CN1241305C - 光学参量啁啾脉冲放大同步泵浦光的产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)中，产生与超短脉冲信号光精确同步的泵浦光的方法，该方法利用由飞秒激光器产生的800nm的超短脉冲光经过倍频产生400nm的超短脉冲光作为泵浦源，1053nm或1064nm连续激光作为注入信号光，最终获得与800nm超短脉冲同步的高能量绿光脉冲，为OPCPA提供了与信号光精确同步的泵浦光，其优点是：结构简单，调节方便，同步精度及时间抖动可达飞秒量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)中，产生与超短脉冲信号光精确同步的泵浦光的方法，即光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)同步泵浦光产生方法。
背景技术
啁啾脉冲放大技术(CPA)已能成功地实现TW量级激光输出，但是CPA技术也存在一定的缺陷，例如：(1)脉冲对比度低；(2)增益窄化效应，光谱漂移和非线性B积分等的影响；(3)对于目前的高能激光(kJ)，钕玻璃CPA系统的可输出峰值功率受限于现有商品化光栅的尺寸。于是人们提出了光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的全新的概念。OPCPA概念是：由一些运转在高能量抽取效率的激光器提供大功率高能量的泵浦脉冲，然后在非线性介质(诸如LBO、KDP、β-BBO晶体等)内通过光学参量放大(OPA)对一个宽带啁啾信号激光脉冲进行放大，以代替CPA激光系统中的固体激光增益介质对宽带啁啾脉冲放大，最后再通过脉冲压缩得到高输出峰值功率的激光脉冲。在目前的情况下，根据实用的可以作为超短脉冲振荡器和输出强激光脉冲作为泵浦脉冲的激光器而言，OPCPA激光系统比较通用两种基本构架，一种是采用输出800nm附近飞秒脉冲的激光器作为振荡器(一般是Ti:S激光器)，采用输出1000nm附近脉冲宽度为纳秒级的强激光脉冲激光器(一般是Nd:YAG或Nd:glass激光器)，其输出的脉冲倍频后作为泵浦脉冲，采用非共线光学参量放大方式。另一种是采用输出1000nm附近飞秒脉冲的激光器作为振荡器(一般是Ti:S激光器)，采用输出1000nm附近的脉冲宽度为纳秒级的强激光脉冲激光器作为泵浦源(一般是Nd:YAG或Nd:glass激光器)，将其输出的脉冲倍频后作为泵浦脉冲，采用共线或近共线光学参量放大方式。在OPCPA过程中，信号光和泵浦光之间的时间抖动(jitter)，会导致放大信号光能量稳定性降低和光谱的畸变。目前国际上在高功率OPCPA激光系统研究中，大都是采用两个信号源，即OPCPA的信号光和泵浦源的信号光为各自独立的信号源，如上述的两种基本构架内容，但是采用这种方法，信号光和泵浦光之间的时间抖动较大。另一种设计方案是使泵浦源和OPCPA放大采用同一个信号源。OPCPA系统种子脉冲是来源于一个工作在1000nm波长附近自锁模的钛宝石飞秒脉冲振荡器。振荡器输出的连续锁模飞秒脉冲经过展宽器，被展宽到大约150ps。展宽后的啁啾脉冲列用一块分束比为1∶1的分束镜将以这束光分成两束，一束啁啾脉冲作为后级OPCPA放大器的信号脉冲，另一束啁啾脉冲再多次通过光栅，被展宽到大约300ps，作为泵浦源系统的种子源注入再生放大器。这种方案大大减小了信号光和泵浦光之间的时间抖动，但是在1000nm波长附近，钛宝石的增益非常低，为了得到稳定的飞秒锁模脉冲，必须对振荡器腔内的色散进行精确的补偿。因此，信号光和泵浦光之间的精确时间同步和减小时间抖动是一个关键技术难题。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种产生OPCPA同步泵浦光的方法，该方法利用800nm的超短脉冲光经过倍频产生400nm的超短脉冲光作为泵浦源，波长在1053nm或1064nm的连续激光作为注入信号光，为OPCPA提供与信号光精确同步的泵浦光。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
本发明的方案是，利用800nm的超短脉冲光经过倍频产生400nm的超短脉冲光作为泵浦源，波长在1053nm或1064nm的连续激光作为注入信号光，在非线性光学介质晶体中通过光参量过程，产生与800nm超短脉冲光精确同步的闲散光超短脉冲；利用产生的闲散光再次与剩余的400nm的泵浦光在非线性光学介质晶体中经过光参量过程，产生与800nm超短脉冲精确同步的、波长在1053nm或1064nm的、高对比度的超短脉冲；以此超短脉冲作为种子光，经过注入放大、倍频，获得与800nm超短脉冲同步的高能量绿光脉冲。
波长在1053nm或1064nm的连续激光的输出可以采用输出波长为1064nm的掺Nd的矾酸钇激光器、或者是采用输出波长为1064nm的掺Nd的钇铝石榴石激光器、或者是采用输出波长为1053nm的掺Nd的钕玻璃激光器、或者是采用输出波长为1053nm的掺Nd的锂钇氟化物激光器。
非线性介质指的是通光波段为近红外到近紫外的光波区域，且其折射率可实现400nm-1064nm光参量相位匹配的非线性介质晶体，例如可以是LBO晶体、或是KDP晶体、或是β-BBO晶体。
本发明的优点是：结构简单，调节方便。由于光参量过程响应时间为飞秒量级，获得的高能量绿光脉冲与OPCPA信号光的同步精度及时间抖动可达飞秒量级。以波长在1053nm或1064nm的连续激光作为OPA的信号光，获得的闲散光空间方向性好，因此最终获得的作为种子源的波长在1053nm或1064nm的超短脉冲的空间方向性也比一般超快激光参量放大器产生的超短脉冲好的多。
附图概述
附图1为本发明实施例方案1的基本光路图；
附图2为本发明实施例方案2的基本光路图；
附图3为本发明实施例方案3的基本光路图；
附图4为本发明实施例方案4的基本光路图。
具体技术方案
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-4所示，标号1-14为：偏振旋转爬高镜(1)、平面反射镜(2)、凹面反射镜(3)、LBO晶体(4)、熔石英透镜(5)、平面反射镜(6)、β-BBO晶体(7)、单纵模连续激光器(8)、平面反射镜(9)、1064nm半波片(10)、平面反射镜(11)、平面反射镜(12)、一维调整台(13)、饱和吸收体(14)。
偏振旋转爬高镜(1)，镀有45°入射高反膜@600-1000nm；
平面反射镜(2)，镀有高反膜@600-1000nm；
凹面反射镜(3)，镀有高反膜@600-1000nm，焦距为500mm；
LBO晶体(4)，4mm×4mm厚1mm，θ＝90°，φ＝31.68°，两面镀有增透膜@800nm+400nm；
熔石英透镜(5)，两面镀有增透膜@400nm，焦距为50mm；
平面反射镜(6)，一面镀有45°入射高反膜@400nm，增透膜@800nm，另一面镀有45°入射增透膜@800nm；
β-BBO晶体(7)，4mm×4mm厚1mm，θ＝31.5°，φ＝0°，双面镀有宽带增透膜@400-1100nm及防潮膜；
单纵模连续激光器(8)为半导体泵浦的1064nm单纵模连续激光器；
平面反射镜(9)，镀有45°入射高反膜@1064nm；
1064nm半波片(10)，两面镀有增透膜@1064nm；
平面反射镜(11)，镀有45°入射高反膜@640nm；
平面反射镜(12)，镀有0°入射高反膜@400nm。
