CN111600189B - 基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统及方法，包括：分束器、正色散介质、负色散介质、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第三非线性晶体、可变延时组件、分束片、多通道光谱仪和反馈控制回路；利用分束器、正色散介质和负色散介质得到正啁啾激光脉冲和负啁啾激光脉冲，然后利用泵浦激光在同一时刻对正啁啾激光脉冲和负啁啾激光脉冲不同的光谱元进行参量放大，采用多通道光谱仪记录第一波长和第二波长，最后反馈控制回路根据第一波长和第二波长，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，能够将泵浦激光与种子激光之间相对时间延迟锁定在几十飞秒的抖动范围内，实现泵浦种子同步，从而提高了光参量啁啾脉冲放大系统的稳定性。

Description

基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统及方法
技术领域
本发明涉及泵浦种子同步技术领域，特别是涉及一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统及方法。
背景技术
光学参量啁啾脉冲放大技术是目前超短脉冲技术中获得超高峰值功率的最有前途的技术。特别是采用超短脉冲作为泵浦源时可以利用比较短的非线性晶体，来提高非线性晶体的参量增益带宽，从而获得较宽的光谱输出。
从提高脉冲时域对比度方面来说，超短脉冲泵浦的光参量放大器具有极大的优越性。理论上，由于光参量啁啾脉冲放大只在泵浦光持续时间内具有参量增益，因此采用皮秒或亚皮秒脉冲作为泵浦源，能进一步提高光参量啁啾脉冲放大系统在ps时间尺度的时域对比度。然而，由于泵浦脉冲的持续时间只有1～2ps甚至数百fs，因此对泵浦光和种子光之间的时间同步性提出了极为苛刻的要求。
已有的相对成熟的泵浦种子同步方案有：(1)泵浦光和飞秒种子光来源于同一个超宽带飞秒振荡器；(2)飞秒种子源和泵浦光种子源来源于不同的振荡器，但是通过外部电路控制实现飞秒种子源振荡器和泵浦光种子源振荡器之间的同步锁定。然而这些方案仅仅是对振荡器(或初始种子信号)之间进行了同步锁定，而为了达到毫焦耳量级的皮秒泵浦光，泵浦光的放大光程长度可达数百米甚至上千米。因此环境的温度波动、激光光路中光学元器件的温度波动、光学平台的机械振动等，会导致泵浦与种子之间的相对时间抖动随机变化，且抖动范围很容易超过泵浦脉冲的持续时间，使得泵浦光与种子光在时域重合度上发生偏离甚至分离，严重影响参量放大过程的稳定性，最终影响整个激光系统的稳定性。因此，已有的同步方案并不能完全满足参量放大过程中皮秒泵浦光与种子光(信号光)之间飞秒量级的时间同步要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统及方法，能够将泵浦与种子之间相对时间延迟锁定在几十飞秒的抖动范围内，从而提高光参量啁啾脉冲放大系统的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，包括：分束器、正色散介质、负色散介质、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第三非线性晶体、可变延时组件、分束片、多通道光谱仪和反馈控制回路；
所述分束器用于将接收到的种子激光分束为第一路种子激光、第二路种子激光和第三路种子激光；
所述第一路种子激光经过延迟后射入所述正色散介质，所述正色散介质用于将延迟的第一路种子激光展宽为正啁啾激光脉冲，所述正啁啾激光脉冲射入所述第一非线性晶体；
所述第二路种子激光经过延迟后射入所述负色散介质，所述负色散介质用于将延迟的第二路种子激光展宽为负啁啾激光脉冲，所述负啾激光脉冲射入所述第二非线性晶体；
所述第三路种子激光射入所述第三非线性晶体；
所述可变延时组件用于将接收到的泵浦激光进行延迟，延迟的泵浦激光射入所述分束片，所述分束片用于将接收的所述延迟的泵浦激光分束为第一路泵浦激光、第二路泵浦激光和第三路泵浦激光；
所述第一路泵浦激光射入所述第一非线性晶体，用于对所述正啁啾激光脉冲进行放大；所述第二路泵浦激光射入所述第二非线性晶体，用于对所述负啁啾激光脉冲进行放大；所述第三路泵浦激光射入所述第三非线性晶体，用于对所述第三路种子激光进行放大；
所述多通道光谱仪用于分别记录第一波长和第二波长，所述第一波长为放大的正啁啾激光脉冲的波长，所述第二波长为放大的负啁啾激光脉冲的波长；
所述反馈控制回路用于根据所述第一波长和所述第二波长，利用所述可变延时组件调节所述泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和所述第三路种子激光同步。
可选的，所述正色散介质的啁啾系数为αI，所述负色散介质的啁啾系数αII，其中，αI＞0，αII＜0，|αI+αII|≤Δ1，Δ1为第一设定阈值。
可选的，所述可变延时组件包括步进电机和压电陶瓷。
可选的，所述正色散介质为SF10玻璃。
可选的，所述负色散介质为光栅对。
可选的，所述种子激光为飞秒脉冲，所述泵浦激光为皮秒或亚皮秒脉冲。
