专利名称：光学参量啁啾脉冲放大激光系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光器，特别是一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其目的是要产生高信噪比的超强超短激光脉冲。
背景技术：
近十年来，啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)技术已被广泛应用到建造多太瓦(即1012W，简写为TW)级激光系统。但CPA超强超短激光系统仍存在一些难以克服的缺点激光系统的输出脉冲信噪比低，并存在预脉冲放大；放大过程存在严重的光谱增益窄化效应；另外放大介质中的热效应使得激光系统的光束质量劣化等。
近年来发展了基于啁啾脉冲放大(CPA)与光学参量放大(OpticalParametric Amplification，简写为OPA)相结合的光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的全新原理。它是先将飞秒超短激光脉冲信号光展宽成纳秒级啁啾脉冲，由纳秒级强激光脉冲泵浦的OPA系统放大，最后在输出端利用光栅对进行压缩，获得飞秒超短超强激光输出。利用LBO或BBO、KDP、DKDP等非线性晶体作为光学参量放大级的OPCPA激光装置比用传统激光放大介质(如钕玻璃)的CPA激光装置具有更多的优越性，如高输出信噪比；很低的预脉冲水平；可以消除光谱增益窄化效应，能提供比钕玻璃系统宽得多的增益带宽(约200纳米级)以支持超短(小于10飞秒级)飞秒激光脉冲放大；系统的B积分可以做得很小，因此激光系统可以得到极高的输出光束质量等等。目前，英国卢瑟福实验室已报道用OPCPA方案获得的峰值功率接近1TW/300飞秒的实验结果(Applied Optics 2000 39(15)2422-2427)。该实验室的OPCPA激光系统如图1所示，图中01-飞秒激光振荡器，02-脉冲展宽器，03-OPA激光放大器，04-泵浦源，05-脉冲压缩器。
该激光系统的工作原理是飞秒激光振荡器01产生的飞秒锁模脉冲，经过脉冲展宽器02展宽到纳秒量级，注入到OPA激光放大器03中，作为OPA放大的信号光脉冲，一台分立的激光泵浦源04产生的激光脉冲则作为OPA放大的泵浦光同时注入到03中，经过OPA激光放大器03放大后，信号光脉冲再通过脉冲压缩器05进行脉冲压缩，最后获得短脉冲强激光输出。该激光系统在OPA放大过程中，泵浦源和信号源分别是两个独立的激光系统，信号光与泵浦光的时间同步是通过电子学技术解决的，而信号光脉冲与泵浦光脉冲之间的时间同步(TimingSynchronization)和时间抖动(Timing Jitter)最好结果在100皮秒左右。由于在OPCPA放大过程中，信号光只在泵浦光脉冲宽度这一时间窗口内能获得增益放大，而高效OPCPA放大系统中，信号光与泵浦光的脉冲宽度都为1纳秒左右，因此信号光与泵浦光之间的时间同步误差以及时间抖动不仅会导致信号光增益的起伏，而且会导致光谱形状的畸变。理论计算和实验研究表明，当时间抖动为100皮秒时，会引起放大信号的明显的增益起伏和光谱畸变。另外，该激光系统的泵浦光每工作一次需近20分钟，使得OPA放大系统中信号光与泵浦光的对准只能采用外加倍频Nd:YAG光源，导致OPA放大器中的信号光与泵浦光的对准及时间同步的调节极为复杂而且准确性和可靠性降低。
发明内容
本实用新型针对目前上述OPCPA系统在OPA放大器中信号光与泵浦光的精确时间同步、时间抖动以及光路精确对准方面存在的关键技术问题，提出一种光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)激光系统，其信号光和泵浦光可达到精确的时间同步；同时泵浦光以重复频率(1-10Hz)运行，从而使OPA放大系统的第一级运转在1-10Hz状态，直接能进行各级OPA放大器中信号光与泵浦光的对准和同步调节，以提高准确性和可靠性。
本实用新型的技术解决方案如下
一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，包括飞秒激光振荡器、光栅对脉冲展宽器、光栅对脉冲压缩器，其特征在于还有分束器、第一级OPA放大器、后级OPA放大器、泵浦源系统前级放大器、第一倍频晶体、分光板、泵浦源系统主放大链、第二倍频晶体和反射器，上述各元部件的相对位置关系如下该飞秒激光振荡器产生的飞秒锁模脉冲列经分束器分成两束光，其中一束光注入到光栅对脉冲展宽器，展宽成纳秒量级，再注入到OPCPA放大系统的第一级OPA放大器，作为OPA信号光，经放大后再注入到后级OPA放大器作为放大信号光，从分束器分出的另一束光注入到泵浦源系统的前级放大器放大后通过第一倍频晶体获得倍频光输出，分光板将该部分倍频光注入到第一级OPA放大器，作为OPA泵浦光；从分光板透过的剩余的基频光脉冲再注入到OPA泵浦源系统的主放大链，放大后通过第二倍频晶体获得倍频光输出，经反射器注入到后级OPA放大器，作该OPA放大的泵浦光，经后级OPA放大器放大后的信号光再引入到光栅对脉冲压缩器经压缩后输出超强超短的激光脉冲。
所述的飞秒激光振荡器是钛宝石飞秒激光振荡器，或Yb:YAG飞秒激光振荡器。
所述的OPA放大器是由LBO、或BBO、KDP、DKDP晶体制成的。
所述的第一倍频晶体和第二倍频晶体为DKDP、或LBO、或KDP晶体。
所述的分光板为二色性分光板，所述的反射器为二色性反射器。
本实用新型的技术效果在于在本实用新型的OPCPA放大激光系统中，信号光和泵浦光都来自同一激光振荡器，因此可以实现精确的时间同步。
泵浦光以重复频率(1-10Hz)运行，从而使OPA放大系统的第一级运转在1-10Hz状态，直接能进行各级OPA放大器中信号光与泵浦光的对准和同步调节；无需外加对准光源，而且对准和同步调节更简捷、方便和准确。
图1是已有的OPCPA放大激光系统框图。
图2是本实用新型OPCPA放大激光系统具体实施例框图。
图2中1-飞秒激光振荡器 2-分束器3-光栅对脉冲展宽器4-第一级OPA放大器5-后级OPA放大器 6-泵浦源系统的前级放大器7-第一倍频晶体8-二色性分光板9-泵浦源系统主放大链 10-第二倍频晶体11-二色性反射器 12-光栅对脉冲压缩器具体实施方式
先请参阅图2，图2是本实用新型光学参量啁啾脉冲放大激光系统具体实施例框图，由图可见，本实用新型光学参量啁啾脉冲放大激光系统由飞秒激光振荡器1、分束器2、光栅对脉冲展宽器3、第一级OPA放大器4、后级OPA放大器5、泵浦源系统的前级放大器6、倍频晶体7、二色性分光板8、泵浦源系统的主放大链9、倍频晶体10、二色性反射器11、光栅对脉冲压缩器12构成，该OPCPA激光系统的工作过程如下钛宝石飞秒激光振荡器1产生一列约100飞秒的1064纳米锁模脉冲列经分束器2分成两束光，其中一束光注入到光栅对脉冲展宽器3，展宽到300纳秒量级，再送到OPCPA放大系统的第一级OPA放大器(一块LBO晶体)4，作为OPA放大器系统的种子信号光。从分束器2分出的另一束光注入到以1Hz重复频率运行的泵浦源系统的前级放大器6。在前级放大器6中经脉冲整形、光谱整形和放大后获得约800纳秒脉宽、光谱宽度小于1纳米的1064纳米激光脉冲，通过DKDP倍频晶体7获得倍频光输出。由二色性分光板8将该部分倍频光反射到OPCPA激光系统的第一级OPA放大器4，作为OPA的泵浦光。而从分光板8透过的剩余1064纳米基频光脉冲再注入到OPA泵浦源系统的钕玻璃主放大链9，放大后通过第二倍频晶体KDP晶体10获得倍频光输出，经二色性反射器11反射到后级OPA放大器(两块LBO晶体)5，作为该OPA放大级的泵浦光。被后级OPA放大器5放大后的信号光被引入到光栅对脉冲压缩器12。当泵浦光的能量为10J时，在压缩器后得到了峰值功率高于10TW，脉冲宽度为120飞秒的激光脉冲。
