专利名称：消色差光学参量啁啾脉冲放大系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光脉冲放大系统，特别是一种消色差光学参量啁啾脉冲放大系统。
背景技术：
超短超强激光科学以超短超强激光的发展，超短超强激光与物质的相互作用以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿。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。这里的“超短超强”是指激光脉冲的时间宽度极窄(一般小于100飞秒，1飞秒即10-15秒，简称fs)，峰值功率极高，大于1太瓦，1太瓦即1012W，简称TW。超短脉冲的时间宽度受到光谱的制约，光谱越宽，脉冲压缩可能达到的脉冲宽度就越窄。
目前，小型化超短超强激光系统主要有两种实现方法。其一是采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)的激光系统，该技术相对来说比较成熟，但其原理本身有无法克服的缺点，如输入脉冲信噪比低、放大过程存在严重的光谱增益窄化，且缺乏大幅度提高和改善的空间。其二是采用光学参量啁啾脉冲放大(Optical ParametricChirped Pulse Amplification，简写为OPCPA)和啁啾脉冲放大(CPA)混合型超短超强激光系统，利用光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)级替代原啁啾脉冲放大系统中的再生放大和前置放大级，可大大改善输出脉冲的信噪比、避免增益窄化等现象，从而使其在同样脉冲能量的情况下，可以获得更短的脉冲宽度，因而峰值功率更高。
OPCPA系统的基本原理是激光振荡器直接产生的强度较弱的超短脉冲，首先被送入展宽器，通过引入啁啾量，脉冲被展宽成数百皮秒(1皮秒等于10-12秒)量级的长脉冲；再以特定的方向入射非线性晶体，获得从单色泵浦光转移而来的能量，实现放大；最后利用压缩器，消除脉冲已有的啁啾量，使长脉冲被压缩回超短脉冲，最终实现超短超强激光脉冲的输出。其中在非线性晶体中，当信号光与泵浦光的波矢方向相同时，称为共线OPCPA，被放大脉冲的中心波长约为泵浦光波长的2倍；当信号光与泵浦光的波矢方向成一定夹角时，称为非共线OPCPA，被放大脉冲的中心波长小于泵浦光波长的2倍；在现有技术中，美国里弗莫尔实验室的Igor Jovanovic等人提供了一种典型的小型化非共线OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统，见Optics Letters，Vol.27，No.18，1622-1624，2002，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(纳米)、脉宽为～20fs的锁模脉冲被展宽器2展宽为脉宽～600ps、能量～0.5nJ的啁啾脉冲，在反射镜3和反射镜4的引导下，作为信号光注入OPCPA放大级13。由一台独立的调Q倍频YAG激光器5输出的脉宽～6.9ns、能量1.5J的532nm脉冲，通过能量衰减器6衰减后作为泵浦光，与信号光一起，以非共线方式同时注入OPCPA放大级13中。OPCPA放大级13由BBO(偏硼酸钡)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，其中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。经过OPCPA放大级13的放大，信号光能量增加到～2mJ，而经过OPCPA放大级13后的剩余532nm泵浦光被作为CPA钛宝石多通放大级16的泵浦光。于是信号光在反射镜14的引导下，泵浦光在反射镜15的引导下，注入CPA钛宝石多通放大级16中。经CPA钛宝石多通放大级16，信号光被放大到～45mJ。而后，信号光在脉冲压缩器17的压缩下，输出了脉冲宽度～60fs的超短脉冲。