一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法，所述基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法应用于所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统；所述基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法包括：
获取多通道光谱仪采集的第一波长和第二波长；
将所述第一波长和所述第二波长作差，得到波长差；
获取啁啾系数；所述啁啾系数为正色散介质的啁啾系数或负色散介质的啁啾系数；
根据所述啁啾系数和所述波长差，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和第三路种子激光同步。
可选的，所述根据所述啁啾系数和所述波长差，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和第三路种子激光同步，具体包括：
利用所述可变延时组件调节所述泵浦激光的光程，使公式
Figure BDA0002519863460000031
成立，当所述公式
Figure BDA0002519863460000032
成立时，所述泵浦激光和所述第三路种子激光同步，其中，c为光速，α为啁啾系数，Δλ为波长差，λ0为初始中心波长，Δ2为第二设定阈值，Δτ为时间抖动。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法及系统，利用正啁啾激光脉冲和负啁啾激光脉冲相反的光谱时域分布特性，使得泵浦激光在同一时刻对正啁啾激光脉冲和负啁啾激光脉冲不同的光谱元进行参量放大，提高光谱变化的分辨能力，然后采用多通道光谱仪记录第一波长和第二波长，最后反馈控制回路根据第一波长和第二波长，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，能够将泵浦激光与种子激光之间相对时间延迟锁定在几十飞秒的抖动范围内，实现泵浦种子同步，从而提高了光参量啁啾脉冲放大系统的稳定性。
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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统的光路示意图；
图2为本发明实施例所提供的基于啁啾脉冲参量增益谱反馈的泵浦种子同步原理示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法流程图。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
本发明的目的是提供一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统及方法，能够将泵浦与种子之间相对时间延迟锁定在几十飞秒的抖动范围内，从而提高光参量啁啾脉冲放大系统的稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统的光路示意图，如图1所示，本发明基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统包括：分束器、正色散介质、负色散介质、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第三非线性晶体、可变延时组件、分束片、多通道光谱仪和反馈控制回路。
所述分束器用于将接收到的种子激光分束为第一路种子激光、第二路种子激光和第三路种子激光。所述第一路种子激光经过延迟后射入所述正色散介质，所述正色散介质用于将延迟的第一路种子激光展宽为正啁啾激光脉冲，所述正啁啾激光脉冲射入所述第一非线性晶体。所述第二路种子激光经过延迟后射入所述负色散介质，所述负色散介质用于将延迟的第二路种子激光展宽为负啁啾激光脉冲，所述负啾激光脉冲射入所述第二非线性晶体。所述第三路种子激光射入所述第三非线性晶体。
所述可变延时组件用于将接收到的泵浦激光进行延迟，延迟的泵浦激光射入所述分束片，所述分束片用于将接收的所述延迟的泵浦激光分束为第一路泵浦激光、第二路泵浦激光和第三路泵浦激光。所述第一路泵浦激光射入所述第一非线性晶体，用于对所述正啁啾激光脉冲进行放大。所述第二路泵浦激光射入所述第二非线性晶体，用于对所述负啁啾激光脉冲进行放大。所述第三路泵浦激光射入所述第三非线性晶体，用于对所述第三路种子激光进行放大。
所述多通道光谱仪用于分别记录第一波长和第二波长，所述第一波长为放大的正啁啾激光脉冲的波长，所述第二波长为放大的负啁啾激光脉冲的波长。
所述反馈控制回路用于根据所述第一波长和所述第二波长，利用所述可变延时组件调节所述泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和所述第三路种子激光同步，从而达到泵浦激光和种子激光的同步。
