一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置。泵浦激光源产生飞秒泵浦光经过分束镜分为两束，经过泵浦展宽器、泵浦延时器得到两束啁啾泵浦光，再经过双色镜入射到非线性晶体；信号激光源产生飞秒信号光经过信号光展宽器得到啁啾信号光，再经过双色镜与两束啁啾泵浦光在时间和空间上耦合并入射到非线性晶体中发生光参量放大，入射到分光片滤除得到放大的啁啾信号光，通过脉冲压缩器得到放大后的飞秒信号光。本发明对两束泵浦光和信号光分别加入啁啾和延时，调整对应的瞬时频率补偿光参量放大过程中因脉冲瞬时频率偏离中心频率造成的相位失配，并调整加入的啁啾和时延使其分别放大啁啾信号光的低频和高频成分，扩展了信号光的增益谱宽。
【专利说明】—种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及超快激光【技术领域】，具体涉及一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]周期量级的高强度激光脉冲在高次谐波产生、相干X射线产生及超快过程探测等研究领域有着广泛的应用前景。近年来，光参量放大技术(Optical parametricamplification, 0PA)因其增益谱宽大、可调谐性强、几乎没有热效应积累以及高阶非线性小等优势，成为了将钛蓝宝石激光频率下转换产生红外周期量级超强激光脉冲的首选方案。
[0003]然而， 受到非线性晶体尺寸及损伤阈值的限制，OPA所能用到的最大泵浦能量不能满足一部分强场物理研究的需要。因此，啁啾脉冲放大技术(Chirped-pulseamplification, CPA)被移植到OPA中形成了光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)。OPCPA不再选用超短脉冲作为泵浦光，而是改用皮秒或纳秒级的长脉冲高能量激光泵浦，同时输入的宽带信号光也被加入啁啾使其脉宽达到泵浦光的量级以确保能量的充分转换。OPCPA过程中，高频率高强度的泵浦光和低频率低强度的啁啾信号光在时间和空间上相互耦合入射非线性晶体，在晶体内相位匹配的条件下发生差频得到第三束低频的闲频光。通常情况下，OPCPA的相位匹配条件是针对信号光的中心频率优化的，因此中心频率成分的放大效率最高，但随着啁啾信号光的瞬时频率偏离中心频率，相位失配增大，放大效率降低，造成系统增益带宽的减小。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置，在啁啾补偿OPA系统中引入两个泵浦脉冲，对两束泵浦光和信号光分别加入啁啾和延时，通过调整其对应的瞬时频率补偿光参量放大过程中因脉冲瞬时频率偏离中心频率造成的相位失配，并且调整两个泵浦脉冲的啁啾和时延使其分别放大啁啾信号光的低频和高频成分，从而进一步提高光参量放大器的增益谱宽。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法，所述方法包括以下步骤:
[0006]S1、产生初始飞秒泵浦光和初始飞秒信号光；
[0007]S2、将初始飞秒泵浦光分成两束光，包括第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光；对初始飞秒信号光加入啁啾得到啁啾信号光，对第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光分别加入反向啁啾得到第一啁啾泵浦光和第二啁啾泵浦光；
[0008]S3、分别对第一啁啾泵浦光和第二啁啾泵浦光加入延时，使得第一啁啾泵浦光在时域上与啁啾信号光的脉冲后延重合，第二啁啾泵浦光在时域上与啁啾信号光的脉冲后延
重合；[0009]S4、调整第一啁啾泵浦光、第二啁啾泵浦光、啁啾信号光的啁啾和延时，使得第一啁啾泵浦光、第二啁啾泵浦光、啁啾信号光每一时刻的瞬时频率都恰好达到相位匹配，将上述三束光共线入射到非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光和闲频光，同时输出衰减的啁啾泵浦光；
[0010]S5、滤掉衰减的啁啾泵浦光、闲频光得到纯净的放大后的啁啾信号光，将所述纯净的放大后的啁啾信号光入射到脉冲压缩器中，加入线性负啁啾对放大后的啁啾信号光进行压缩得到脉宽最短的飞秒信号光。
[0011]在本发明所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法中，所述步骤S2中，对初始飞秒信号光、第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光所加的啁啾均为线性啁啾，以简化脉冲的展宽和压缩过程。
[0012]在本发明所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法中，所述步骤S2中，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出对第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光加入的嗎嗽系数。
[0013]在本发明所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法中，所述步骤S3中，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出对第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光加入的延时，确保两个啁啾泵浦脉冲分别放大啁啾信号脉冲的低频和高频部分，从而得到宽带的简并超短信号光。
[0014]相应地，本发明还提供了一种双泵浦啁啾补偿光参量放大装置，所述装置包括泵浦光源、信号激光源、第一泵浦展宽器、第二泵浦展宽器、信号光展宽器、第一泵浦光延时器、第二泵浦光延时器、分束镜、反射镜、第一双色镜、第二双色镜、非线性晶体、分光片和脉冲压缩器；
[0015]泵浦激光源产生的初始飞秒泵浦光经过分束镜分为两束，包括第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光，第一飞秒泵浦光依次经过第一泵浦展宽器、第一泵浦延时器得到第一啁啾泵浦光，第二飞秒泵浦光依次经过反射镜、第二泵浦展宽器、第二泵浦光延时器得到第二啁啾泵浦光，第一泵浦展宽器对第一飞秒泵浦光和第二泵浦展宽器对第二飞秒泵浦光所加的啁啾为反向；第一啁啾泵浦光经过第二双色镜和第二啁啾泵浦光经过第一双色镜后共同入射到非线性晶体；
[0016]信号激光源产生的初始飞秒信号经过信号光展宽器得到第一啁啾信号光，啁啾信号光经过第一双色镜与入射到第一双色镜的第二啁啾泵浦光在时间和空间上耦合，再经过第二双色镜与入射到第二双色镜的第一啁啾泵浦光在时间和空间上耦合，所得光束共同入射到非线性晶体中发生光参量放大；从非线性晶体输出的啁啾泵浦光、啁啾信号光和啁啾闲频光共同入射到分光片以滤除啁啾泵浦光和啁啾闲频光得到纯净的放大后的啁啾信号光；所述纯净的放大后的啁啾信号光入射到脉冲压缩器中，加入线性负啁啾对放大后的啁啾信号光进行压缩得到脉宽最短的飞秒信号光。
[0017]在本发明所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大装置中，所述第一泵浦展宽器对第一飞秒泵浦光所加的啁啾为线性啁啾，第二泵浦展宽器对第二飞秒泵浦光所加的啁啾为线性啁啾。[0018]在本发明所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大装置中，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出所述第一泵浦展宽器对第一飞秒泵浦光、第二泵浦展宽器对第二飞秒泵浦光加入的啁啾系数。
[0019]在本发明所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大装置中，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出所述第一泵浦延时器对第一飞秒泵浦光、第二泵浦延时器对第二飞秒泵浦光加入的延时，确保两个啁啾泵浦脉冲分别放大啁啾信号脉冲的低频和高频部分，从而得到宽带的简并超短信号光。
[0020]因此，本发明可以获得以下的有益效果:利用啁啾补偿光参量放大的方法，将初始的飞秒泵浦光分成两束飞秒泵浦光，且对两束飞秒泵浦光和初始的飞秒信号光分别加入啁啾和延时得到两束啁啾泵浦光和啁啾信号光，并调整啁啾系数和延时时间使得两束啁啾泵浦光和啁啾信号光每一时刻的瞬时频率都恰好达到相位匹配，以补偿光参量放大过程中因脉冲瞬时频率偏离中心频率造成的相位失配；同时，调整延时时间使得两束啁啾泵浦光在时域上分别对应啁啾信号光的脉冲前延和后延，放大啁啾信号光简并波长两侧的低频和高频成分，可利用有限带宽的泵浦脉冲进一步扩展啁啾补偿光参量放大系统的增益谱宽，以获得宽带的简并超短信号光。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0022]图1是本发明双泵浦啁啾补偿光参量放大装置结构示意图；
[0023]图2是本发明一个实施例的晶体切割角为19.89°时泵浦光与信号光波长的关系图，其中，实线为两者达到完美相位匹配时的波长关系图，两条虚线分别为线性拟合后第一啁啾泵浦光和第二啁啾泵浦光与啁啾信号光的对应波长关系图；
[0024]图3是本发明一个实施例的初始信号光和输出信号信号光的频谱图，其中虚线为初始信号脉冲的频谱图，实线为放大后的输出脉冲频谱图；
[0025]图4是本发明一个实施例的压缩后的输出脉冲时域包络图，其中，图4(a)为输出频谱理论上支持的傅里叶变换极限脉冲示意图，图4(b)为补偿了一阶啁啾后得到的飞秒信号脉冲示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]本发明的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法，包括以下步骤:
[0028]S1、产生初始飞秒泵浦光和初始飞秒信号光；
[0029]S2、将初始飞秒泵浦光分成两束光，包括第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光；对初始飞秒信号光加入线性正/负啁啾得到啁啾信号光，对第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光分别加入线性正/负或负/正啁啾得到第一啁啾泵浦光和第二啁啾泵浦光；
[0030]S3、分别对啁啾泵浦光I和啁啾泵浦光2加入延时，使得啁啾泵浦光I在时域上与啁啾信号光的脉冲后延(高频成分)重合，啁啾泵浦光2在时域上与啁啾信号光的脉冲前延(低频成分)重合；
[0031]S4、调整啁啾泵浦光1、啁啾泵浦光2、啁啾信号光的啁啾和延时，使得啁啾泵浦光
1、啁啾泵浦光2、啁啾信号光每一时刻的瞬时频率都恰好达到相位匹配，将上述三束光共线入射到切割角合适的非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光和闲频光，同时输出衰减的啁啾泵浦光；
[0032]S5、滤掉衰减的啁啾泵浦光、闲频光得到纯净的放大后的啁啾信号光，将所述纯净的放大后的啁啾信号光入到道脉冲压缩器中，加入线性负啁啾对放大后的啁啾信号光进行压缩得到脉宽最短的飞秒信号光。
[0033]在上述步骤S2、S3中，对初始飞秒信号光、第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光所加的啁啾均为线性啁啾，以简化脉冲的展宽和压缩过程。根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出对第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光加入的啁啾系数和延时，确保两个啁啾泵浦脉冲分别放大啁啾信号脉冲的低频和高频部分，从而得到宽带的简并超短信号光。
[0034]基于上述方法，本发明提出一种双泵浦啁啾补偿光参量放大装置，如图1所示，装置包括泵浦光源1、信号激光源2、第一泵浦展宽器3、第二泵浦展宽器4、信号光展宽器5、第一泵浦光延时器6、第二泵浦光延时器7、分束镜8、反射镜9、第一双色镜10、第二双色镜
I1、非线性晶体12、分光片13和脉冲压缩器14。
[0035]泵浦激光源I产生的初始飞秒泵浦光经过分束镜8分为两束，包括第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光，第一飞秒泵浦光依次经过第一泵浦展宽器3、第一泵浦延时器6得到第一啁啾泵浦光，第二飞秒泵浦光依次经过反射镜9、第二泵浦展宽器4、第二泵浦光延时器7得到第二啁啾泵浦光，第一泵浦展宽器3对第一飞秒泵浦光和第二泵浦展宽器4对第二飞秒泵浦光所加的啁啾为反向；第一啁啾泵浦光经过第二双色镜11和第二啁啾泵浦光经过第一双色镜10后共同入射到非线性晶体12 ；