与这套OPCPA系统类似的技术可以解决中心波长在1064nm和800nm附近的超短光脉冲的放大问题。但对于1600nm波段的超短光脉冲的放大问题没有现实可行的方案。原因在于，使用波长较长的泵浦光，如800nm左右的钛宝石类激光、1064nm左右的Nd离子激光所建立的宽带OPCPA系统无法提供足够大的增益；而使用波长较短的泵浦光，如532nm左右的Nd离子倍频激光，却无法在1600nm波段实现宽带放大，被放大脉冲的中心波长小于泵浦光波长的2倍。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，以此拓展宽带放大的适用波长范围当被放大脉冲的中心波长大于泵浦光波长的2倍时，也能实现宽带放大；变窄带放大为宽带放大，缩小了脉冲宽度，提高了峰值功率，从而在1600nm波段能够支撑窄至15fs以下宽度、增益大于1000的超短超强脉冲放大。
消色差光学参量啁啾脉冲放大系统的特点是在OPCPA系统中，对信号光引入角色散，使信号光脉冲中不同频率的光成份在非线性晶体内沿各自的相位匹配方向传输，可以实现在宽光谱范围内的相位匹配，完成宽带光放大。
本发明的技术方案如下一种消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，包括飞秒脉冲发生源、泵浦激光器、脉冲展宽器及脉冲压缩器，其特征是在飞秒脉冲发生源的激光前进方向依次是脉冲展宽器、空间色散元件、第一望远镜系统、第一非线性晶体、全反镜，在该全反镜的反射光路上依次是第二望远镜系统、第二非线性晶体、第三望远镜系统、消空间色散元件和脉冲压缩器，在泵浦激光器的输出光路上设有分束镜，该分束镜的反射光射入第一非线性晶体，该分束镜的透射光进入第二非线性晶体。
飞秒脉冲发生源产生的超短脉冲列注入脉冲展宽器，被展宽到几百皮秒量级。之后，在空间色散元件的作用下，信号光被引入了角色散。空间色散元件上的光斑被第一望远镜系统以一定的光学放大率成像在第一非线性晶体上；由泵浦激光器发出的短波长泵浦光在反射镜的引导下，与信号光呈一定角度注入非线性晶体；
经第一非线性晶体放大的信号光，被第三望远镜系统和消空间色散元件准直后(正是空间色散元件和第一望远镜系统的逆过程)，引入到脉冲压缩器，经压缩后输出超短超强的激光脉冲。
所述经第一非线性晶体放大后的信号光，被第三望远镜系统和消空间色散元件准直后，经CPA放大后再引入到脉冲压缩器，经压缩后输出超短超强的激光脉冲。
所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统还包括第一分束镜和第二非线性晶体，所述短波长泵浦光经第一分束镜分成两束，分别注入第一非线性晶体及第二非线性晶体，作为放大器的能量来源；经第一非线性晶体放大的信号光被第二望远镜系统成等大的像在第二非线性晶体上。信号光经放大后，被第三望远镜系统和消色散元件所准直，经脉冲压缩器压缩后输出超短超强的激光脉冲。
所述经第二非线性晶体放大后的信号光被第三望远镜系统和消色散元件所准直，经CPA放大后再引入到脉冲压缩器经压缩后，输出超短超强的激光脉冲。
所述的泵浦激光器是调Q倍频YAG激光器、半导体激光器或YAG激光器。
所述的飞秒脉冲发生源是钛宝石自锁模激光器、飞秒脉冲参量发生器、飞秒染料激光器或飞秒Nd:YLF激光器。
所述的非线性晶体是LBO晶体、BBO晶体或KDP晶体。
所述的空间色散元件是光栅或棱镜构成的。
所述的消空间色散元件是光栅或棱镜构成的，它的各项参数应与空间色散元件相同，但其放置取共轭位置。
所述的望远镜系统由透镜对构成，第一望远镜系统和第三望远镜系统结构全同，但器件排列顺序前后颠倒，所以第一望远镜系统和第三望远镜系统的光学放大率之积应为1。
本发明具有以下技术效果本发明消色差OPCPA系统中，信号光由色散元件引入了角色散，使得在OPCPA中原本只能窄带放大的波段，现在也可以实现宽带放大。可以实现宽带放大的波长范围扩大了一倍。在波长大于2倍泵浦光的信号光波段，变窄带放大为宽带放大；同时，又保持了短波长泵浦下OPCPA系统高增益放大的优点，提高了输出脉冲功率，实现了大谱宽的脉冲放大，为10fs量级的超短超强脉冲放大提供了光谱基础。
