CN1688068A - 小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，包括飞秒锁模脉冲振荡器、脉冲展宽器和脉冲压缩器，其特征是在所述的飞秒锁模脉冲振荡器输出的信号光光路上依次是脉冲展宽器、普克尔盒，通过该普克尔盒选取10Hz的脉冲作为种子光经第一反射镜和双色镜进入周期极化的非线性晶体，一同步泵浦源发出的泵浦光经能量衰减片、双色镜进入所述的周期极化的非线性晶体，所述的种子光和泵浦光呈非共线角在该周期极化的非线性晶体中进行OPCPA放大，放大的信号光通过第二反射镜反射后经压缩器后输出超短超强的激光脉冲，同步泵浦源发出的泵浦光的剩余的泵浦光方向有能量接受器。
Description
技术领域
本发明涉及超短超强激光系统，特别是一种利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的非共线非简并的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统
小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统是利用光学参量啁啾脉冲放大(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification，简写为OPCPA)原理的小型化激光系统，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，超强超短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。其中小型化的超强超短脉冲激光系统是超强超短激光科学领域研究的重要设备。目前主要的超短超强脉冲小型化系统是采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)的钛宝石激光系统。该技术相对来说比较成熟，但其原理自身存在无法克服的缺点，如脉冲信噪比低，信噪比如果不采用特别措施大约为103，一般为105；放大过程存在严重的光谱增益窄化等。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。在先技术中，美国利弗莫尔实验室的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混合型激光系统(OpticsLetters，Vol.27，No.18，529-535，2002，UCRL-JC-16224，2001)，其光路布置如图1所示。钛宝石锁模振荡器01输出的中心波长在～820nm，脉宽为～30fs的锁模脉冲通过展宽器02展宽为脉冲宽度～600ps，能量～0.5nJ的啁啾脉冲，通过反射镜03和第一双色镜04反射后作为信号光注入OPCPA放大级013中，而采用一台独立的调Q倍频YAG激光器05输出脉宽～6.9ns，能量为1.5J的532nm脉冲通过能量衰减器06衰减后作为泵浦光与信号光成一定的角度非共线(～3.7度)同时注入OPCPA放大级013中，OPCPA放大级013由偏硼酸钡(简写为BBO)晶体07，BBO晶体011，第二双色镜镜08，反射镜09，第三双色镜010和反射镜012组成，BBO晶体07和BBO晶体011都工作在非共线I类相位匹配的方式下。通过OPCPA放大级013放大后的信号光能量～2mJ，通过反射镜014反射后注入CPA钛宝石多通放大级016中，而在OPCPA放大级013输出的剩余的532nm泵浦光同样作为CPA钛宝石多通放大级016的泵浦光，被反射镜015反射后注入CPA钛宝石多通放大级016中。通过CPA钛宝石多通放大级016放大后得到～45mJ的信号光最后注入脉冲压缩器017中，通过脉冲压缩器017最后输出脉冲宽度～60fs的超短脉冲。
上述激光系统的OPCPA放大级013采用BBO晶体的I类非共线非简并位相匹配结构，且该系统采用独立的激光器05作为OPCPA放大级的泵浦源。主要缺点是BBO晶体的有效非线性系数比较低(～2.0pm/V)，在非常高的泵浦强度下，才可以获得较高的增益。而BBO晶体的破坏阈值比较低。对于532nm的泵浦光泵浦800nm的宽带啁啾脉冲，信号光和泵浦光之间需要一定的非共线角(～3.7度)，以达到宽带放大。所以要想获得较高的放大，一块晶体的长度不能够太长，需要使用两块晶体进行放大。这样增加了光路的复杂性，不利于调整光路。BBO晶体只能通过角度调谐调谐达到相位匹配。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的小型化光学参量啁啾脉冲放大系统。该系统可以在较低的泵浦强度和较短的晶体长度下，实现较高的增益放大；能够支撑10fs以下宽度的超短脉冲放大；该类非线性晶体可以通过角度调谐和温度调谐达到精确的相位匹配。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，包括飞秒锁模脉冲振荡器、脉冲展宽器和脉冲压缩器，其特征是在所述的飞秒锁模脉冲振荡器输出的信号光光路上依次是脉冲展宽器、普克尔盒，通过该普克尔盒选取10Hz的脉冲作为种子光经第一反射镜和双色镜进入周期极化的非线性晶体，一同步泵浦源发出的泵浦光经能量衰减片、双色镜进入所述的周期极化的非线性晶体，所述的种子光和泵浦光呈非共线角在该周期极化的非线性晶体中进行OPCPA放大，放大的信号光通过第二反射镜反射后经压缩器后输出超短超强的激光脉冲，同步泵浦源发出的泵浦光的剩余的泵浦光方向有能量接受器。
