温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器的制作方法

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种对于温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器。

背景技术：

光参量啁啾脉冲放大(Optical parametric chirped-pulse amplification,以下简称为OPCPA)是产生超短超强激光脉冲的一种有效技术。在OPCPA中，超短脉冲首先被展宽成长脉宽的啁啾脉冲，然后在放大器中利用泵浦光对啁啾脉冲进行放大，最后利用压缩器将其压回至初始宽度，从而获得强的超短脉冲。由于其极大的增益带宽，目前OPCPA已经可以实现拍瓦级峰值功率输出和数十毫焦耳的周期量级脉冲。然而由于放大器中非线性晶体对激光能量的吸收，热效应成为制约高平均功率OPCPA的核心因素。原因在于，放大器中晶体温度的改变会破坏关键的位相匹配条件，从而导致泵浦光向信号光能量转换效率的降低以及信号光谱的畸变。受制于热效应，目前OPCPA能够输出脉冲的平均功率只有百瓦量级，远远低于超快领域所需求的水平。

要实现对于温度不敏感的OPCPA系统，难点在于缺少对位相匹配条件进行调控的有效技术手段。因此现有的高平均功率OPCPA系统主要针对的是提高放大器的散热能力。而从根本上实现对于温度不敏感的OPCPA系统，目前的技术途径几乎一片空白。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对传统OPCPA系统中放大效率随环境温度改变而降低等难题，提出一种温度和波长同时不敏感的光参量啁啾脉冲放大器。本发明为同时实现拍瓦级峰值功率和千瓦级平均功率的超短脉冲提供了一种有效解决方案。

本发明的原理如下：

位相匹配条件是决定非线性过程中能量转换效率和带宽的决定性因素。而泵浦光束与信号光束在晶体放大器中的非共线角度则是调控关键的位相匹配条件的重要技术手段。不同于传统啁啾脉冲放大器中将非共线角用来实现对于波长不敏感的特性，本发明创新性地将非共线角用于实现啁啾脉冲放大器对于温度不敏感的特性。与此同时，将入射的信号种子光予以角色散修饰，以消除信号光与闲频光之间的群速度失配，从而实现放大器对于波长不敏感的特性。

本发明的技术解决方案如下：

一种温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器，特点在于其构成包括：泵浦光路、信号光路和放大器，所述的放大器是非线性晶体放大器，所述的泵浦光路依次是掺钕钒酸钇再生放大器、掺钕钇铝石榴石放大器、第一像传递系统、倍频晶体和反射镜；所述的信号光路依次是钛宝石再生放大器、脉冲展宽器、第一光栅、第二像传递系统、非线性晶体放大器、第二光栅和脉冲压缩器；所述的掺钕钒酸钇再生放大器和所述的钛宝石再生放大器由电子位相锁定环连接并控制同步工作；所述的信号光束经所述的第一光栅输出具有角色散的啁啾信号脉冲，该啁啾信号脉冲经过第二像传递系统射向所述的非线性晶体放大器，所述的泵浦光束经所述的反射镜射向所述的非线性晶体放大器，通过所述反射镜的指向调节，使所述的啁啾信号光束与所述的泵浦光束以大于5°的非共线角度入射到所述的非线性晶体放大器，所述的泵浦光束的能量不断流向所述的啁啾信号脉冲，所述的啁啾信号脉冲经所述的非线性晶体放大器放大后，经所述的第二光栅和脉冲压缩器输出压缩后脉冲。

所述的信号光束修饰的角色散范围为100μrad/nm至400μrad/nm。

所述的光栅替换为棱镜或光栅对。

本发明的特点在于：利用非共线角度对位相匹配的调控能力，通过调节泵浦光路中反射镜的指向，将信号光束与泵浦光束以大于5°的非共线角度入射到放大器，可以实现光参量啁啾脉冲放大器对于温度不敏感的特性；此外，优化信号光路中的第一光栅的刻线数，使注入的种子信号光携带100μrad/nm至400μrad/nm的角色散量，以消除信号光和闲频光之间的群速度失配，从而实现啁啾脉冲放大器对于波长不敏感的特性。本发明具有光参量啁啾脉冲放大器对于温度和波长均不敏感的优点，为同时提升超短超强激光系统的峰值功率和平均功率铺平了道路。

本发明的技术效果：

由于啁啾脉冲放大器对于温度和波长均不敏感的特性，本发明具有两个明显的优点：

一是温度带宽远大于传统参量啁啾脉冲放大器，因此能够支持更高平均功率脉冲输出；

二是光谱带宽支持超短脉冲的放大，进而能够支持高峰值功率脉冲输出。

本发明兼具温度带宽远大于传统参量啁啾脉冲放大器(大于6倍)和光谱带宽支持超短脉冲的优点，是一款理想的、有前景的啁啾脉冲放大器。它突破现有技术的局限，能将超短脉冲放大至更高的峰值功率(拍瓦级)和平均功率(千瓦级)水平。

