CN1270415C - 小型化近共线近简并的opcpa和cpa混合型超短超强激光系统 - Google Patents
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Abstract
一种小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，包括钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器、脉冲展宽器、OPCPA放大级泵浦源、OPCPA放大级、CPA放大级和真空压缩器，其特征在于所述的脉冲展宽器置于钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器后，其输出两路脉冲分别进入OPCPA放大级泵浦源和OPCPA放大级，所述的OPCPA放大级泵浦源为同步泵浦源，依次由放大器、倍频器和双色镜组成；所述的OPCPA放大级依次由双色镜、LBO晶体和双色镜组成；所述的CPA放大级由钛宝石多通放大器和调Q倍频YAG激光器组成。本发明具有OPCPA的增益高、信号光和泵浦光对准容易、系统调节简单、泵浦光强度高、系统的B积分低和脉冲压缩的还原性高等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及超短超强激光系统，特别是一种利用近共线近简并的光学参量啁啾脉冲放大(以下简称OPCPA)和啁啾脉冲放大(以下简称CPA)原理的小型化混合型激光系统，可以适用于超短超强激光器研究和超短超强激光应用等领域。
背景技术：
超短超强激光科学以超强超短激光的发展，超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科与相关高技术领域中的前沿基础为对象，是重要的科学前沿领域，其中可以输出高功率脉冲的小型化超短超强激光系统是超短超强激光科学领域研究的基本设备。目前小型化超短超强激光系统主要是采用CPA技术的钛宝石激光系统，其输出能量目前可以达到1J量级，脉冲宽度一般＞30fs，工作频率一般是10Hz，输出脉冲峰值功率可以达到100TW的量级，脉冲信噪比如果不采用特别措施大约为103，一般是在105。为了提高脉冲信噪比，有人提出了小型化非共线非简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统。在在先技术中，美国里弗莫尔实验室的Jovanovic.I等人提供了一种典型的小型化非共线非简并的OPCPA和CPA混和型激光系统(Optics Letters，Vol.27，No.18，529-535，2002，UCRL-JC-146224，2001)，其光路布置如图1所示。钛宝石锁模振荡器1输出中心波长在～820nm，脉宽为～20fs的锁模脉冲通过展宽器2展宽为脉宽～600ps，能量～0.5nJ的啁啾脉冲，通过反射镜3和反射镜4反射后作为信号光注入OPCPA放大级13中，而采用一台独立的调Q倍频YAG激光器5输出脉宽～6.9ns，能量为1.5J的532nm脉冲通过能量衰减器6衰减后作为泵浦光以与信号光成一定的角度非共线同时注入OPCPA放大级13中，OPCPA放大级13由BBO晶体7、BBO晶体11、反射镜8、反射镜9、反射镜10和反射镜12组成，BBO晶体7和BBO晶体11都工作在非共线I类位相匹配的方式下，通过OPCPA放大级13放大后的信号光能量～2mJ，通过反射镜14反射后注入CPA钛宝石多通放大级16中，而在OPCPA放大级13输出的剩余的532nm泵浦光同样作为CPA钛宝石多通放大级16的泵浦光，被反射镜15反射后注入CPA钛宝石多通放大级16中。通过CPA钛宝石多通放大级16放大后得到～45mJ的信号光，最后注入脉冲压缩器17中，通过脉冲压缩器17最后输出脉冲宽度～60fs的超短脉冲。
在上述激光系统中，其特点是OPCPA放大级部分采用BBO晶体I类非共线非简并位相匹配结构，采用独立的激光器作为OPCPA放大级的泵浦源，虽然结构比较简单，使用器件少，但是主要缺点是由于使用非共线结构，OPCPA过程对非共线的夹角非常敏感，调节困难，加上采用独立的泵浦源，使得信号脉冲和泵浦脉冲之间的时间同步性不好，OPCPA放大级13工作不稳定。并且由于时间同步性不好(一般是lns量级)，一般需要长脉宽的泵浦脉冲，因此为了得到同样高的泵浦功率以获得高效率的OPCPA就需要用更大能量的泵浦脉冲，而且采用BBO晶体非共线位相匹配，晶体破坏阈值低，使得泵浦光强度低(＜1GW/cm2)，OPCPA的增益系数低，导致OPCPA放大级部分放大效率低。如果在后续CPA放大级16中采用饱和放大来稳定输出，但是会增加系统的B积分，使得脉冲压缩的还原性差。在在先技术中，小型化OPCPA和CPA混合型激光系统中脉冲放大压缩后脉冲的还原性差，从最初的20fs只压回60fs。
发明内容：
本发明为了克服上述在先技术中所存在的不足，提供一种小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统。