优选的，所述正色散介质的啁啾系数为αI，所述负色散介质的啁啾系数αII，其中，αI＞0，αII＜0，|αI+αII|≤Δ1，Δ1为设定阈值。具体的，本发明实施例中Δ1≈0即αI≈-αII。
优选的，所述可变延时组件包括步进电机和压电陶瓷。具体的，利用步进电机加压电陶瓷组合的方式，调节皮秒/亚皮秒泵浦激光的光程，实现泵浦光相对于信号光的可变延迟调节，其中，步进电机的功能为实现皮秒/亚皮秒泵浦光可变延时的大范围及大步长调节，压电陶瓷进行精细调节。
优选的，所述正色散介质为SF10玻璃。
优选的，所述负色散介质为光栅对。
优选的，所述种子激光为飞秒脉冲，所述泵浦激光为皮秒或亚皮秒脉冲。
具体的，种子激光为飞秒脉冲即称飞秒种子激光，泵浦激光为持续时间比飞秒种子激光稍长的皮秒或亚皮秒脉冲即称皮秒/亚皮秒泵浦激光。将飞秒种子激光通过分束器分为3路，第一路种子激光(光束I)、第二路种子激光(光束II)和第三路种子激光(光束II)。光束I通过延迟1后经过正色散介质展宽为正啁啾激光脉冲；光束II通过延迟2后经过负色散介质展宽为负啁啾激光脉冲；光束III为原始飞秒种子激光。正色散介质与负色散介质设计为具有近似或相等的啁啾量，即αI≈-αII，其中αI＞0为正色散介质的啁啾系数，αII＜0为负色散介质的啁啾系数。
通过可变延时组件后的泵浦激光(光束IV)被分束片分为3束，然后分别在非线性晶体BBO I、非线性晶体BBO II和非线性晶体BBO III中对来自飞秒种子激光的光束I(正啁啾激光脉冲)、光束II(负啁啾激光脉冲)和光束III(原始飞秒种子激光)进行参量放大(OPA)。利用多通道光谱仪记录放大的信号光光谱，即记录通道I的第一波长和通道II的第二波长。反馈控制回路将第一波长和第二波长作差得到波长差即光谱数据的中心波长差，根据中心波长差与相对延迟时间(即泵浦种子同步时间)的函数关系，调节皮秒/亚皮秒泵浦激光的可变延迟，使得光束IV和光束III满足精确的时间同步要求。其中，放大的飞秒种子激光光束III通过分束片分为两束，一束输入多通道光谱仪，可作为监测放大的飞秒种子激光光谱形状，另一束作为后端放大系统的种子激光进行进一步的参量放大。
皮秒/亚皮秒泵浦激光的可变延迟反馈控制调节原理如图2所示。根据啁啾脉冲的特点，时间抖动Δτ与增益波长存在简单的线性关系(中心波长差与相对延迟时间的函数关系)：
Figure BDA0002519863460000061
其中，c为光速，α为啁啾系数，α＝αI或α＝αII，λI为第一波长即BBO I参量放大波长，λII为第二波长，即BBO II参量放大波长，λ0为初始中心波长(参考波长)。
根据图2可知，当Δλ<0时，意味着泵浦激光落后于信号光(Δτ<0)，此时通过泵浦激光的可变延迟组件减小泵浦激光光程，使得泵浦激光光程和飞秒种子激光的光程相等，从而满足泵浦激光与飞秒种子激光的精确同步；而当Δλ>0时，意味着泵浦激光超前于信号光，此时通过泵浦激光的可变延迟组件增加泵浦激光光程，使得泵浦激光光程和飞秒种子激光的光程相等，进而满足精确的时间同步。通过调节泵浦光路的相对延迟，可将Δλ锁定在初始参考状态，也就意味着将泵浦与种子的相对延迟锁定在固定的初始状态。通过设计合适的啁啾参数，可将相对时间抖动Δτ控制几十飞秒的时间范围内。
本发明还提供了一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法，如图3所示，所述方法应用于上述所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统；所述基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法包括：
S101，获取多通道光谱仪采集的第一波长和第二波长。
S102，将所述第一波长和所述第二波长作差，得到波长差。
S103，获取啁啾系数；所述啁啾系数为正色散介质的啁啾系数或负色散介质的啁啾系数。
S104，根据所述啁啾系数和所述波长差，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和第三路种子激光同步。
优选的，S104具体包括：
利用所述可变延时组件调节所述泵浦激光的光程，使公式
Figure BDA0002519863460000071
成立，当所述公式
Figure BDA0002519863460000072
成立时，所述泵浦激光和所述第三路种子激光同步，其中，c为光速，α为啁啾系数，Δλ为波长差，λ0为初始中心波长，Δ2为第二设定阈值，Δτ为时间抖动。
具体的，本发明实施例中Δ2≈0即
Figure BDA0002519863460000073
通过调节泵浦光路的相对延迟，可将Δλ锁定在初始参考状态，也就意味着将泵浦与种子的相对延迟锁定在固定的初始状态。通过设计合适的啁啾参数，可将相对时间抖动Δτ控制几十飞秒的时间范围内。
本发明主要有以下优点：
1、全光学反馈手段，不涉及复杂的电子电路设计，抗干扰能力强，兼容性好；
2、光学效率高：相比于其它的非线性过程(如和频、差频等)，光参量放大具有极高的光学；
3、光路简单，较强的光谱变化分辨能力：同时引入正啁啾脉冲和负啁啾脉冲光学参量放大，利用正啁啾脉冲和负啁啾脉冲相反的光谱时域分布特性，使得泵浦脉冲在同一时刻对正啁啾脉冲和负啁啾脉冲不同的光谱元进行参量放大，提高光谱变化的分辨能力；
4、时间同步精度高：可根据实际系统设计合适的啁啾率，使得时间同步精度可达几十飞秒甚至更小。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，其特征在于，包括：分束器、正色散介质、负色散介质、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第三非线性晶体、可变延时组件、分束片、多通道光谱仪和反馈控制回路；
所述分束器用于将接收到的种子激光分束为第一路种子激光、第二路种子激光和第三路种子激光；
所述第一路种子激光经过延迟后射入所述正色散介质，所述正色散介质用于将延迟的第一路种子激光展宽为正啁啾激光脉冲，所述正啁啾激光脉冲射入所述第一非线性晶体；
所述第二路种子激光经过延迟后射入所述负色散介质，所述负色散介质用于将延迟的第二路种子激光展宽为负啁啾激光脉冲，所述负啁啾激光脉冲射入所述第二非线性晶体；
所述第三路种子激光射入所述第三非线性晶体；
所述可变延时组件用于将接收到的泵浦激光进行延迟，延迟的泵浦激光射入所述分束片，所述分束片用于将接收的所述延迟的泵浦激光分束为第一路泵浦激光、第二路泵浦激光和第三路泵浦激光；
所述第一路泵浦激光射入所述第一非线性晶体，用于对所述正啁啾激光脉冲进行放大；所述第二路泵浦激光射入所述第二非线性晶体，用于对所述负啁啾激光脉冲进行放大；所述第三路泵浦激光射入所述第三非线性晶体，用于对所述第三路种子激光进行放大；
所述多通道光谱仪用于分别记录第一波长和第二波长，所述第一波长为放大的正啁啾激光脉冲的波长，所述第二波长为放大的负啁啾激光脉冲的波长；
所述反馈控制回路用于根据所述第一波长和所述第二波长，利用所述可变延时组件调节所述泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和所述第三路种子激光同步。
2.根据权利要求1所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，其特征在于，所述正色散介质的啁啾系数为αI，所述负色散介质的啁啾系数αII，其中，αI＞0，αII＜0，|αI+αII|≤Δ1，Δ1为第一设定阈值。
3.根据权利要求1所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，其特征在于，所述可变延时组件包括步进电机和压电陶瓷。
4.根据权利要求1所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，其特征在于，所述正色散介质为SF10玻璃。
5.根据权利要求1所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，其特征在于，所述负色散介质为光栅对。
6.根据权利要求1所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统，其特征在于，所述种子激光为飞秒脉冲，所述泵浦激光为皮秒或亚皮秒脉冲。
7.一种基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法，其特征在于，所述基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法应用于权利要求1-6任意一项所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步系统；所述基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法包括：
获取多通道光谱仪采集的第一波长和第二波长；
将所述第一波长和所述第二波长作差，得到波长差；
获取啁啾系数；所述啁啾系数为正色散介质的啁啾系数或负色散介质的啁啾系数；
根据所述啁啾系数和所述波长差，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和第三路种子激光同步。
8.根据权利要求7所述的基于超短脉冲光参量放大中的泵浦种子同步方法，其特征在于，所述根据所述啁啾系数和所述波长差，利用可变延时组件调节泵浦激光的光程，使所述泵浦激光和第三路种子激光同步，具体包括：
利用所述可变延时组件调节所述泵浦激光的光程，使公式
Figure FDA0002898235600000021
成立，当所述公式
Figure FDA0002898235600000022
成立时，所述泵浦激光和所述第三路种子激光同步，其中，c为光速，α为啁啾系数，Δλ为波长差，λ0为初始中心波长，Δ2为第二设定阈值，Δτ为时间抖动。
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CN103605249A (zh) * 2013-11-29 2014-02-26 华中科技大学 一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置
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