所述的同步泵浦源是一调Q倍频YAG激光器，由普克尔盒输出的驱动脉冲进行同步。
在所述的第二反射镜和压缩器之间有一多通放大器，该多通放大器的泵浦源是倍频YAG激光器，该泵浦源的调Q驱动是由普科尔盒提供。
所述的泵浦脉冲和种子脉冲之间的时间抖动小于1ns。
所述的飞秒锁模脉冲振荡器是钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、染料激光器或Nd:YLF激光器。
所述的周期极化非线性晶体是周期极化的磷酸氧钛钾、周期极化的钽酸锂或周期极化的铌酸锂。
本发明具有以下技术效果：
(1)本发明利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的非共线光学参量啁啾脉冲放大系统。采用非共线相位匹配结构，同时使信号光和泵浦光有较小的夹角，对于PPKTP晶体夹角为～4.75度，对于PPLN晶体夹角为～5.22度，对于PPLT晶体夹角为～4.75度，使得OPCPA可以得到较大的光谱带宽：光谱的半宽高：对于PPKTP为～134nm，对于PPLN为～119nm，对于PPLT为～123nm，可以实现宽带脉冲放大，能够支撑10fs以下宽度的超短超强脉冲放大。由于周期极化的非线性晶体有非常高的有效非线性系数，对于PPKTP为9.3pm/V，对于PPLN为16pm/V，对于PPLT为8.8pm/V，和较高的破坏阈值，可以在较低的泵浦强度和一块较短的晶体长度下，获得非常高的增益，达到饱和放大。而较短的晶体长度使得信号光和泵浦光之间的空间走离很小，不影响信号光的放大。可以在较低的泵浦能量下获得较高的增益，而且只是使用一块晶体，减小了光路的复杂性。
(2)本发明的泵浦光能量要求比较低，可以采用半导体泵浦的激光器作为泵浦源。该泵浦源脉冲能量比较稳定，且光束质量比较好，体积比较小。而且参量放大部分只使用一块晶体，有利于系统的小型化和实用化。
(3)本发明的非线性晶体可以通过角度调谐(上述三种周期极化的晶体，调谐角度大于5°)和温度调谐(对于三种周期极化的晶体，调谐温度大于10°)达到精确的相位匹配。由于实际中晶体的切割角度有一定的误差，而且信号光和泵浦光之间的夹角也有一定的误差，可以通过调整晶体的角度或者改变晶体的温度来实现相位匹配。由于角度调谐和温度调谐的范围比较大，通过这两种调谐可以比较轻松地获得精确的相位匹配。
附图说明：
图1为已有非共线OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统的结构示意图。
图2为本发明实施例1的结构示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2为本发明实施例1的结构示意图，由图可见，本发明利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的非共线光学参量啁啾脉冲放大系统，包括飞秒锁模脉冲振荡器1、脉冲展宽器2、和脉冲压缩器10，其特点是该系统还包括选脉冲的普克尔盒3、双色镜5、反射镜4和9、同步泵浦源6、能量衰减片7和周期极化的非线性晶体8。所述的同步泵浦源6是指飞秒锁模脉冲振荡器1输出的脉冲通过脉冲展宽器2后利用普克尔盒3选取10Hz的脉冲作为种子光，再利用普克尔盒3的驱动脉冲去触发调Q倍频YAG激光器6，输出的532nm倍频光作为同步泵浦源。泵浦脉冲和种子脉冲之间的时间抖动小于1ns。所述的能量衰减器7是指脉冲通过能量衰减器可以获得合适的能量。
所述元部件的相对位置关系如下：飞秒锁模脉冲振荡器1产生的超短脉冲列注入脉冲展宽器2，展宽到～500ps量级，然后通过普克尔盒3选取10Hz的脉冲作为种子光，再送入OPCPA放大器中的非线性晶体8，作为OPCPA的信号光；利用普克尔盒3驱动脉冲去触发调Q倍频YAG激光器6，输出的532nm倍频光通过能量衰减器7得到合适的泵浦能量。泵浦光和信号光通过一个双色镜5同时进入非线性晶体。其中泵浦光和信号光有一定的非共线角(对于PPKTP晶体内部夹角为～4.75度，对于PPLN晶体内部夹角为～5.22度，对于PPLT晶体内部夹角为～4.75度)。放大的信号光通过第二反射镜9进入压缩器10后输出超短超强的激光脉冲。剩余的少量泵浦能量用一个能量接受器11接受。
所述的飞秒锁模脉冲振荡器可以是钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、染料激光器或Nd:YLF激光器。
所述的非线性晶体可以是：周期极化的磷酸氧钛钾，简写为PPKTP；周期极化的钽酸锂，简写为PPLT；周期极化的铌酸锂，简写为PPLN。