[0036]信号激光源2产生的初始飞秒信号经过信号光展宽器5得到啁啾信号光，啁啾信号光经过第一双色镜10与入射到第一双色镜10的第二啁啾泵浦光在时间和空间上耦合，再经过第二双色镜11与入射到第二双色镜11的第一啁啾泵浦光在时间和空间上耦合，所得光束共同入射到非线性晶体12中发生光参量放大；从非线性晶体12输出的啁啾泵浦光、啁啾信号光和啁啾闲频光共同入射到分光片13以滤除啁啾泵浦光和啁啾闲频光得到纯净的放大后的啁啾信号光，纯净的放大后的啁啾信号光再入射到脉冲压缩器14中，加入线性负啁啾对放大后的啁啾信号光进行压缩，得到脉宽最短的飞秒信号光。
[0037]在上述双泵浦啁啾补偿光参量放大装置中，第一泵浦展宽器3对第一飞秒泵浦光所加的啁啾为线性啁啾，第二泵浦展宽器4对第二飞秒泵浦光所加的啁啾为线性啁啾；根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出所述第一泵浦展宽器3对第一飞秒泵浦光、第二泵浦展宽器4对第二飞秒泵浦光加入的啁啾系数以及第一泵浦延时器3对第一飞秒泵浦光、第二泵浦延时器4对第二飞秒泵浦光加入的延时，确保两个啁啾泵浦脉冲分别放大啁啾信号脉冲的低频和高频部分，从而得到宽带的简并超短信号光。
[0038]进一步，根据泵浦光与信号光波长的相位匹配曲线可看出，对于信号光简并波长两侧的频率成分，相位匹配曲线分别是单调递增和单调递减，因此可以分别通过啁啾补偿光参量放大方法实现非简并波段的放大。结合两束啁啾泵浦光共同放大啁啾信号光就能将两侧的非简并波段增益叠加，进一步扩展信号光的增益谱宽。实验上，泵浦光与信号光的啁啾、两束泵浦光的延时分别通过各自的展宽器和延时器调整，通过观察系统输出频谱来相应调节输入参数，即可使系统性能达到最优化。
[0039]以下举一个具体的实施例。
[0040]以飞秒钛宝石激光再生放大器作为泵浦源产生脉宽为30fs，中心波长为800nm，重复频率为IkHz的泵浦脉冲。以脉宽为IOfS、中心波长为1600nm、能量为3.8nJ的宽带红外脉冲作为信号光。以一块厚度为1.6_，切割角为19.89°的BBO为非线性晶体。输入泵浦脉冲的能量为3.7mJ，光斑直径为3mm，对应于lOOGW/cm2的峰值强度，能量较低的宽带超连续白光作为初始信号光获得放大。
[0041 ] 由图2中的相位匹配曲线看到，790nm?810nm范围的泵浦光可在简并频率两侧的低频和高频区域分别匹配约200nm带宽的信号光，且可以较好地进行线性拟合，因此双泵浦方法理论上可以在至少400nm范围内达到宽带匹配。
[0042]图3给出了信号光的输入和输出频谱，可以看出，信号光在1300nm?1900nm范围内得到明显放大，理论上可支持小于两周期的输出脉宽。同时输出脉冲的能量转换效率达到了 20%以上。
[0043]图4给出了该频谱理论支持的傅里叶变换极限脉冲和补偿了一阶啁啾之后压缩得到的脉冲。变换极限的脉冲脉宽约为8.9fs,对应约1.6个光周期，而仅仅通过补偿脉冲的一阶啁啾，就可以将将脉宽压缩到两个光周期以内(10.3fs)，输出信号光的这一性质可以大大简化压缩脉冲的难度，在实验上具有较高可行性。
[0044]以上结果表明，利用两束优化了啁啾系数和时间延迟的啁啾泵浦光对一束中心波长为简并波长的啁啾信号光进行双泵浦啁啾补偿光参量放大，可以实现简并信号光的宽带放大，输出脉宽小于两个光周期的红外脉冲，同时系统的能量转换效率能达到20%以上。
[0045]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 51、产生初始飞秒泵浦光和初始飞秒信号光； 52、将初始飞秒泵浦光分成两束光，包括第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光；对初始飞秒信号光加入啁啾得到啁啾信号光，对第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光分别加入反向啁啾得到第一啁啾泵浦光和第二啁啾泵浦光； 53、分别对第一啁啾泵浦光和第二啁啾泵浦光加入延时，使得第一啁啾泵浦光在时域上与啁啾信号光的脉冲后延重合，第二啁啾泵浦光在时域上与啁啾信号光的脉冲后延重合； 54、调整第一啁啾泵浦光、第二啁啾泵浦光、啁啾信号光的啁啾和延时，使得第一啁啾泵浦光、第二啁啾泵浦光、啁啾信号光每一时刻的瞬时频率都恰好达到相位匹配，将上述三束光共线入射到非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光和闲频光，同时输出衰减的啁啾泵浦光； 55、滤掉衰减的啁啾泵浦光、闲频光得到纯净的放大后的啁啾信号光，将所述纯净的放大后的啁啾信号光入射到脉冲压缩器中，加入线性负啁啾对放大后的啁啾信号光进行压缩得到脉宽最短的飞秒信号光。