本发明的原理是利用近共线近简并光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)原理实现宽带激光脉冲的放大，利用传统的啁啾脉冲放大(CPA)原理实现激光脉冲的大能量放大，结合两者的优点，最终实现整个激光系统输出超短超强激光脉冲。OPCPA放大级部分采用非线性晶体(LBO)I类近共线近简并位相匹配结构，OPCPA放大级中的信号光和OPCPA放大级同步泵浦源输出的泵浦光来自同一个激光器，同步方式采用光同步，实现OPCPA放大级的宽带放大和CPA放大级的能量放大。
本发明的技术解决方案如下：
一种小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，包括钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器、脉冲展宽器、OPCPA放大级泵浦源、OPCPA放大级、CPA放大级和真空压缩器，其特征在于所述的脉冲展宽器置于钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器后，其输出两路脉冲分别进入OPCPA放大级泵浦源和OPCPA放大级，所述的OPCPA放大级泵浦源为同步泵浦源，依次由放大器、倍频器和双色镜组成；所述的OPCPA放大级依次由双色镜、LBO晶体和双色镜组成；所述的CPA放大级由钛宝石多通放大器及其泵浦调Q倍频YAG激光器组成；上述各元部件的位置关系如下：所述的脉冲展宽器置于钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器后，对输入的脉冲进行展宽并分束，其输出分成两路，其中一束进入OPCPA放大级同步泵浦源中的放大器放大，经倍频器倍频，再由其后的双色镜将倍频光从基频光中分离出来并导入OPCPA放大级中，另一束直接进入OPCPA放大级，该OPCPA放大级通过双色镜将来自展宽器和OPCPA放大级同步泵浦源的光共同导入LBO晶体和其后的双色镜，CPA放大级置于OPCPA放大级后，该CPA放大级由钛宝石多通放大器及调Q倍频YAG激光器泵浦源组成，真空压缩器置于CPA放大器之后。
所述双色镜将来自展宽器的信号光和OPCPA放大级同步泵浦源的倍频泵浦光共同导入LBO晶体时，其入射角为～0.5°。
在OPCPA放大级和CPA放大级之间设有导光的反射镜。
所述的OPCPA放大级同步泵浦源中的的放大器由钛宝石再生放大器和钛宝石前置放大器组成，并分别由一台调Q倍频YAG激光器泵浦。
所述的OPCPA放大级中可采用多块LBO晶体串连构成。
所述的CPA放大级中，可采用多级钛宝石多通放大器及其相应的调Q倍频YAG激光器泵浦源组成。
与先技术相比，本发明具有显著的特点：
(1)OPCPA放大级采用LBO晶体I类近共线近简并位相匹配结构。采用近共线结构，OPCPA的增益比非共线结构高，信号光和泵浦光对准容易，系统调节简单。采用LBO晶体，泵浦光强度可以高，使得OPCPA放大器部分放大效率高，有效减少后续CPA放大器的压力，降低系统的B积分，提高脉冲压缩的还原性；
(2)在800nm波段，OPCPA放大器中的信号光和OPCPA放大级同步泵浦源输出的泵浦光来自同一个激光器，同步方式采用光同步，同步精度高(＜10ps)，泵浦光的脉冲宽度可以足够窄，而比信号光的脉冲宽度略大，使得为了得到同样高的泵浦功率以获得高效率OPCPA所需要的泵浦脉冲能量比较低，并使得OPCPA放大级工作稳定。
附图说明：
图1为在先技术小型化非共线非简并的OPCPA和CPA混和型超短超强激光系统的结构示意图。
图2为本发明的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混和型超短超强激光系统实施例1的结构示意图。
图3是本发明小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混和型超短超强激光系统实施例2的结构示意图
具体实施方式：
首先请参阅图2，图2为本发明的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混和型超短超强激光系统实施例1的结构示意图。由图可见，本发明的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统主要包括：钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18，脉冲展宽器19，OPCPA放大级同步泵浦源20，OPCPA放大级26，反射镜28，CPA放大级31和真空压缩器32。其中OPCPA放大级同步泵浦源20由放大器21、倍频器22和双色镜23组成。OPCPA放大级26由双色镜24、LBO晶体25和双色镜27组成。CPA放大级31由钛宝石多通放大器30和调Q倍频YAG激光器29组成。脉冲展宽器19置于钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18后，对其输出的脉冲进行展宽并分束，输出两路脉冲分别进入其后的OPCPA放大级同步泵浦源20和OPCPA放大级26中，其中一束首先进入OPCPA放大级同步泵浦源20中的放大器21放大，置于其后的倍频器22将脉冲倍频，其后的双色镜23将倍频光从基频光中分离出来导入OPCPA放大级26中，OPCPA放大级26置于展宽器19和OPCPA放大级同步泵浦源20后，通过双色镜24将来自展宽器19和OPCPA放大级同步泵浦源20的光共同导入LBO晶体25和其后的双色镜27。CPA放大级31置于OPCPA放大级26后，其中钛宝石多通放大器30用于光脉冲放大，而调Q倍频YAG激光器29用于泵浦钛宝石多通放大器30，真空压缩器32置于CPA放大器31后，用于将光脉冲压缩。
