透过相同偏振方向的泵浦光和闲频光，输入至若干级非线性晶体组合，经过若干级非线性晶体组合后所得的泵浦光、信号光和闲频光经过滤波片，泵浦光和信号光被滤除，提取闲频光脉冲。
按上述技术方案，泵浦激光源为飞秒泵浦激光源，种子激光源为飞秒种子激光源。
按上述技术方案，泵浦激光源产生水平偏振的泵浦光，种子激光源产生竖直偏振的种子光。
按上述技术方案，若干级非线性晶体组合包括第三非线性晶体、第四非线性晶体和偏振滤光片三，经过第三非线性晶体放大的信号光被偏振滤光片三滤除，透过相同偏振方向的泵浦光和闲频光，输入至第四非线性晶体内进行第四级放大。
按上述技术方案，闲频光在每一级非线性晶体内均达到饱和能量。
按上述技术方案，所述各非线性晶体具体为BBO晶体，所述滤波片为长波通滤波片。
本发明还提供一种光参量放大方法，该方法包括以下步骤，步骤一，产生泵浦光和种子光，其中泵浦光为水平偏振，飞秒种子光为竖直偏振；泵浦光展宽得到啁啾泵浦光，种子光展宽得到啁啾种子光；步骤二，啁啾泵浦光和啁啾种子光同步共线入射到第一非线性晶体内，以二类相位匹配方式进行第一级光参量放大，产生放大的信号光和闲频光，其中闲频光为水平偏振；步骤三，通过偏振滤光片滤除竖直偏振的信号光，仅保留水平偏振的泵浦光和闲频光，两者共同输入第二非线性晶体内，以二类相位匹配方式进行第二级光参量放大，产生放大的信号光和闲频光；步骤四，重复步骤三，每级放大后利用偏振滤光片滤除竖直偏振的信号光，并将泵浦光和闲频光输入后续非线性晶体内进行次级光参量放大；步骤五，利用长波通滤光片滤除泵浦光和信号光，提取闲频光脉冲。
按上述技术方案，闲频光在每一级非线性晶体内均达到饱和能量。
按上述技术方案，泵浦激光源为飞秒泵浦激光源，种子激光源为飞秒种子激光源。
按上述技术方案，所述各非线性晶体具体为BBO晶体。
本发明产生的有益效果是：通过在级联的BBO晶体之间插入偏振片进行滤波，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，实现极高的能量转换效率。
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为本发明实施例中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有效非线性晶体厚度的变化情况图；
图3为不同的泵浦光能量条件下所得闲频光脉冲的能量变化图；
图4为级联BBO晶体光参量放大条件下输出闲频光的频谱；
图5为级联BBO晶体光参量放大条件下输出闲频光的时域波形。
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，首先提出一种高效率光参量放大方法，包括以下步骤：
(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，分别将其展宽得到啁啾泵浦光和啁啾种子光；
(2)将啁啾泵浦光与啁啾种子光合并入射至第一块非线性晶体内进行第一级光参量放大，得到衰减的泵浦光、放大的信号光以及放大的闲频光；
(3)通过偏振片滤除竖直偏振的信号光，保留水平偏振的泵浦光和闲频光；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，但在第二级中由于不存在信号光，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；
(4)经过第二级放大后，继续利用偏振片滤除信号光脉冲，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，在第三块及第四块非线性晶体中连续放大闲频光脉冲，从而实现高的能量转换效率，获得高能量闲频光脉冲输出。
本发明还提出一种高效率光参量放大装置，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、种子光展宽器4、二向色镜5、第一BBO晶体6、第二BBO晶体7、第三BBO晶体8、第四BBO晶体9、偏振滤光片一10、偏振滤光片二11、偏振滤光片三12以及长波通滤光片13。
