光‑光同步放大抑制光谱红移光谱整形方法及装置与流程

本发明涉及激光脉冲光谱整形方法，特别是一种抑制高能激光脉冲放大过程中由于增益窄化和增益饱和效应引入的光谱红移的方法。具体讲,涉及基于光-光同步放大抑制光谱红移的光谱整形方法。

背景技术：

啁啾脉冲放大(chirpedpulseamplification,cpa)技术的提出使得超强超短激光系统得到了迅速的发展。其中，基于钛宝石的cpa技术是获取数拍瓦级超强超短激光脉冲的主流技术之一。迄今为止，世界上很多国家和实验室建立起了基于钛宝石cpa技术的拍瓦级(petawatt,pw)激光系统。如今，国际上多个著名研究机构正在竞相研制10pw量级的超强超短激光系统。啁啾激光脉冲在经过钛宝石晶体进行放大过程中，由于钛宝石晶体不同光谱成分的受激发射截面不同以及饱和放大效应的影响，使得放大后的宽带光谱产生增益窄化和光谱红移的现象。增益窄化和光谱红移会导致宽带光谱的光谱宽度变窄、中心波长偏移，最终影响到压缩后的脉冲宽度和脉冲形状。目前，研究者提出了多种抑制光谱窄化技术，然而抑制光谱红移的技术却非常少。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中，尤其在高能量饱和放大时更加严重。

目前，抑制光谱红移的方法主要是基于对不同的光谱成分引入不同损耗实现光谱的预整形。例如，法国appllon-10pw激光系统中，该装置为了实现最终压缩后达到15fs的脉冲宽度，需要对放大过程中的光谱实现精密控制。首先，为了抑制增益窄化效应，该装置采用了光学参量啁啾脉冲放大技术(opcpa)技术替代再生腔作为前端，opcpa技术可以在很宽的光谱范围内保持平坦的增益，输出光谱宽度可以支持10-15fs的理论极限压缩脉冲，设计输出能量为30mj。其次，为了抑制光谱红移，该装置在后续的放大器每一级之间都引入了反射式光谱滤波器，通过对不同光谱成分引入不同的损耗从而达到抑制光谱红移的效果。该技术通过设计膜层反射率有效地抑制光谱红移，同时该方法会引入比较大的损耗，使得整体的放大效率降低。该方案对滤波器要求较高，不仅需要具有精确的反射率，同时要求较高的损伤阈值和较低的色散引入。传统的基于滤波器引入损耗的方法不仅会引入大量损耗，而且对滤波器的要求也很高，在高能量放大中应用非常受限。因此，研究发展新的光谱整形技术是非常必要的。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，克服现有的通过引入光谱损耗进行光谱整形抑制光谱红移技术的局限性，本发明旨在提出一种基于光光同步放大形抑制光谱红移的光谱整形方法，实现对种子光的光谱整形，同时对泵浦光的时域形状要求很低，且不会引入附加损耗，成本低廉、操作简单、科学有效。为此，本发明采用的技术方案是，光-光同步放大抑制光谱红移光谱整形方法，利用泵浦激光器、激光种子源、钛宝石晶体、同步延时器、多通放大器实现，具体步骤如下：

①利用同步延时器同时触发所述的泵浦激光器和激光种子源产生泵浦光脉冲和种子光脉冲；

②泵浦光脉冲泵浦所述的多通放大器中所述的钛宝石晶体，种子光脉冲注入所述的多通放大器中所述的钛宝石晶体进行放大，种子光脉冲和泵浦光脉冲的中心时刻重合。

所述的泵浦激光器产生的泵浦光脉冲的时间宽度大于等于所述的激光种子源产生的种子光脉冲的时间宽度，且小于种子光脉冲时间宽度的两倍。

所述的泵浦激光器产生的泵浦激光脉冲是单纵模。

所述的种子源产生的种子光脉冲是啁啾脉冲。

光-光同步放大抑制光谱红移光谱整形装置，包括泵浦激光器、激光种子源、钛宝石晶体、同步延时器、多通放大器，步延时器同时触发所述的泵浦激光器和激光种子源产生泵浦光脉冲和种子光脉冲；泵浦光脉冲泵浦位于所述的多通放大器中的钛宝石晶体，种子光脉冲注入所述的多通放大器中进行放大，种子光脉冲和泵浦光脉冲的中心时刻重合。