如上所述，本发明系统的工作过程如下：
钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18产生800nm波段的～10fs量级的超短锁模脉冲列，脉冲展宽器19将钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18输出的～10fs锁模超短脉冲展宽为宽带啁啾脉冲，然后分成两部分分别输入OPCPA放大级同步泵浦源20和OPCPA放大级26中，OPCPA放大级同步泵浦源20产生OPCPA放大级26中需要的400nm窄带大能量泵浦脉冲，其中放大器21将输入的800nm宽带啁啾脉冲整形放大后输出800nm的窄带脉冲，再通过倍频器22倍频后输出400nm窄带脉冲，再通过双色镜26使800nm波长的光透射而400nm波长的光反射，将800nm的激光和400nm的倍频光分开。OPCPA放大级26利用OPCPA原理，由400nm的泵浦光将800nm的宽带啁啾脉冲放大，其中双色镜24使800nm波长的宽带光透射而400nm波长的光反射，800nm的宽带信号光和400nm的泵浦光就可以通过双色镜24成近共线输出到LBO晶体25上，LBO晶体25按照满足400nm泵浦光和800nm信号光的I类近共线近简并位相匹配角度切割，使得产生OPCPA过程放大800nm宽带信号光，双色镜27使800nm波长的宽带光反射而400nm波长的光透射，将800nm宽带信号光从400nm的泵浦光中分离出来，CPA放大级31将通过OPCPA放大级输出的800nm宽带啁啾脉冲进一步进行大能量放大，其中钛宝石多通放大器30由调Q倍频YAG激光器29输出的532nm激光脉冲泵浦，真空压缩器32将CPA放大级31输出的大能量啁啾脉冲在真空中压缩到～10fs量级脉冲，产生超短超强脉冲的输出。
上述小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，具体工作步骤可归纳如下：
(1)钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18产生800nm波段的超短锁模脉冲列，脉冲宽度可以到10fs的量级，光谱宽度＞60nm；
(2)钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18输出的超短脉冲列通过脉冲展宽器19展宽后分成两束宽带啁啾脉冲，分别注入OPCPA放大级同步泵浦源20中的放大器21和OPCPA放大级26中的双色镜24上，分别作为OPCPA的泵浦光光源和信号光；
(3)输入放大器21中的800nm宽带啁啾脉冲通过脉冲的光谱和时间整形，输出放大后的800nm波段窄带脉冲通过倍频器22倍频产生400nm窄带脉冲入射到双色镜23上，通过双色镜23反射注入OPCPA放大级26中的双色镜24上；
(4)从脉冲展宽器19输出的另一路800nm宽带啁啾脉冲作为OPCPA的信号光直接入射并且透过双色镜24和400nm的窄带泵浦脉冲同时以极小的角度(一般～0.5°)入射到LBO晶体25中实现近共线近简并OPCPA，通过LBO晶体25放大后，信号光和泵浦光入射到双色镜27上，400nm窄带泵浦光透过双色镜27，而800nm宽带啁啾脉冲作为信号光被双色镜27反射到反射镜28上；
(5)通过反射镜28反射，800nm宽带啁啾脉冲被注入CPA放大级31中，通过CPA放大级31中由调Q倍频YAG激光器29泵浦的钛宝石多通放大器30放大，被放大的800nm宽带啁啾脉冲被注入真空压缩器32中；
(6)在真空压缩器32中大能量宽带啁啾脉冲压缩还原为超短超强的10fs量级脉冲，最后整个系统输出高能量短脉宽的超短超强激光脉冲。
在本发明中，也可以采用输出脉冲宽度比较宽(例如几十fs)的钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18，相应的最后压缩脉冲的宽度也相应变宽。OPCPA放大级同步泵浦源20中的放大器21用于对800nm波段的脉冲进行高增益放大和光谱时间整形，可以采用多级放大器组成，以增加放大脉冲的能力，一般可以采用钛宝石再生放大器和一级钛宝石放大器组成。OPCPA放大级26中也可以采用多块LBO晶体串连，CPA放大级31中也可以采用多级钛宝石放大器串连的方式，使得脉冲能量可以得到进一步的放大，获得更大能量的输出。