飞秒泵浦激光源1产生水平偏振的飞秒泵浦光，经过泵浦光展宽器3得到啁啾泵浦光；飞秒种子激光源2产生竖直偏振的飞秒种子光，经过种子光展宽器4得到啁啾种子光。通过二向色镜5将啁啾泵浦光与啁啾种子光在空间和时域上重合，共同输入到第一BBO晶体(β-BaB2O4)内进行第一级放大，产生衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光。第一BBO晶体6的输出光经过偏振滤光片一10，放大的信号光被滤除。将通过的泵浦光与闲频光共同输入第二BBO晶体7进行第二级放大，产生衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光。利用偏振滤光片二11再次滤除信号光，保留泵浦光与闲频光。随后经过第三BBO晶体8放大，偏振滤光片三12滤光，第四BBO晶体9放大，得到衰减的泵浦光、信号光和高能量的闲频光。最终通过长波通滤光片去除泵浦光和信号光，提取出飞秒脉宽、毫焦级能量的高能量闲频光脉冲。
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，使得两个脉冲在时域上具有相近的脉宽。四块BBO晶体的厚度不同，需根据放大情况分别优化。每块晶体都需要选择一个合适的厚度，使得闲频光在该BBO晶体内达到最高的能量转换效率。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，均满足二类相位匹配条件，即：泵浦光为水平偏振(e偏振)，种子光/信号光为竖直偏振(o偏振)，闲频光为水平偏振(e偏振)。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。
在本发明的另外一个实施例中，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、种子光展宽器4、二向色镜5、第一BBO晶体6、第二BBO晶体7、第三BBO晶体8、第四BBO晶体9、偏振滤光片一10、偏振滤光片二11、偏振滤光片三12以及长波通滤光片13。飞秒泵浦激光源产生水平偏振的飞秒泵浦光，经过泵浦光展宽器得到啁啾泵浦光；飞秒种子激光源产生竖直偏振的飞秒种子光，经过种子光展宽器得到啁啾种子光；啁啾泵浦光和啁啾种子光通过二向色镜合并，同步输入至第一BBO晶体内进行第一级放大。第一级放大得到衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的水平偏振闲频光。经过滤光片，竖直偏振的信号光被滤除，水平偏振的泵浦光和闲频光透过，并输入至第二BBO晶体内进行第二级放大。第二级放大得到的信号光被偏振滤光片二滤除，透过水平偏振的泵浦光和闲频光，输入至第三BBO晶体内进行第三级放大。第三级放大得到的信号光被偏振滤光片三滤除，透过水平偏振的泵浦光和闲频光，输入至第四BBO晶体内进行第四级放大。第一至第四BBO晶体的厚度使得闲频光在每一块晶体内达到饱和能量；偏振滤光片一10、偏振滤光片二11、偏振滤光片三仅透过水平偏振的泵浦光和闲频光，不透过竖直偏振的信号光，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持续得到放大，实现泵浦光能量的高效转换。
下面举一个具体的实施例：
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35飞秒，单脉冲能量为10毫焦，中心波长为800纳米，重复频率为1千赫兹的泵浦光脉冲；利用飞秒激光在蓝宝石中的自相位调制效应作为飞秒种子激光源产生脉宽为35飞秒，单脉冲能量1微焦，中心波长1400纳米的种子光脉冲。泵浦光展宽器和种子光展宽器分别向飞秒泵浦光和飞秒种子光引入12500飞秒2的啁啾，得到脉宽为1皮秒的啁啾泵浦光和啁啾种子光。将两束光合并，以二类相位匹配的2.8毫米的第一BBO晶体为OPA放大介质，晶体切割角度为θ＝27°，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。由于啁啾泵浦光为水平偏振，啁啾种子光/信号光为竖直偏振，二类相位匹配条件下两者相互作用所得的闲频光为水平偏振，因此利用一块偏振片即可将竖直偏振的信号光滤除，并完整保留水平偏振的泵浦光和闲频光，以供后续放大。第二BBO晶体的厚度为1.2毫米，第三BBO晶体和第四BBO晶体的厚度均为1毫米，分别使得闲频光脉冲能量在各块晶体内最大化。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(1870纳米)、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2.8毫米晶体之前被持续放大，在2.8毫米厚度处达到饱和，转换效率为25.9％，对应脉冲能量为2.6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，最终可实现高达36.6％的能量转换效率，脉冲能量为3.7毫焦，较单块BBO晶体的情况提高了42.3％。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42.7％，因此级联BBO晶体放大所得的转换效率36.6％已经较为接近理论极限。
