专利名称：载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种载波包络相位(简称为CEP)稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大 (以下简称为OPCPA)激光系统，属于超短超强飞秒脉冲激光放大技术。
背景技术：
飞秒激光放大技术在过去的几年时间里的得到了快速发展，为人类充分探索微观 超快现象及研究强场物理提供了前所未见的实用手段和发展机遇。尤其是超强超短的飞秒 激光出现，由于它具有超高的峰值功率和超短的脉冲宽度，因而在激光快点火，高能物理， 高强度X射线辐照源，粒子加速，产生X射线激光，产生激光高次谐波和获得阿秒激光脉冲， 产生中子等物理学研究领域得到了广泛的应用，给科学家们带来了未曾预料到的一些新奇 物理现象。 为了获得超强超短的飞秒激光脉冲，1992年由Dubietis提出，并由Ross等人 在1997年对其进行发展的光学参量啁啾脉冲放大(0PCPA)技术，综合了啁啾脉冲放大 (Chirped pulse amplification,简称为CPA)技术和参量放大(0PA)技术的各自优点，成 为了现代激光放大技术的研究热点。虽然已经成功的通过OPCPA技术获得了超强超短的近 红外飞秒激光脉冲，但是，中红外飞秒激光脉冲的获得给OPCPA放大技术带来了挑战，它不 仅要求系统能产生CEP稳定的宽带信号光，而且还需要对其进行宽带放大，同时要求信号 光和泵浦光之间高精确同步。因此，研究CEP稳定的中红外宽带光学参量啁啾脉冲放大激 光系统成为了当今最前沿的研究问题之一。 Chalus等人于2009年在文章"Design and simulation of few-cycle opticalparametric chirped pulse amplification at mid_IR wavelengths", 0pticsExpres s， Vol. 16 Issue 26， pp. 21298-21304中，该中红外光学参量啁啾脉冲放大 激光系统结构如图2所示。图2所示为已有的中红外光学参量啁啾脉冲放大激光系统结构 图。在图2中，光纤激光器01输出中心波长分别为1550nm和1050nm的双色激光，其中波 长为1050nm的激光直接输入到用于产生差频信号的周期激化铌酸锂(以下简称为PPLN) 晶体03上，而波长为1550nm的激光通过延迟控制02也输入到PPLN晶体03上，接着这两 路激光脉冲在PPLN晶体中通过差频产生3. 26um中红外信号光，该信号光再通过展宽器04 展宽到皮秒量级，作为0PA放大器08的信号光；0PA放大器08的泵浦光由另一台输出波长 为1064nm的皮秒量级激光器06提供。为了实现参量放大，泵浦光和信号光之间通过重复 频率锁定器件05和延迟07来控制。来自展宽器04的信号光经过0PA放大器08放大后， 再经过压縮器09压縮，便获得了波长为3. 26um的中红外超短超强激光光源。该系统中，泵 浦光和信号光之间的同步采用电同步控制，最终获得了 56fs的中红外超短脉冲。由于该系 统采用电同步控制，放大信号脉冲的稳定性差，而且，用于差频作用的两路光是来自光纤激 光器的双路输出单频光，差频产生的CEP信号光是单一频率，不仅不具备可调谐性，而且新 产生的信号光CEP稳定性较差，因而在实际应用中受到了较大的限制。
目前，光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)激光系统中的宽带种子源可采用晶体和光子晶体光纤来实现，通常是将振荡器产生的泵浦光直接注入到晶体或者光子晶体光纤中， 利用它们的高非线性作用产生的连续谱作为种子源。就种子源而言，振荡器具有体积较大， 频率稳定性差，时间抖动较大等缺点，而且，利用这些方法得到的种子源不具有CEP稳定的 特性，因而往往给光学参量啁啾脉冲放大激光系统的稳定性和全光同步带来巨大危害，进 而限制了 OPCPA放大系统的可适用范围。
发明内容
为了提高系统的稳定性，获得高精度全光同步和实现CEP高稳定的宽带0PCPA激 光放大，本发明提出了一种载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统，该 系统不仅能改善放大信号的CEP稳定性，而且在忽略环境抖动影响的情况下能保证泵浦光 和种子光之间10飞秒量级的高精度全光同步，还实现了可调谐的宽带中红外OPCPA放大。