实施例：从飞秒激光器中输出的中心波长为800nm的超短脉冲经过倍频，产生波长为400nm光脉冲，取其偏振态平行于β-BBO晶体的光轴方向(非常光)正入射到β-BBO晶体上作为光学参量放大的泵浦光；作为注入信号光的1064nm单纵模激光，偏振态垂直于β-BBO晶体的光轴方向(寻常光)，以与400nm的泵浦光在空气中成一定角度入射到β-BBO晶体上，并且与400nm的泵浦光在β-BBO晶体中重合；在β-BBO晶体的主截面内，400nm的非常光与1064nm的寻常光满足非共线相位匹配条件，在β-BBO晶体中产生非线性的参量过程，通过不同方式，最终获得同步的1064nm的高对比度超短脉冲；再以此脉冲作为种子源注入到再生放大与多通或多级放大链，经二次谐波产生，获得532nm的高能量脉冲，用于OPCPA的泵浦。
由于用于产生1064nm宽带短脉冲的800nm超短脉冲与将在OPCPA中作为信号光的800nm超短脉冲采用的是同一个信号源，因此1064nm(532nm)的超短脉冲与OPCPA的信号光的时间同步精度高，时间抖动小。
方案1：如图1所示，本方案中基本光路的主要组成部分有一片LBO晶体(4)、一片β-BBO晶体(7)、一台半导体激光器泵浦的小型的1064nm的单纵模连续激光器(8)。
以一台钛宝石飞秒激光器产生的中心波长为800nm、单脉冲能量约为600μJ、脉宽约为200fs的超短脉冲作为输入，原偏振方向由平行于工作台桌面方向的飞秒脉冲经过偏振旋转爬高镜(1)，偏振方向转为垂直工作台桌面方向；飞秒脉冲经过平面反射镜(2)反射，反射到凹面反射镜(3)，经过聚焦，飞秒脉冲光的焦点位于距反射镜(3)后500mm处，焦点处光斑大小约为25μm；厚度为1mm的LBO晶体(4)被放置在焦点前200mm处，飞秒激光脉冲在LBO晶体中以第一类相位匹配倍频，产生偏振方向平行于工作台桌面方向，单脉冲能量约为150μJ的、中心波长为400nm超短光脉冲作为OPA的泵浦光；中心波长为400nm的超短光脉冲，通过置于距焦点后面50mm处的熔石英正透镜(5)聚焦，获得到约6GW/cm2的光强，通过平面反射镜(6)，将剩余的800nm飞秒脉冲透射，并将中心波长为400nm的飞秒光脉冲反射，传播方向改变90°，入射到厚度为1mm的β-BBO晶体(7)；旋转β-BBO晶体(7)，使其主截面平行于工作台桌面；覆盖了大部分可见光区域的参量荧光在晶体中按照约3.7°的锥角发射出来，在空气中可以看到锥角约为6.2°的参量荧光环。
半导体激光器泵浦的小型的1064nm的单纵模连续激光器(8)输出1064nm的单纵模连续激光束经过平面反射镜(9)，通过一片1064nm的半波片(10)控制其偏振方向为平行于工作台桌面，再由平面反射镜(9)将1064nm的连续激光反射，以与400nm的泵浦光在空气中成10.7°的方向入射到β-BBO晶体(7)，在晶体(7)中，1064nm的连续信号光与400nm的泵浦光成6.44°，这样，400nm的超短脉冲泵浦光与1064nm的连续信号光在晶体内以非共线第一类相位匹配产生参量放大，获得中心波长为640nm的同步宽带短脉冲。将此脉冲通过平面反射镜(11)反射到关于400nm光束对称的A点，通过平面反射镜(11)反射，使640nm的闲散光以与出射角相同的入射角再次入射到晶体中。再将剩余的400nm的泵浦光经过平面反射镜(12)反射，沿原路返回β-BBO晶体(7)中，通过一维调整台(13)调节400nm泵浦光的延时，使两束光在β-BBO晶体中时间与空间上都重合，再次经过光参量过程，产生与800nm超短脉冲同步的，中心波长为1064nm的，高对比度的宽带短脉冲。以此1064nm的宽带短脉冲作为种子光，经过注入放大，倍频，最终获得与800nm超短脉冲同步的532nm的高能量脉冲光，为OPCPA提供了与信号光同步的泵浦光。
方案2：如图2所示。