附图说明

图1为本发明示意图以及效果图。

图1(a)为传统放大器示意图，泵浦光束和信号光束以小于5°的非共线角度入射到放大器；波长增益带宽大于100nm,温度增益带宽小于5K。

图1(b)为本发明示意图，泵浦光束和信号光束以重新设定的非共线角度入射到放大器，并且对信号种子光予以角色散修饰；效果是增益对波长和温度均不敏感。

图2为本发明温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器的光路结构示意图。

图3为非共线角度对位相匹配的调控能力。

图3(a)位相失配对频率的一阶导数随非共线角度的变化曲线。

图3(b)和(c)分别是传统放大器中位相失配随频率和温度的变化情况。

图3(d)位相失配对温度的一阶导数随非共线角度的变化曲线。

图3(e)和(f)分别是本发明中，不加角色散时位相失配随频率和温度变化情况。

图4(a)位相失配对频率的一阶导数随角色散量的变化曲线。

图4(b)本发明中优化第一光栅刻线数，对信号光加入300μrad/nm角色散后，位相失配随频率变化情况。

图4(c)和(d)分别是本发明在不同工作温度和工作波长下所需要的非共线角度以及角色散量。

图4(e)和(f)分别是本发明中非线性角色散以及其对脉冲的影响。

图5为泵浦光向信号光能量转换效率随晶体长度和温度变化的理论模拟结果。

图5(a)和(b)分别是传统放大器和本发明中不同温度下的效率增长曲线。

图5(c)是传统放大器和本发明中最大转换效率与温度偏移量的关系。

图6是实施例中非共线角度和信号光角色散对于温度和光谱的影响。

图6(a)是传统放大器和本发明中归一化转换效率随温度偏移量的实验测量结果。

图6(b)是本发明中信号光角色散对放大信号光谱影响的实验测量结果。

图7是不同温度下传统放大器和本发明中信号光谱和压缩脉冲理论模拟结果。

图7(a)和7(c)分别是传统放大器中温度偏移设定温度0K和5K时的光谱情况。

图7(b)和7(d)分别是图7(a)和7(c)中光谱对应的傅氏变换极限脉冲。

图7(e)和7(g)分别是本发明中温度偏移设定温度0K和5K时的光谱情况。

图7(f)和7(h)分别是图7(e)和7(g)中光谱对应的傅氏变换极限脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

图1是传统放大器和本发明温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器的示意图和效果图。传统放大器中信号光与泵浦光以一定的非共线角度入射到放大器中，由于非共线角度对位相匹配具有调控能力，放大器具有对于波长不敏感的特性。但是在传统放大器中，由于缺乏额外的自由度，一旦环境温度偏离所设定的工作温度，增益以及转换效率将迅速下降。与此相反，在本发明中，由于调节了泵浦光路中反射镜的指向，使泵浦光与信号光之间的非共线角度设定在大于5°的范围，可以实现放大器对于温度不敏感的特性。与此同时，优化信号光路中第一光栅的刻线数，信号光被角色散修饰，角色散的范围为200μrad/nm到400μrad/nm。该角色散可以消除信号光和闲频光之间的群速度失配，从而可以实现放大器对于波长不敏感的特性。由于在本发明中同时使用了非共线角和角色散两个调控变量，因此可以用来构建对于温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器。

图2为本发明温度和波长不敏感光参量啁啾脉冲放大器一个实施例的光路装置图。包括：泵浦光路、信号光路和放大器。所述的放大器是非线性晶体放大器13，所述的泵浦光路依次是掺钕钒酸钇再生放大器1、掺钕钇铝石榴石放大器2、第一像传递系统3、倍频晶体4和反射镜5；所述的信号光路依次是钛宝石再生放大器7、脉冲展宽器8、第一光栅9、第二像传递系统11、非线性晶体放大器13、第二光栅14和脉冲压缩器15；所述的掺钕钒酸钇再生放大器1和所述的钛宝石再生放大器7由电子位相锁定环6连接并控制同步工作；所述的信号光束经所述的第一光栅9输出具有角色散的啁啾信号脉冲10，该啁啾信号脉冲10经过第二像传递系统11射向所述的非线性晶体放大器13，所述的泵浦光束12经所述的反射镜5射向所述的非线性晶体放大器13，所述的泵浦光束12的能量不断流向所述的啁啾信号脉冲10，所述的啁啾信号脉冲10经所述的非线性晶体放大器13放大后，经所述的第二光栅14和脉冲压缩器15输出压缩后的超短脉冲16。