本发明的特点及有益效果是：

由于本发明采用的是光-光同步放大的技术，不涉及滤波元件，因此与先方法相比，本发明具有以下显著的特点：

1.该方法可以有效地抑制光谱红移。

2.该方法不会引入其他任何附加损耗，保证了放大器的转换效率。

3.该方法中无需引入其他任何光学元件，成本低廉，操作简单。

4.改方法对泵浦光的时域形状要求较低。

附图说明：

图1是利用光光同步放大抑制光谱红移的光谱整形光路简图。

图2是钛宝石晶体的吸收谱和发射谱。

图3是泵浦光平顶分布时，经过光谱整形和未经过光谱整形钛宝石放大器输出的光谱形状。

图4是泵浦光非平顶分布时，经过光谱整形和未经过光谱整形钛宝石放大器输出的光谱形状。

具体实施方式

本发明目的在于克服上述现有的通过引入光谱损耗进行光谱整形抑制光谱红移技术的局限性，提供一种基于光光同步放大形抑制光谱红移的光谱整形方法。该方法用于钛宝石cpa放大系统中，通过泵浦光和种子光的同步放大，使得种子光的时域不同部分获得的增益不同，即实现对种子光的光谱整形。该技术对泵浦光的时域形状要求很低，且不会引入附加损耗，成本低廉、操作简单、科学有效。

本发明的方法解决方案是，基于光-光同步放大抑制光谱红移的光谱整形方法，所采用的器件泵浦激光器、激光种子源、钛宝石晶体、同步延时器、多通放大器。具体步骤如下：

①利用同步延时器同时触发所述的泵浦激光器和激光种子源产生泵浦光脉冲和种子光脉冲。

②泵浦光脉冲泵浦所述的多通放大器中所述的钛宝石晶体，种子光脉冲注入所述的多通放大器中进行放大，种子光脉冲和泵浦光脉冲的中心时刻重合。

所述的泵浦激光器产生的泵浦光脉冲的时间宽度大于等于所述的激光种子源产生的种子光脉冲的时间宽度，且小于种子光脉冲时间宽度的两倍。

所述的泵浦激光器产生的泵浦激光脉冲是单纵模。

所述的种子源产生的种子光脉冲是啁啾脉冲。

本发明的原理是：

参阅图2，由于钛宝石晶体的增益截面随波长的变化是固定的，因此，通常抑制光谱红移都是从种子光出发，采用光学器件增加种子光不同光谱的损耗来抑制光谱红移。本发明提出的光谱整形技术是基于传统放大模型，从钛宝石的增益出发，通过在放大过程中引入短脉冲泵浦，泵浦光和啁啾种子光同时注入放大器。当泵浦脉冲泵浦钛宝石晶体时，激光晶体单位体积的储能是对泵浦脉冲时域的积分，随着泵浦时间的增加，上能级粒子数增加，晶体内的储能随之增加，泵浦结束时晶体内的储能达到最大。与此同时，晶体内对应的增益同样随着泵浦的增加而上升，且泵浦结束后达到最大。此时，如果种子光和泵浦光同时注入到增益晶体中，种子光会得到放大。然而，由于晶体的时间增益特性，导致在种子光的不同时域部分会获得的不同程度的放大。由于种子光和泵浦光同时注入到增益晶体中，种子光的前沿一直处在增益晶体上能级粒子数的初始积累阶段，而种子光的后沿进入晶体时，由于在泵浦光的持续泵浦作用下，晶体内的储能增加，因此种子光后沿获得的增益高于前沿，从而实现钛宝石增益随时间产生变化，进而实现啁啾种子光增益随波长发生变化，从而达到抑制光谱红移的目的。

参阅图1，本发明的技术方案是，图1是本发明基于光-光同步放大抑制光谱红移的光谱整形方法的光路图，本发明是一种光-光同步放大抑制光谱红移的光谱整形方法，由图可见，所采用的器件泵浦激光器、激光种子源、钛宝石晶体、同步延时器、多通放大器。该方法包括下列步骤：

①利用所述的同步延时器4同时触发所述的泵浦激光器1和激光种子源2产生泵浦光脉冲和种子光脉冲。

②泵浦光脉冲泵浦所述的多通放大器5中所述的钛宝石晶体3，种子光脉冲注入所述的多通放大器5中进行放大，种子光脉冲和泵浦光脉冲的中心时刻重合。

所述的泵浦激光器1产生的泵浦光脉冲的时间宽度大于等于所述的激光种子源2产生的种子光脉冲的时间宽度，且小于种子光脉冲时间宽度的两倍。

所述的泵浦激光器1产生的泵浦激光脉冲是单纵模。

所述的激光种子源2产生的种子光脉冲是啁啾脉冲。

参阅图3，当泵浦光脉冲的时间形状为平顶分布时，初始入射的种子光(实线所示)经过放大之后，未经过整形的放大光谱(虚线所示)出现了明显的红移，经过光光同步放大进行整形后放大输出的光谱(点画线所示)出现了少量蓝移，光谱红移被有效抑制。

参阅图4，当泵浦光脉冲的时间形状为非平顶分布时，钛宝石放大器输出的光谱和图3几乎没有任何差别。通过对比图3和图4可以得出，该方法对泵浦光时域的形状要求很低。