与实施例1相比，实施例2直接利用1064nm连续光与400nm超短脉冲泵浦光在β-BBO晶体中通过光参量过程得到的同步放大的1064nm超短脉冲作为种子光。参量过程中产生的1064nm的超短脉冲光与剩余的连续光在空间上是重合的，因此，可以在光路中插入一片在1064nm波段具有饱和吸收特性的饱和吸收体(14)，消除光束中的直流本底，提高激光脉冲的对比度。
方案3：如图3所示。
与实施例1相比，实施例3直接将1064nm连续光与400nm超短脉冲泵浦光在β-BBO晶体中通过光参量过程得到640nm超短脉冲按照原路返回到β-BBO晶体，与返回的400nm的泵浦光再次通过参量过程，产生同步的1064nm的超短光脉冲。新产生的1064nm的超短光脉冲与入射的1064nm连续光在空间上几乎重合。可将β-BBO晶体前的平面反射镜(9)替换为1064nm半反半透平面反射镜，将传输方向不同的两束光分开。
方案4：如图4所示。
与实施例1相比，实施例4使用了另外一片β-BBO晶体(7)，实现640nm的超短脉冲与400nm超短脉冲的泵浦光的光参量过程，产生1064nm的同步超短脉冲。
虽然以上已经参照附图对按照本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，例如：非线性介质晶体种类的变换、光路的变换、符合本发明使用要求的激光器种类的变换等等。
Claims (5)
1、一种光学参量啁啾脉冲放大同步泵浦光的产生方法，其特征在于该方法利用由飞秒激光器产生的800nm的超短脉冲光经过倍频产生400nm的超短脉冲光作为泵浦源，采用波长在1053nm或1064nm的连续激光作为注入信号光。
2、根据权利要求1所述的一种光学参量啁啾脉冲放大同步泵浦光的产生方法，其特征在于所述的作为泵浦源的400nm的超短脉冲光以及作为注入信号光的波长在1053nm或1064nm的连续激光，在非线性介质晶体中通过光参量过程，产生与800nm超短脉冲光精确同步的闲散光超短脉冲，所产生的闲散光再次与剩余的400nm的泵浦光在非线性介质晶体中经过光参量过程，产生与800nm超短脉冲精确同步的，中心波长在1053nm或1064nm的，高对比度的超短脉冲，再以此超短脉冲作为种子光，经过注入放大、倍频，获得与800nm超短脉冲同步的高能量绿光脉冲，为OPCPA提供了与信号光精确同步的泵浦光。
3、根据权利要求2所述的一种光学参量啁啾脉冲放大同步泵浦光的产生方法，其特征在于所述的非线性介质指的是通光波段为近红外到近紫外的光波区域，且其折射率可实现400nm-1064nm光参量相位匹配的非线性介质晶体。
4、根据权利要求2所述的一种光学参量啁啾脉冲放大同步泵浦光的产生方法，其特征在于所述的非线性介质可以是LBO晶体、或是KDP晶体、或是β-BBO晶体。
5、根据权利要求1或2所述的一种光学参量啁啾脉冲放大同步泵浦光的产生方法，其特征在于所述的方法是，从飞秒激光器中输出的中心波长为800nm的超短脉冲经过倍频，产生波长为400nm光脉冲，取其偏振态平行于非线性介质β-BBO晶体的光轴方向正入射到β-BBO晶体上作为光学参量放大的泵浦光；作为注入信号光的1064nm单纵模激光，偏振态垂直于β-BBO晶体的光轴方向，以与400nm的泵浦光在空气中成一定角度入射到β-BBO晶体上，并且与400nm的泵浦光在β-BBO晶体中重合；在β-BBO晶体的主截面内，400nm的非常光与1064nm的寻常光满足非共线相位匹配条件，在β-BBO晶体中产生非线性的参量过程，通过不同方式，最终获得同步的1064nm的高对比度超短脉冲；再以此脉冲作为种子源注入到再生放大与多通或多级放大链，经二次谐波产生，获得532nm的高能量脉冲，用于OPCPA的泵浦。
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