在本发明实施例中，我们选择LBO晶体作为非线性晶体放大器13中的晶体。由于三硼酸锂晶体(即LBO)具有高损伤阈值，较小的空间走离效应以及大口径等优点。值得注意的是，本发明并不局限于该特定的晶体。例如，另一种常用的晶体三硼酸氧钙钇(YCOB)也可以作为本发明中的晶体。泵浦光和信号光波长分别为532nm和800nm。图3说明了非共线角度对于位相匹配的调控能力。图3(a)为位相失配对频率的一阶导数随着非共线角度的变化情况。当非共线角度设定为1.18°时，为0，在该角度下放大器具有对于波长不敏感的特性(传统放大器)。传统放大器中位相失配随频率变化情况如图3(b)所示。由于为0，位相失配主要由决定，其受频率的影响很小(|Δk|<2πrad/cm)。但是由于缺少额外的调控手段，如图3(c)所示，传统放大器中位相失配受温度的影响主要由温度一阶导数决定，因此位相失配受温度影响很大(|Δk|>2πrad/cm)。位相失配对温度的一阶导数随着非共线角度的变化情况如图3(d)所示。通过调节泵浦光路中反射镜的指向，当非共线角度为5.77°时，为0。在该角度下，位相失配由决定，如图3(f)所示，其受温度影响很小。这正是本发明中所重新设定的非共线角度值。在该角度下，放大器具有对温度不敏感的特性。但是由于偏离了实现波长不敏感时所设定的非共线角度，如图3(e)所示，位相失配受频率的影响很大。因此在本发明中，为了实现对于波长不敏感的位相匹配，需要引入额外的控制变量—角色散。

图4说明了为了实现啁啾脉冲放大器对于温度和波长都不敏感的特性，所需要的非共线角度以及角色散量。图4(a)所示为当非共线角为5.77°时，随角色散量的变化情况。当角色散量为185μrad/nm时，为0。如图4(b)所示，位相失配主要由决定，因此其受频率的影响很小。值得注意的是，只要非共线角度被设定为大于5°、角色散量被设定为100μrad/nm至400μrad/nm时，本发明在不同的工作温度和工作波长下均可适用，如图4(c)和4(d)所示。在参量过程中，非线性角色散可能会被引入。因此在宽带宽的情况下需要讨论非线性角色散对于脉冲特性的影响。在啁啾脉冲放大过程中，位相匹配条件在很大程度上决定了信号放大情况，因此非线性角色散可以通过位相匹配特性予以预测。图4(e)为本发明中非线性角色散情况。可以看出，非线性角色散主要由二阶角色散决定(值约为-0.42μrad/nm²)。为了研究非线性角色散的影响，我们把上述二阶角色散加载在带宽为50nm的超短脉冲上，并且考虑自由传输0.5米(压缩器以及聚焦系统的典型值)后的脉冲特性。如图4(f)所示，非线性角色散的影响几乎可以忽略。

利用快速傅里叶变换方法和四阶龙格库塔算法求解非线性耦合波方程组，可以比较传统放大器和本发明的工作性能。泵浦光与信号光种子的光强比设定为100:1，该比值与实际啁啾脉冲放大器中最后一级的注入比相当。为了简化问题，突出说明位相失配在三波耦合中的作用，我们并不强调放大器中实际的温度分布对于放大过程的影响。相反，温度效应可以通过热致位相失配予以体现。

图5为泵浦光向信号光的能量转换效率随晶体长度以及温度的变化情况。如图5(a)和5(b)所示，在工作温度时(ΔT＝0K)，传统放大器和本发明中转换效率都随着晶体长度的增加而增加。在设定的15mm LBO晶体中，在输出端都可以获得22.4％的转换效率。但是，一旦环境温度偏离了初始设定的工作温度，传统放大器中的转换效率迅速降低。当环境温度偏离设定的工作温度(323K)2.9K和10K时，转换效率分别降低到11.2％和2.3％。与此相反，在本发明中，由于放大器具有对于温度不敏感的特性，当工作温度偏离10K和17.9K时，输出效率仍然能达到18.5％和11.2％。图5(c)说明了不同温度下传统放大器和本发明中的输出效率情况。由图可见，本发明中，效率随温度的下降速度远远小于传统放大器。定量来说，本发明中的温度带宽有17.9K，是传统放大器温度带宽(2.9K)的6倍。

为了验证本发明的实际效果，我们做了原理性验证实验。实施例中所使用的晶体为15mm×10mm×25mm的LBO晶体。对应于传统放大器和本发明，晶体切割角度分别为θ＝90°，和θ＝90°，本发明中所需要的角色散可以通过展宽器中光栅的不平行性予以控制。在所设定的工作温度(323K)下，传统放大器和本发明中泵浦向信号的转换效率分别可以达到12％和11％。如图6(a)所示，由于较大的传统放大器中的温度带宽仅仅只有3K。而在本发明中，因为所以温度带宽可以增大到17Κ。但是如果进一步增大非共线角，因为残存的温度带宽反而减小。图6(b)说明了当放大器具有温度不敏感特性时，信号光角色散量对光谱的影响。在最佳的角色散时(300μrad/nm)，可以获得最大的光谱带宽。如果角色散偏离最佳设定值(300μrad/nm)，带宽将减小。

本发明具有支持超短脉冲放大的能力。如图7所示，虽然在工作温度下传统放大器能支持的带宽要比本发明中的带宽大，但是实际情况中，一旦环境温度偏离了工作温度，传统放大器中信号光谱将发生明显畸变。在时间域中，因为转换效率的降低，脉冲的峰值强度也将减小。相反，本发明由于放大器具有对于温度不敏感的特性，当环境温度偏离工作温度时，光谱形状基本不变，时间域的脉冲强度和脉冲宽度也几乎保持不变。与此同时，由于能支持足够大的光谱带宽，本发明能够支持小于20飞秒的超短脉冲放大。