图3是本发明小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混和型超短超强激光系统实施例2的结构示意图，它采用输出脉宽～10fs，中心波长～800nm的钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器18，通过脉冲展宽器19分别输出脉冲宽度～600ps(～125pJ)和～300ps(～250pJ)的宽带啁啾脉冲分别注入OPCPA放大级同步泵浦源20和OPCPA放大级26中，在OPCPA放大级同步泵浦源20中采用钛宝石再生放大器211和钛宝石前置放大器212组成的两级钛宝石放大器21，采用输出532nm脉冲能量为400mJ的调Q倍频YAG激光器213和1.2J的调Q倍频YAG激光器214分别泵浦钛宝石再生放大器211和钛宝石前置放大器212，通过脉冲光谱时间整形和倍频器22倍频最后输出～100mJ(～600ps)的400nm窄带脉冲，通过双色镜23反射后作为OPCPA的泵浦光入射到OPCPA放大级26中，在OPCPA放大级26中采用LBO晶体251和LBO晶体251串连结构，通过双色镜24引入的脉冲通过LBO晶体251和LBO晶体252放大后由双色镜27输出，OPCPA放大级26输出～2mJ(～300ps)的800nm宽带啁啾脉冲再通过反射镜28注入CPA放大级31中，在CPA放大级31中采用钛宝石多通放大器301和钛宝石多通放大器302组成两级钛宝石多通放大器30，在CPA放大级31中的调Q倍频YAG激光器291和调Q倍频YAG激光器292输出的532nm激光脉冲能量分别是800mJ和8J，作为泵浦光分别泵浦钛宝石多通放大器301和钛宝石多通放大器302，通过CPA放大级31中钛宝石多通放大器的放大，最后可以得到～2J(～300ps)的800nm宽带啁啾脉冲输出，注入真空压缩器32压缩后可以得到能量＞1J，脉冲宽度～20fs的800nm超短超强脉冲，其峰值功率可以＞50TW。
Claims (6)
1、一种小型化近共线近简并的光学参量啁啾脉冲放大和啁啾脉冲放大混合型超短超强激光系统，包括钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器(18)、脉冲展宽器(19)、光学参量啁啾脉冲放大以下简称OPCPA放大级泵浦源(20)、OPCPA放大级(26)、啁啾脉冲放大以下简称CPA放大级(31)和真空压缩器(32)，其特征在于所述的脉冲展宽器(19)置于钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器(18)后，其输出两路脉冲分别进入OPCPA放大级泵浦源(20)和OPCPA放大级(26)，所述的OPCPA放大级泵浦源(20)依次由放大器(21)、倍频器(22)和双色镜(23)组成；所述的OPCPA放大级(26)依次由双色镜(24)、LBO晶体(25)和双色镜(27)组成；所述的CPA放大级(31)由钛宝石多通放大器(30)和调Q倍频YAG激光器(29)组成；上述各元部件的位置关系如下：所述的脉冲展宽器(19)置于钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器(18)后，对输入的脉冲进行展宽并分束，其输出分成两路，其中一束首先进入OPCPA放大级同步泵浦源(20)中的放大器(21)放大，经倍频器(22)倍频，再由其后的双色镜(23)将倍频光从基频光中分离出来并导入OPCPA放大级(26)中，另一束直接进入OPCPA放大级(26)，该OPCPA放大级(26)通过双色镜(24)将来自展宽器(19)和OPCPA放大级同步泵浦源(20)的光共同导入LBO晶体(25)和其后的双色镜(27)，CPA放大级(31)置于OPCPA放大级(26)后，该CPA放大级(31)由钛宝石多通放大器(30)和调Q倍频YAG激光器(29)组成，真空压缩器(32)置于CPA放大器(31)之后。
2、根据权利要求1所述的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，其特征在于所述双色镜(24)将来自展宽器(19)的信号光和OPCPA放大级同步泵浦源(20)的倍频泵浦光共同导入LBO晶体(25)时，其入射角为～0.5°。
3、根据权利要求1所述的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，其特征是在OPCPA放大级(26)和CPA放大级(31)之间设有导光的反射镜(28)。
4、根据权利要求1所述的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，其特征是所述的OPCPA放大级同步泵浦源(20)中的放大器(21)由钛宝石再生放大器(211)和钛宝石前置放大器(212)组成，并分别由调Q倍频YAG激光器(213)和调Q倍频YAG激光器(214)泵浦。
5、根据权利要求1所述的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，其特征是在OPCPA放大级26中的LBO晶体(25)采用多块LBO晶体串连构成。
6、根据权利要求1所述的小型化近共线近简并的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，其特征是在CPA放大级(31)中，所述的钛宝石多通放大器(30)采用多级钛宝石多通放大器(301)及其相应的调Q倍频YAG激光器(291)泵浦源组成。
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