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。其中，圆点为级联BBO晶体放大的情况，方块为单块BBO晶体放大的情况。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明显高出单块BBO晶体的方案。在50毫焦泵浦光能量的条件下，本方案依然可以达到38.6％的高转换效率，从而产生能量高达19.3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为闲频光脉冲在频域上的光谱，覆盖了1860纳米至1880纳米范围，频谱的半高全宽约为10纳米；相对应地，脉冲在时域上的脉宽约为350飞秒。图5为级联BBO晶体光参量放大条件下，输出闲频光的时域波形。
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偏振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。
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 (10)

1.一种光参量放大装置，其特征在于，包括泵浦激光源、种子激光源、泵浦光展宽器、种子光展宽器、二向色镜、第一非线性晶体、第二非线性晶体、若干级非线性晶体组合、偏振滤光片一、偏振滤光片二和滤光片；泵浦激光源产生泵浦光，经过泵浦光展宽器得到啁啾泵浦光；种子激光源产生种子光，经过种子光展宽器得到啁啾种子光；泵浦光与种子光的偏振方向相互垂直，啁啾泵浦光和啁啾种子光通过二向色镜合并，同步输入至第一非线性晶体内进行第一级放大；第一级放大得到衰减的泵浦光、放大的信号光和放大的闲频光，经过偏振滤光片一，相同偏振方向的泵浦光和闲频光透过，并输入至第二非线性晶体内进行第二级放大；第二级放大得到的信号光被偏振滤光片二滤除，透过相同偏振方向的泵浦光和闲频光，输入至若干级非线性晶体组合，经过若干级非线性晶体组合后所得的泵浦光、信号光和闲频光经过滤波片，泵浦光和信号光被滤除，提取闲频光脉冲。
2.根据权利要求1所述的光参量放大装置，其特征在于，泵浦激光源为飞秒泵浦激光源，种子激光源为飞秒种子激光源。
3.根据权利要求1或2所述的光参量放大装置，其特征在于，泵浦激光源产生水平偏振的泵浦光，种子激光源产生竖直偏振的种子光。
4.根据权利要求1或2所述的光参量放大装置，其特征在于，若干级非线性晶体组合包括第三非线性晶体、第四非线性晶体和偏振滤光片三，经过第三非线性晶体放大的信号光被偏振滤光片三滤除，透过相同偏振方向的泵浦光和闲频光，输入至第四非线性晶体内进行第四级放大。
5.根据权利要求1或2所述的光参量放大装置，其特征在于，闲频光在每一级非线性晶体内均达到饱和能量。
6.根据权利要求1或2所述的光参量放大装置，其特征在于，所述各非线性晶体具体为BBO晶体，所述滤波片为长波通滤波片。
7.基于权利要求1-6任一项的一种光参量放大方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，产生泵浦光和种子光，其中泵浦光为水平偏振，飞秒种子光为竖直偏振；泵浦光展宽得到啁啾泵浦光，种子光展宽得到啁啾种子光；步骤二，啁啾泵浦光和啁啾种子光同步共线入射到第一非线性晶体内，以二类相位匹配方式进行第一级光参量放大，产生放大的信号光和闲频光，其中闲频光为水平偏振；步骤三，通过偏振滤光片滤除竖直偏振的信号光，仅保留水平偏振的泵浦光和闲频光，两者共同输入第二非线性晶体内，以二类相位匹配方式进行第二级光参量放大，产生放大的信号光和闲频光；步骤四，重复步骤三，每级放大后利用偏振滤光片滤除竖直偏振的信号光，并将泵浦光和闲频光输入后续非线性晶体内进行次级光参量放大；步骤五，利用长波通滤光片滤除泵浦光和信号光，提取闲频光脉冲。
8.根据权利要求7所述的光参量放大方法，其特征在于，闲频光在每一级非线性晶体内均达到饱和能量。
9.根据权利要求7所述的光参量放大方法，其特征在于，泵浦激光源为飞秒泵浦激光源，种子激光源为飞秒种子激光源。
10.根据权利要求7所述的光参量放大方法，其特征在于，所述各非线性晶体具体为BBO晶体。
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