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
图1为现有的OPCPA和CPA混合型超短超强激光系统的结构示意图。
图2为本发明消色差光学参量啁啾脉冲放大系统具体实施例的结构示意图。
具体实施例方式
先请参阅图2，图2为本发明消色差光学参量啁啾脉冲放大系统具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，包括飞秒脉冲发生源18、泵浦激光器20、脉冲展宽器19及脉冲压缩器30，其特征是在飞秒脉冲发生源18的激光前进方向依次是脉冲展宽器19、空间色散元件22、第一望远镜系统23、第一非线性晶体24、全反镜29，在该全反镜29的反射光路上依次是第二望远镜系统25、第二非线性晶体26、第三望远镜系统27、消空间色散元件28和脉冲压缩器30，在泵浦激光器20的输出光路上设有分束镜21，该分束镜21的反射光注入第一非线性晶体24，该分束镜21的透射光注入第二非线性晶体26。
其中飞秒脉冲发生源18输出的光脉冲具有脉冲宽度极窄、光谱宽度较宽的特点，可为钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、飞秒脉冲参量发生器、染料激光器、Nd:YLF锁模激光器等飞秒脉冲激光器。在本实施例中，飞秒锁模脉冲振荡器18选用飞秒脉冲参量发生器，光脉冲宽度为20fs。
本发明的第一非线性晶体24和第一非线性晶体26可采用LBO晶体、BBO晶体、KDP晶体等非线性晶体，本实施例中选用LBO晶体。
本发明的空间色散元件22可以是光栅、棱镜。本实施例中选用光栅。
本发明的消空间色散元件28可以是光栅、棱镜等。本实施例中选用光栅。它的各项参数应与所述的空间色散元件22相同，但其放置取共轭位置。
所述的望远镜系统由透镜对构成，第一望远镜系统23和第三望远镜系统27结构全同，但器件排列顺序前后颠倒，所以第一望远镜系统23和第三望远镜系统27的光学放大率之积为1。
本发明消色差OPCPA系统实施例的工作过程如下(1)飞秒脉冲发生源18产生中心波长1600nm的超短脉冲，单个脉冲宽度达到20fs的超短锁模脉冲列；(2)该超短脉冲列注入脉冲展宽器19，在脉冲展宽器19的作用下成为啁啾脉冲，展宽到200ps；(3)展宽后的脉冲被空间色散元件22(光栅)所衍射，产生角色散；(4)第一望远镜系统23将光栅22上的光斑按照合适的光学放大率成像于第一非线性晶体24上，光栅22的参数与第一望远镜系统23的光学放大率没有特别的限制，只是要求晶体内的空间发散为；0.037rad/μm。
(4)泵浦激光器20输出的泵浦光被分束镜21分成的两束，能量比为1∶1，反射光和透射光分别导引至第一非线性晶体24和第二非线性晶体26；(5)由第一望远镜系统23导引来的信号光与泵浦光同处于第一非线性晶体24(LBO晶体)的X-Y平面内，彼此成2.25°夹角。而泵浦光与第一非线性晶体24的x轴成12.6°。泵浦光脉冲的功率密度应达到3GW/cm2。细调此光路，可以实现信号光增益高达1000倍以上的保真功率放大，即保持了脉冲光谱宽度功率放大；(6)第一非线性晶体24的输出光脉冲由全反镜29引入光学放大率1∶1的第二望远镜系统25，成像在第二非线性晶体26(LBO晶体)上。第二非线性晶体26内保持与第一非线性晶体24完全相同的光路布置，信号脉冲的功率被进一步放大。需要指出的是全反镜29并不是必要元件，在这里出现只是为了绘图的方便。
(7)放大后的信号光被引入第三望远镜27和消空间色散元件28(光栅)，以消除空间色散。放大后的信号光最终恢复成为一束准直光，再引入到脉冲压缩器30，经压缩后输出超短超强的激光脉冲。
此外，为了满足设计要求、充分利用空间，或为了确保输出光束的质量等的需要，可以引入其它辅助光学元件，如反射镜，透镜等；还可在光路中引入衰减器、谱整形、色散补偿等器件，以优化输出脉冲质量。