本发明周期极化的非线性晶体的非共线OPCPA系统本实施例的工作过程如下：
(1)飞秒锁模脉冲振荡器1产生800nm波段，单个脉冲宽度达到10fs的超短锁模脉冲列；
(2)该超短脉冲列注入脉冲展宽器2，在脉冲展宽器2的作用下成为啁啾脉冲，展宽到～500ps量级，展宽后的脉冲经过普克尔盒3，选择10Hz的脉冲作为种子光，经过第一反射镜4和双色镜5反射注入到周期极化的非线性晶体8。
(3)用普克尔盒3的驱动电信号去驱动倍频YAG激光器6，输出的532nm倍频光通过能量衰减器7得到合适的泵浦能量。泵浦光透过双色镜5进入到周期极化的非线性晶体8。
(4)泵浦光和信号光有一定的夹角(对于PPKTP晶体内部夹角为～4.75度，对于PPLN晶体内部夹角为～5.22度，对于PPLT晶体内部夹角为～4.75度)，泵浦光和信号光的偏振方向都沿着非线性晶体的z轴。为了获得较宽的增益带宽，可以通过晶体角度调谐和晶体温度调谐以达到相位匹配，经过放大后的信号光能量可以到达～1mJ。
(5)经过放大后的信号光通过反射镜9，进入压缩器10进行脉冲压缩，可以获得～10fs的超强超短脉冲。而泵浦光通过能量接受器11，把剩余的泵浦光的能量吸收掉。
本发明周期极化的非线性晶体的非共线OPCPA系统工作在非共线状态，同时使用了与信号光有一定夹角的泵浦光，由于其有效非线性系数比较高，而且晶体可以做的比较大，能够在比较短的晶体长度下获得饱和放大，能够支撑10fs以下宽度的超短超强脉冲放大。而且得到饱和放大所需要的泵浦能量比较低。由于只是使用一块周期极化的非线性晶体，光路调节非常简单，有利于系统小型化。
计算表明对于当泵浦强度为150MW/cm2，晶体长度为12mm时，对于PPKTP晶体信号光的增益可以超过4×106；对于PPLT晶体信号光的增益可以超过9×104；对于PPLN晶体信号光的增益可以超过1×108。对上述三种晶体增益带宽均超过100nm。
由于系统所需要泵浦光强度比较低，所以所需的泵浦光能量比较小，我们可以利用半导体泵浦的激光器，产生的非常稳定的532nm纳秒光作为泵浦光。而且半导体泵浦的激光器比较小，有利于系统的稳定性和小型化。
图3所示为本发明的实施例2的结构示意图。该实施例与上述实施例1的区别是在所述的第二反射镜9和压缩器10之间有一多通放大器13，该多通放大器13的泵浦源12是倍频YAG激光器，该泵浦源12的调Q驱动是由普科尔盒2提供。在多通放大器13中，泵浦源12输出的532nm泵浦光泵浦参量放大后的信号光。放大后的信号光注入压缩器10中，由压缩器10输出，可以得到脉冲宽度＜20fs的800nm超短超强脉冲。
Claims (6)
1、一种利用周期极化的非线性晶体作为放大介质的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，包括飞秒锁模脉冲振荡器(1)、脉冲展宽器(2)、和脉冲压缩器(10)，其特征是在所述的飞秒锁模脉冲振荡器(1)输出的信号光光路上依次是脉冲展宽器(2)、普克尔盒(3)，通过普克尔盒(3)选取10Hz的脉冲作为信号光经第一反射镜(4)和双色镜(5)进入周期极化的非线性晶体(8)，一同步泵浦源(6)发出的泵浦光经能量衰减片(7)、双色镜(5)进入周期极化的非线性晶体(8)，所述的信号光和泵浦光呈非共线角在该周期极化的非线性晶体(8)中进行OPCPA放大，放大的信号光通过第二反射镜(9)反射后经压缩器(10)后输出超短超强的激光脉冲。
2、根据权利要求1所述的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的同步泵浦源(6)是一调Q倍频YAG激光器，由普克尔盒(3)输出的驱动脉冲进行同步。
3、根据权利要求1所述的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于在所述的第二反射镜(9)和压缩器(10)之间有一多通放大器(13)，该多通放大器(13)的泵浦源(12)是倍频YAG激光器，该泵浦源(12)的调Q驱动是由普科尔盒(2)提供。
4、根据权利要求1所述的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的泵浦光脉冲和信号光脉冲之间的时间抖动小于1ns。
5、根据权利要求1所述的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的飞秒锁模脉冲振荡器(1)是钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、染料激光器或Nd：YLF激光器。
6、根据权利要求1至5任一项所述的小型化光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的周期极化非线性晶体(8)是周期极化的磷酸氧钛钾、周期极化的钽酸锂或周期极化的铌酸锂。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |