CN1949072A - 一种利用皮秒脉冲泵浦的飞秒光参量放大的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，是一种利用皮秒泵浦脉冲对无啁啾飞秒信号脉冲实现直接光参量放大(OPA)的方法。由于晶体色散的原因，信号光和泵浦光在OPA晶体内的群速度不同(被称为群速度失配GVM)，它使得较窄的飞秒信号光脉冲在较长的皮秒泵浦光脉冲持续时间内相对滑移。本发明利用这种群速度失配引起的脉冲滑移来实现整个泵浦脉冲均对飞秒脉冲的放大有贡献，因此仅用一级OPA放大器，便可提供足够高的增益。本方法结构简单、放大倍率高，且具有足够宽的增益谱可支持极短的十飞秒(10fs)脉冲放大。

Description

一种利用皮秒脉冲泵浦的飞秒光参量放大的方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种利用皮秒脉冲泵浦对无啁啾的飞秒信号光脉冲直接实现能量放大的光参量放大的方法。

背景技术

光参量放大(OPA)自首次实现频率转换以来，一直是激光研究的热点之一。光参量放大技术利用非线性光学效应，将强泵浦光束与弱信号光在非线性光学晶体中耦合，可实现信号光的放大，同时产生新的闲置波。飞秒OPA是获得高增益、窄脉宽、宽调谐飞秒脉冲的一个重要方法，它在许多研究领域都得到了广泛应用。现在迫切需要一种方法，能有效放大10fs甚至只有几个光学周期的光脉冲。目前能实现飞秒脉冲放大的光参量技术主要包括两类。一类是传统的飞秒OPA，采用飞秒脉冲泵浦，对飞秒信号光放大。这种方法由于群速度失配(GVM)，导致信号光和泵浦光相互分离，阻碍了能量的耦合过程，从而限制了信号光的能量放大。加之飞秒泵浦脉冲能量有限和晶体的损伤阈值限制，传统的飞秒OPA的输出脉冲能量较小，一般在10-100微焦耳量级(G.Cerullo，M.Nisoli，S.Stagira，and S.De Silvestri，“Sub-8-fs pulses from an ultra-broadband optical parametric amplifier in the visible，”Opt.Lett.，1998，23：1283-1285)。第二类是光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)，以高能量的纳秒级脉冲作为泵浦脉冲，通过光参量过程对啁啾的信号光脉冲进行放大，其中待放大的飞秒信号光脉冲应先色散展宽至纳秒级啁啾脉冲。此方法采用窄带长脉冲泵浦光和宽带啁啾信号光脉冲，虽然能获得超短超强激光脉冲输出(S.Witte，R.Th.Zinkstok，A.L.Wolf，W.Hogervorst，W.Ubachs，and K.S.E.Eikema，“A source of 2 terawatt，2.7 cycle laser pulses based onnoncollinear optical parametric chirped pulse amplification，”Opt.Expr.，2006，14，8168-8177)，但必须应用脉冲展宽器和压缩器，而且还须采用非共线相位匹配(NCPM)装置和用于脉冲倾斜的角色散元件，使得OPCPA系统的结构十分复杂，加上由于纳秒泵浦脉冲普遍存在的时间尖峰结构会影响压缩后输出信号光脉冲的信噪比(N.Forget，A.Cotel，E.Brambrink，P.Audebert，C.Le Blanc，A.Jullien，O.Albert，and G.Cheriaux，“Pump-noise transfer in opticalparametric chirped-pulse amplification，”2005，Opt.Lett.，30，2921-2923)，使得OPCPA的进一步发展和应用受到限制。

发明内容

针对现有适用于飞秒脉冲放大的两类光参量放大技术或者输出脉冲能量较低，或者输出脉冲信噪比不理想，而且结构复杂的情形，本发明提供一种简便易行、可以高效放大飞秒脉冲，并且可以获得较高能量的飞秒脉冲的方法。

本发明提出的有效放大飞秒脉冲的方法，是利用皮秒泵浦脉冲来实现对无啁啾飞秒脉冲的直接光参量放大。它只使用一块非线性晶体，无需额外的脉冲展宽器和压缩器，直接实现对无啁啾飞秒脉冲的超宽带、高能量光参量放大。

具体来说，利用信号脉冲和泵浦脉冲间由于GVM效应产生的滑移，选择总的GVM时间长度T_GVM等于泵浦脉冲的宽度T_pump，实现信号光脉冲充分地从泵浦脉冲获取能量，得到高峰值功率的输出飞秒信号光脉冲，这里T_GVM＝L×GVM，L为晶体长度，GVM为群速度失配。

本发明中，输入的泵浦激光脉冲的宽度为皮秒量级，形状为方形、高斯型、超高斯型、双曲正割型以及其它函数类型。

本发明中，所用放大介质为周期性极化的铌酸锂晶体、普通体状铌酸锂晶体或其它能提供大GVM的非线性晶体。

本发明的飞秒OPA利用了GVM效应的有利作用，综合了OPCPA和传统飞秒OPA各自的优点，可获得与OPCPA方式相仿的高能量，以及与传统OPA方式类似的结构简单和高信噪比。其输出的飞秒信号光脉冲信噪比相比输入时提高了约30倍，可保证得到信噪比大于10⁶的输出飞秒信号光脉冲。

1.理论模型

本发明的飞秒OPA采用I类位相匹配方式，泵浦脉冲的中心频率(2ω₀)设计为信号脉冲中心频率(ω₀)的二倍。此时，参量过程的位相匹配带宽最大。

飞秒OPA过程可用时域的非线性耦合波方程来处理。采用慢变包络近似并忽略横向的空间变化，计及晶体的二阶非线性和克尔非线性效应时，信号光脉冲和泵浦光脉冲电场在晶体中演变的方程为：

$[\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ξ}}+\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\β}}_1^{\left(2\right)}\right)\frac{{\mathrm{iL}}_{\mathrm{NL}}}{2L_{\mathrm{DS}1}}\frac{{\∂}^2}{{\∂\mathrm{\τ}}^2}]E_1=i{E}_1^{*}{E}_2{e}^{i{\mathrm{\ΔkL}}_{\mathrm{NL}}\mathrm{\ξ}}+i2\mathrm{\π}\left(n_2{I}_0\right)\frac{L_{\mathrm{NL}}}{\mathrm{\λ}}({\left|E_1\right|}^2+\frac{2}{3}{\left|E_2\right|}^2)E_1...\left(1\right)$

$[\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ξ}}+\frac{L_{\mathrm{NL}}}{L_{\mathrm{GVM}}}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\τ}}+\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\β}}_2^{\left(2\right)}\right)\frac{{\mathrm{iL}}_{\mathrm{NL}}}{2L_{\mathrm{DS}2}}\frac{{\∂}^2}{{\∂\mathrm{\τ}}^2}]E_2=i{E}_1^{*}{E}_1{e}^{-i{\mathrm{\ΔkL}}_{\mathrm{NL}}\mathrm{\ξ}}+i4\mathrm{\π}\left(n_2{I}_0\right)\frac{L_{\mathrm{NL}}}{\mathrm{\λ}}({\frac{2}{3}\left|E_1\right|}^2+{\left|E_2\right|}^2)E_2...\left(2\right)$

其中：E₁和E₂为信号光和泵浦光脉冲电场振幅包络，并己对初始入射泵浦光峰值场强E₀进行归一化，n₂为非线性折射率，位相失配Δk＝k_2ω-2k_ω。方程中用非线性长度 $L_{\mathrm{NL}}=\frac{2\mathrm{nc}}{{\mathrm{\χ}}^{\left(2\right)}{E}_0\mathrm{\ω}}$ 表征泵浦光强， $\mathrm{\ξ}=\frac{z}{L_{\mathrm{NL}}}$ 为实际传输距离z对L_NL的归一化值。 $\mathrm{\τ}=\frac{t-z/v_{g1}}{t_0}$ 为在信号光脉冲运动坐标中的归一化时间变量。v_g1和β₁ ⁽²⁾分别为信号光脉冲的群速度和群速度色散，v_g2和β₂ ⁽²⁾分别为泵浦光脉冲的群速度和群速度色散，L_GVM＝t₀(1/v_g2-1/v_g1)^-1为信号光和泵浦光之间的群速度失配走离长度， $L_{\mathrm{DSi}}=t_0^2/\left|{\mathrm{\β}}_i^{\left(2\right)}\right|$ (i＝1，2分别代表信号光和泵浦光)为色散长度。sgn是符号函数。假设泵浦脉冲为方形脉冲且脉宽等于总的GVM滑移时间(T_pump＝T_GVM＝L×GVM)。定性地讲，采用其它形状的泵浦脉冲不会影响本发明的主要功能和效果。

2.数值结果及讨论

(1)理想情况时该新颖OPA对10fs脉冲的放大结果

首先研究理想情况的新颖飞秒OPA，它不考虑克尔非线性效应和GVD的影响。类似于传统的OPA，该新颖的OPA可获得非常高的光参量放大增益(图1)，其参量增益与泵浦光强有关。由于在放大过程中信号光和泵浦光脉冲之间的时间滑移，信号光脉冲可以充分地获取泵浦光能量，从而获得高于30％的转换效率(图1(a))。该新颖的OPA过程基本不受GVM的影响，这与传统的OPA完全不同(图1(b))。在泵浦无耗损情形(L_NL～L_cry)，信号光脉冲被放大后在时域和频域仍保持其入射时的形状和宽度。在泵浦耗损情形(L_NL＜＜L_cry)，被放大信号光脉冲的宽度与入射时的脉宽也非常接近，但脉冲形状略有变化，其脉冲前沿变得陡峭(或后沿，取决于GVM的符号)。在GVD效应起作用前，上述规律和结果与信号光脉冲的宽度无关，因此新颖的OPA适用于极短的飞秒脉冲放大。

新颖的飞秒OPA具有突出的特征，即放大的信号光脉冲的峰值功率可以比泵浦脉冲大很多倍(在我们的计算中对应为3000倍)，这对于传统OPA或OPCPA而言是不可能实现的。

(2)考虑GVD和克尔非线性效应时该新颖的OPA对10fs脉冲的放大结果

对于足够短的信号光脉冲和较长的晶体，必须考虑GVD和克尔非线性效应对OPA过程的影响。GVD或克尔非线性效应将会降低转换效率，特别在泵浦耗损情形该问题尤为严重(图2(a))。虽然更强的泵浦光可以在一定程度上补偿转换效率的降低，但会导致放大的信号光脉冲具有多峰的不规则形状(图2(b))。因此，GVD和克尔非线性效应将最终限制信号光脉冲的脉宽和转换效率。另外，克尔非线性将显著地增宽信号光脉冲的光谱，且使得脉冲形状不规则(图2(b)中的点划虚线)。自相位调制和交叉相位调制是光谱加宽的主要原因，这种现象在泵浦脉冲越强时越明显(即L_NL越短)。图2(b)中的点划虚线对应着累积的非线性相移ΔΦ＝1.7。数值模拟计算结果证实，当色散长度与晶体长度相当且非线性相移约ΔΦ为1时，被放大的信号光脉冲的性质与理想情形时得到的放大信号脉冲的性质相近。此结论可为合理设置晶体长度和泵浦脉冲强度提供一个有效的判据。计算中均采用10fs的超短信号光脉冲，因此新颖的飞秒OPA是超宽带的，可以支持极短的10fs脉冲放大。

(3)该新颖的OPA对飞秒信号光脉冲信噪比的改善

新颖的飞秒OPA可以显著改善信号光脉冲的信噪比(图3)。由于信号光脉冲的主峰放大使得泵浦光被耗尽，随后的脉冲旁瓣对应的光参量增益将会被减小，从而可期待更高的脉冲信噪比。脉冲信噪比的改善决定于泵浦光的耗尽程度。因为大多数情形关心脉冲前沿的信噪比，因此有必要使脉冲的后沿先进行光参量放大过程。这可以采用反常色散让信号光脉冲的速度慢于泵浦脉冲，实现对后沿的信号光脉冲主峰优先放大，而前沿的信号光脉冲噪声得不到有效放大，最终提高输出脉冲的信噪比。

附图说明

图1忽略材料色散和克尔效应的理想情况下(a)光参量增益(星号)和转换效率(方形符号)与非线性长度之间的关系，(b)输入、输出信号光脉冲的波形和光谱(插图)。点线：10fs入射信号光脉冲的波形和光谱；虚线：在泵浦无耗损情形下(L_NL＝3-mm)放大的信号光脉冲的输出波形和光谱；实线：在泵浦耗损情形下(L_NL＝1.6-mm)放大的信号光脉冲的输出波形和光谱。数值计算中的其它参数：T_pump＝T_GVM＝10ps；t₀＝10-fs；L_cry＝10-mm；E₁(0)/E₀＝3×10^-5。

图2(a)在不同条件下转换效率与非线性长度之间的关系。方形符号：色散和克尔效应均忽略的理想情形；星号：计入色散量L_DS1＝L_DS2＝L_cry；点线：计入克尔效应n₂＝3.5×10^-6cm²/GW。(b)输入、输出信号光脉冲的波形和光谱(插图)。点线：10fs信号光脉冲入射的波形和光谱；虚线：计入色散量L_DS1＝L_DS2＝L_cry，L_NL＝1.6-mm；实线：计入克尔效应n₂＝3.5×10^-6cm²/GW，L_NL＝1.6-mm；点划虚线：n₂＝3.5×10^-6cm²/GW，L_NL＝1.3-mm。其它参数同图1。

图3在泵浦耗损情形下(L_NL＝1.6-mm)输入与输出信号光脉冲的比较。虚线：伴随有旁瓣的输入脉冲；实线：放大后的信号光脉冲。所有参数与图1相同，但GVM的符号相反。

图4皮秒脉冲泵浦的飞秒OPA的原理图。

具体实施方式

下面结合附图以模拟计算的实例进一步来描述本发明。

如图4所示，该新颖的飞秒OPA采用I类位相匹配方式。简单起见，采用的泵浦脉冲为方形脉冲(其它形状的泵浦脉冲不会从性质上影响本发明的主要功能和效果)。由商品化的Nd:YLF泵浦激光源经倍频过程输出宽为50ps的窄带泵浦脉冲，中心波长为527nm。信号光是中心波长为1054nm、脉宽为10fs的飞秒脉冲，它可由商品化的锁模飞秒激光器产生。非线性晶体采用5cm长的周期性极化的铌酸锂晶体，对应1054nm(信号光)和527nm(泵浦光)之间总的GVM时间为～50ps，从而保证新颖飞秒OPA的设计要求(T_pump＝T_GVM)。由于转换效率约30％(图2(a))，采用3mJ的脉冲能量泵浦时，即可获得约1mJ的10fs脉冲，其放大倍率约为10⁴。为了得到更大的输出飞秒脉冲能量，也可采用体材料的铌酸锂晶体，但是由于其GVM值较小，所以泵浦脉冲宽度必须较短(1-5ps)。信号光脉冲的信噪比也得到了显著改善，从典型的飞秒振荡器输出的飞秒信号光脉冲信噪比通常约为5×10⁴，经此方法后不仅可获得高能量的飞秒脉冲输出，而且可保证得到信噪比大于10⁶的输出飞秒脉冲，输出的飞秒信号光脉冲信噪比相比输入时提高了约30倍(图3)。放大后的10fs信号光脉冲的峰值功率可以比泵浦脉冲大约3000倍，从而可在一级新颖的飞秒OPA中实现超宽带、高能量光参量放大。

Claims (6)

1、一种利用皮秒泵浦脉冲对无啁啾的飞秒脉冲进行光参量放大的方法，其特征在于：用一块非线性晶体作为放大介质，无需额外的脉冲展宽器和压缩器，直接实现对无啁啾飞秒脉冲的超宽带、高能量光参量放大；利用信号脉冲和泵浦脉冲间由于GVM效应产生的滑移，选择总的GVM时间长度T_GVM等于泵浦脉冲的宽度T_pump，实现信号光脉冲充分地从泵浦脉冲获取能量，得到高峰值功率的输出飞秒信号光脉冲，这里T_GVM＝L×GVM，L为晶体长度，GVM为群速度失配。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：输入的泵浦激光脉冲的宽度为皮秒量级，形状为方形、高斯型、超高斯型、双曲正割型以及其它函数类型。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所用放大介质为周期性极化的铌酸锂晶体、普通体状铌酸锂晶体或其它能提供大GVM的非线性晶体。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的飞秒光参量放大采用I类位相匹配方式，泵浦脉冲的中心频率设计为信号脉冲中心频率的2倍。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用反常色散让信号光脉冲的速度慢于泵浦脉冲速度，实现对后沿的信号光脉冲主峰优先放大，而前沿的信号光脉冲噪声得不到放大，以提高输出脉冲的信噪比。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：被放大的无啁啾飞秒信号光脉冲脉宽为10fs或10f以下。

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