本发明消色差OPCPA系统中，经实验证明，信号光由色散元件引入了角色散，使得在OPCPA中原本只能窄带放大的波段，现在可以实现宽带放大。可以实现宽带放大的波长范围扩大了一倍。在波长大于2倍泵浦光的信号光波段，变窄带放大为宽带放大；同时，又保持了短波长泵浦下OPCPA系统高增益放大的优点，提高了输出脉冲功率，实现了大谱宽的脉冲放大，为10fs量级的超短超强脉冲放大提供了重要基础。
权利要求
1.一种消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，包括飞秒脉冲发生源(18)、泵浦激光器(20)、脉冲展宽器(19)及脉冲压缩器(29)，其特征是在飞秒脉冲发生源(18)的激光前进方向依次是脉冲展宽器(19)、空间色散元件(22)、第一望远镜系统(23)、第一非线性晶体(24)、全反镜(29)，在该全反镜(29)的反射光路上依次是第二望远镜系统(25)、第二非线性晶体(26)、第三望远镜系统(27)、消空间色散元件(28)和脉冲压缩器(30)，在泵浦激光器(20)的输出光路上设有分束镜(21)，该分束镜(21)的反射光射入第一非线性晶体(24)，该分束镜(21)的透射光进入第二非线性晶体(26)。
2.根据权利要求1所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其特征在于所述的泵浦激光器(20)是调Q倍频YAG激光器、半导体激光器或YAG激光器。
3.根据权利要求1所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其特征在于所述的飞秒脉冲发生源(18)是钛宝石自锁模激光器、飞秒脉冲参量发生器、飞秒染料激光器或飞秒Nd:YLF激光器。
4.根据权利要求1所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其特征在于所述的非线性晶体是LBO晶体、BBO晶体或KDP晶体。
5.根据权利要求1所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其特征在于所述的空间色散元件(22)是光栅或棱镜构成的。
6.根据权利要求1所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其特征在于所述的消空间色散元件(28)是光栅或棱镜构成的，它的各项参数应与空间色散元件(22)相同，但其放置取共轭位置。
7.根据权利要求1所述的消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其特征在于所述的望远镜系统由透镜对构成，第一望远镜系统(23)和第三望远镜系统(27)结构全同，但器件排列顺序前后颠倒，所以第一望远镜系统(23)和第三望远镜系统(27)的光学放大率之积应为1。
全文摘要
一种消色差光学参量啁啾脉冲放大系统，其结构是在飞秒脉冲发生源的激光前进方向依次是脉冲展宽器、空间色散元件、第一望远镜系统、第一非线性晶体、全反镜，在该全反镜的反射光路上依次是第二望远镜系统、第二非线性晶体、第三望远镜系统、消空间色散元件和脉冲压缩器，在泵浦激光器的输出光路上设有分束镜，该分束镜的反射光射入第一非线性晶体，该分束镜的透射光进入第二非线性晶体。本发明拓展宽带放大的适用波长范围当被放大脉冲的中心波长大于泵浦光波长的2倍时，也能实现宽带放大；变窄带放大为宽带放大，缩小了脉冲宽度，提高了峰值功率，从而在1600nm波段能够支撑窄至15fs以下宽度、增益大于1000的超短超强脉冲放大。
文档编号G02F1/39GK1588221SQ20041005291
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者王乘, 赵保真, 冷雨欣, 梁晓燕, 张正泉, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所