2.如权利要求1所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法，其特征在于，所述步骤S2中，对初始飞秒信号光、第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光所加的啁啾均为线性啁啾，以简化脉冲的展宽和压缩 过程。
3.如权利要求2所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出对第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光加入的啁啾系数。
4.如权利要求3所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出对第一飞秒泵浦光、第二飞秒泵浦光加入的延时，确保两个啁啾泵浦脉冲分别放大啁啾信号脉冲的低频和高频部分，从而得到宽带的简并超短信号光。
5.一种双泵浦啁啾补偿光参量放大装置，其特征在于，所述装置包括泵浦光源(I )、信号激光源(2)、第一泵浦展宽器(3)、第二泵浦展宽器(4)、信号光展宽器(5)、第一泵浦光延时器(6)、第二泵浦光延时器(7)、分束镜(8)、反射镜(9)、第一双色镜(10)、第二双色镜(11)、非线性晶体(12)、分光片(13)和脉冲压缩器(14)； 泵浦激光源(I)产生的初始飞秒泵浦光经过分束镜(8)分为两束，包括第一飞秒泵浦光和第二飞秒泵浦光，第一飞秒泵浦光依次经过第一泵浦展宽器(3)、第一泵浦延时器(6)得到第一啁啾泵浦光，第二飞秒泵浦光依次经过反射镜(9)、第二泵浦展宽器(4)、第二泵浦光延时器(7)得到第二啁啾泵浦光，第一泵浦展宽器(3)对第一飞秒泵浦光和第二泵浦展宽器(4)对第二飞秒泵浦光所加的啁啾为反向；第一啁啾泵浦光经过第二双色镜(11)和第二啁啾泵浦光依次经过第一双色镜(10)、第二双色镜(11)后共同入射到非线性晶体(12)； 信号激光源(2)产生的初始飞秒信号光经过信号光展宽器(5)得到啁啾信号光，啁啾信号光经过第一双色镜(10)与入射到第一双色镜(10)的第二啁啾泵浦光在时间和空间上耦合，再经过第二双色镜(11)与入射到第二双色镜(11)的第一啁啾泵浦光在时间和空间上耦合，所得光束共同入射到非线性晶体(12)中发生光参量放大；从非线性晶体(12)输出的啁啾泵浦光、啁啾信号光和啁啾闲频光共同入射到分光片(13 )以滤除啁啾泵浦光和啁啾闲频光得到纯净的放大后的啁啾信号光；所述纯净的放大后的啁啾信号光入射到脉冲压缩器(14)中，加入线性负啁啾对放大后的啁啾信号光进行压缩得到脉宽最短的飞秒信号光。
6.如权利要求5所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大装置，其特征在于，所述第一泵浦展宽器(3)对第一飞秒泵浦光所加的啁啾为线性啁啾，第二泵浦展宽器(4)对第二飞秒泵浦光所加的啁啾为线性啁啾。
7.如权利要求6所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大装置，其特征在于，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出所述第一泵浦展宽器(3)对第一飞秒泵浦光、第二泵浦展宽器(4)对第二飞秒泵浦光加入的啁啾系数。
8.如权利要求7所述的双泵浦啁啾补偿光参量放大装置，其特征在于，根据初始飞秒泵浦光波长和初始飞秒信号光波长的相位匹配曲线，分别对初始飞秒信号光简并波长两侧非简并波段的曲线进行线性拟合，计算得出所述第一泵浦延时器(3)对第一飞秒泵浦光、第二泵浦延时器(4)对第二飞秒泵浦光加入的延时，确保两个啁啾泵浦脉冲分别放大啁啾信号脉冲的低频和高频部分，从`而得到宽带的简并超短信号光。
【文档编号】G02F1/39GK103605249SQ201310631148
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】张庆斌, 洪作飞, 陆培祥 申请人:华中科技大学