本发明的技术解决方案是 —种载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由输出波长为 1550nm的激光器、信号光产生器、展宽器、角度色散器、光子晶体光纤频率转换器、双色镜、 再生放大器、多级Nd:YAG放大器、反射镜，光学参量放大器和压縮器组成，上述元器件的位 置如下激光器输出1550nm的飞秒激光脉冲，通过分光镜后分成两束，其中一束飞秒激光 脉冲通过反射镜引入到光子晶体光纤频率转换器后，产生包含1064nm的宽带光谱，该宽带 光谱接着通过双色镜分成两部分，其中包含1064nm的部分窄带光谱被输送到再生放大器 和多级Nd:YAG放大器中进行放大，放大后的1064nm的光脉冲作为光学参量放大器的泵浦 光。通过双色镜得到的另一部分光和由分光镜得到的另一束1550nm飞秒激光脉冲一起入 射到信号光产生器中，利用它们的差频作用来获得CEP稳定的中红外宽带光源。信号光产 生器通过温度控制，因此差频产生的中红外宽带光源具有可调谐性。该中红外宽带光源 然后经过展宽器展宽到皮秒量级，展宽后的宽带信号光脉冲再通过角度色散器作用后，将 会以不同的角度输入到光学参量放大器中，作为信号光，于是，该信号光脉冲与来自多级 Nd: YAG放大器的泵浦光脉冲在OPA放大器中通过参量作用而得到放大，放大后的信号脉冲 最后经过压縮器压縮，便得到高峰值功率的可调谐中红外飞秒激光脉冲。
所述的1550nm飞秒激光的倍频光正好处于钛宝石(Ti :s即phire)激光器的工作 范围，可以同步钛宝石激光器，作为种子源。 所述的飞秒激光器输出的中心波长位于光子晶体光纤的负色散区，且靠近光子晶 体光纤的零色散点。利用光子晶体光纤进行频率转换来获得包含1064nm的超宽带光源，有 利于用来产生不同频率的中红外光谱。 所述的信号光产生器由周期激化铌酸锂晶体和温控设备构成，用来产生CEP高稳 定的可调谐宽带信号光源。 所述的信号光通过同一激光器输出的光脉冲分束后的两路光的差频作用获得，得 到的CEP稳定性更高。 所述的角度色散器由光栅对和透镜组成，可用来改变不同频率信号光的输入角
度，实现不同信号光与泵浦光之间的相位匹配，进而容易实现宽带放大。 所述的光学参量放大器使用磷酸氧钛钾或者KTA晶体来实现，信号光和泵浦光之
间采用非共线相位匹配方式。
所述的OPA放大器可以根据要求选择采用一级或者多级放大。 所述的OPCPA放大系统能获得载波包络相位高稳定的中红外飞秒激光光源。 所述的OPCPA放大系统，在忽略环境抖动影响的情况下，全光同步精度能达到10
飞秒量级，实际过程中能控制在小于10皮秒的范围内。 本发明的最大优点是 系统的稳定性高，在忽略环境抖动影响的情况下全光同步精度达到10飞秒量级， 信号光CEP高稳定且可调谐，能实现宽带中红外OPCPA放大，获得中红外可调谐飞秒激光光 源，结构简单，灵活，便于集成，其目的是为高功率激光放大系统提供稳定的、高对比度的种 子光源以及用于阿秒脉冲产生系统中。
图1为本发明的载波包络相位稳定的宽带OPCPA激光放大系统结构示意图。
图2为已有的中红外光学参量啁啾脉冲放大激光系统结构示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。 请参阅图1，图1为本发明的CEP稳定的宽带OPCPA激光放大系统结构图。也是本 发明的一个实施例的结构示意图。由图l可见，本发明的CEP稳定的宽带OPCPA激光放大系 统，由输出波长为1550nm的激光器1、分光镜2、信号光产生器3、展宽器4、角度色散器5、光 子晶体光纤频率转换器7、双色镜8、再生放大器9、多级Nd: YAG放大器10、第一反射镜6和 第二反射镜ll，光学参量放大器12和压縮器13构成，系统光路的走向如下激光器1输出 1550nm飞秒激光脉冲，经分光镜2后分成两束，其中一束飞秒脉冲由第一反射镜6引入到光 子晶体光纤频率转换器7后产生包含1064nm的宽带光谱，该宽带光谱接着通过双色镜8分 成两部分，其中包含1064nm的部分窄带光谱被引入到再生放大器9和多级Nd:YAG放大器 10中进行放大，放大后的1064nm的光脉冲作为光学参量放大器12的泵浦光。而通过双色 镜8获得的另一部分宽带光源和来自分光镜2的另一束飞秒激光脉冲一起引入到信号光产 生器3中，利用它们的差频作用得到CEP稳定的中红外信号光源。该中红外光源然后依次 经过展宽器4展宽到皮秒量级，展宽后的光脉冲通过角度色散器5后，不同频率的信号光就 会以不同的角度入射到光学参量放大器12中，作为信号光。于是，信号光脉冲与来自多级 Nd:YAG放大器10的泵浦光脉冲在OPA放大器12中通过光学参量作用而得到放大，放大后 的信号光脉冲最后经过压縮器13进行压縮，便得到高峰值功率的可调谐中红外飞秒激光。