本实用新型OPCPA激光系统实施例，经测试表明放大过程的信号光与泵浦光之间的时间同步和时间抖动小于10皮秒，另外，OPCPA激光系统的前级OPA已采用1Hz的泵浦方式，各级OPA放大级可以直接对准，无需外加对准光源，对准和同步调节简捷、方便、准确。
权利要求1.一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，包括飞秒激光振荡器(1)、光栅对脉冲展宽器(3)、光栅对脉冲压缩器(12)，其特征在于还有分束器(2)、第一级OPA放大器(4)、后级OPA放大器(5)、泵浦源系统前级放大器(6)、第一倍频晶体(7)、分光板(8)、泵浦源系统主放大链(9)、第二倍频晶体(10)和反射器(11)，上述各元部件的相对位置关系如下该飞秒激光振荡器(1)产生的飞秒锁模脉冲列经分束器(2)分成两束光，其中一束光注入到光栅对脉冲展宽器(3)，展宽成纳秒量级，再注入到OPCPA放大系统的第一级OPA放大器(4)，作为OPA信号光，经放大后再注入到后级OPA放大器(5)作为放大信号光，从分束器(2)分出的另一束光注入到OPA泵浦源系统的前级放大器(6)，放大后通过第一倍频晶体(7)获得倍频光输出，分光板(8)将该部分倍频光注入到第一级OPA放大器(4)，作为OPA泵浦光；从分光板(8)透过的剩余的基频光脉冲再注入到OPA泵浦源系统的主放大链(9)，放大后通过第二倍频晶体(10)获得倍频光输出，经反射器(11)注入到后级OPA放大器(5)，作该OPA放大的泵浦光，经后级OPA放大器(5)放大后的信号光再引入到光栅对脉冲压缩器(12)经压缩后输出超强超短的激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的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振荡器是钛宝石飞秒激光振荡器，Yb:YAG飞秒激光振荡器。
3.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的OPA放大器是由LBO、或BBO、或KDP、或DKDP晶体制成的。
4.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的第一倍频晶体(7)和第二倍频晶体为DKDP晶体、或KDP晶体。
5.根据权利要求1所述的光学参量啁啾脉冲放大激光系统，其特征在于所述的分光板(8)为二色性分光板，所述的反射器(11)为二色性反射器。
专利摘要一种光学参量啁啾脉冲放大激光系统，由飞秒激光振荡器、光栅对脉冲展宽器、光栅对脉冲压缩器、分束器、第一级OPA放大器、后级OPA放大器、泵浦源系统前级放大器、第一倍频晶体、二色性分光板、泵浦源系统主放大链、第二倍频晶体和二色性反射器构成，本实用新型的特点是信号光和泵浦光源自同一激光振荡器，信号光脉冲与泵浦光脉冲可以实现精确的时间同步，并降低了时间抖动，而且无需外加对准光源，即可对各光学参量放大级的信号光与泵浦光进行对准和同步调节，而且调整简捷、方便和准确。
文档编号H01S3/00GK2612114SQ0322882
公开日2004年4月14日 申请日期2003年2月14日 优先权日2003年2月14日
发明者徐至展, 杨晓东, 林礼煌, 陆海鹤, 冷雨欣, 张正泉, 李儒新, 张文琦 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所