本实施例与图2现有技术相比，具有以下优点 (1)与图2相比，图1系统中的宽带信号光是可调谐的，可控的，而不是单一的中红 外信号光源。 (2)图1所示的OPCPA激光放大系统是一个CEP高稳定的宽带光学参量放大系统，
压縮后能获得CEP高稳定的可调谐中红外激光光源，而图2则不能。
(3)图2中的OPA信号光是通过双路输出激光器输出的双路光脉冲的差频作用来 获得，而图1中的OPA信号光是先将激光器输出的光脉冲分成两束，然后利用它们通过差频作用来获得，与图2相比，图1中获得的信号光的CEP稳定性更高。 (4)与图2相比，图1中OPA信号光是CEP高稳定的宽带可调谐光源，因此该0PCPA 激光放大系统也是宽带放大可调谐的，适用范围更广，更宽。 (5)图2中的泵浦光和信号光来自不同激光器，采用的是电同步控制，同步精度在 皮秒量级，而图1采用的是全光同步控制，同步精度能实现10飞秒量级，同步精度要高得 多，系统稳定性更好。
权利要求
一种载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由输出波长为1550nm的激光器(1)、分光镜(2)、信号光产生器(3)、展宽器(4)、角度色散器(5)、光子晶体光纤频率转换器(7)、双色镜(8)、再生放大器(9)、多级Nd∶YAG放大器(10)、第一反射镜(6)和第二反射镜(11)，光学参量放大器(12)和压缩器(13)构成，光路走向和元器件的位置如下激光器(1)输出1550nm飞秒激光脉冲，经分光镜(2)后分成两束，其中一束飞秒脉冲由第一反射镜(6)引入到光子晶体光纤频率转换器(7)，产生包含1064nm的超连续宽带光谱，该宽带光谱接着通过双色镜(8)分成两部分，其中包含1064nm的部分窄带光谱被引入经再生放大器(9)和多级Nd:YAG放大器(10)中进行放大，放大后的1064nm的光脉冲作为光学参量放大器(12)的泵浦光，而通过双色镜(8)获得的另一部分宽带光源和来自分光镜(2)的另一束飞秒激光脉冲一起引入到信号光产生器(3)中，利用差频作用得到载波包络相位稳定的中红外信号光源，接着，该中红外信号光源依次经过展宽器(4)展宽和角度色散器(5)后，输入到光学参量放大器(12)中，作为信号光，于是，信号光脉冲与来自多级Nd:YAG放大器(10)的泵浦光脉冲在光学参量放大器(12)中通过光学参量作用而得到放大，放大后的信号光脉冲最后经过压缩器(13)进行压缩，便得到高峰值功率的可调谐中红外飞秒激光。
2. 根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统， 其特征在于所述的飞秒激光器(1)输出中心波长为1550nm，脉冲宽度小于IOO飞秒，功率大 于250mW的光脉冲位于光子晶体光纤的负色散区，且靠近光子晶体光纤的零色散点。
3. 根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统， 其特征在于所述的信号产生器(3)由周期激化铌酸锂晶体和温控设备构成。
4. 根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统， 其特征在于所述的角度色散器(5)由光栅对和透镜组成。
5. 根据权利要求1所述的载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统， 其特征在于所述的光学参量放大器(12)使用磷酸氧钛钾或者KTA晶体来实现，信号光和泵 浦光之间采用非共线相位匹配方式。
全文摘要
一种载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由输出波长为1550nm的飞秒激光器、分光镜，信号光产生器、展宽器、角度色散器、光子晶体光纤频率转换器、再生放大器、多级Nd:YAG放大器、反射镜、光学参量放大器和压缩器构成。本发明的特点是，通过差频作用产生的宽带信号光具有CEP高稳定和宽带可调谐特性；信号光和泵浦光来自同一激光器，在忽略环境抖动影响的情况下能保证信号光脉冲与泵浦光脉冲之间10飞秒量级的高精度时间同步，稳频效果好；利用角度色散器实现了宽带的OPCPA放大，获得了中红外可调谐激光光源。
文档编号H01S3/094GK101764341SQ200910247569
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者冷雨欣, 徐至展, 王乘, 王河林 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所