專利名稱：載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種載波包絡(luò)相位(簡(jiǎn)稱為CEP)穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大 (以下簡(jiǎn)稱為OPCPA)激光系統(tǒng)，屬于超短超強(qiáng)飛秒脈沖激光放大技術(shù)。
背景技術(shù)：
飛秒激光放大技術(shù)在過去的幾年時(shí)間里的得到了快速發(fā)展，為人類充分探索微觀 超快現(xiàn)象及研究強(qiáng)場(chǎng)物理提供了前所未見的實(shí)用手段和發(fā)展機(jī)遇。尤其是超強(qiáng)超短的飛秒 激光出現(xiàn)，由于它具有超高的峰值功率和超短的脈沖寬度，因而在激光快點(diǎn)火，高能物理， 高強(qiáng)度X射線輻照源，粒子加速，產(chǎn)生X射線激光，產(chǎn)生激光高次諧波和獲得阿秒激光脈沖， 產(chǎn)生中子等物理學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，給科學(xué)家們帶來了未曾預(yù)料到的一些新奇 物理現(xiàn)象。 為了獲得超強(qiáng)超短的飛秒激光脈沖，1992年由Dubietis提出，并由Ross等人 在1997年對(duì)其進(jìn)行發(fā)展的光學(xué)參量啁啾脈沖放大(0PCPA)技術(shù)，綜合了啁啾脈沖放大 (Chirped pulse amplification,簡(jiǎn)稱為CPA)技術(shù)和參量放大(0PA)技術(shù)的各自優(yōu)點(diǎn)，成 為了現(xiàn)代激光放大技術(shù)的研究熱點(diǎn)。雖然已經(jīng)成功的通過OPCPA技術(shù)獲得了超強(qiáng)超短的近 紅外飛秒激光脈沖，但是，中紅外飛秒激光脈沖的獲得給OPCPA放大技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)，它不 僅要求系統(tǒng)能產(chǎn)生CEP穩(wěn)定的寬帶信號(hào)光，而且還需要對(duì)其進(jìn)行寬帶放大，同時(shí)要求信號(hào) 光和泵浦光之間高精確同步。因此，研究CEP穩(wěn)定的中紅外寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激 光系統(tǒng)成為了當(dāng)今最前沿的研究問題之一。 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，該中紅外光學(xué)參量啁啾脈沖放大 激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2所示為已有的中紅外光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖。在圖2中，光纖激光器01輸出中心波長(zhǎng)分別為1550nm和1050nm的雙色激光，其中波 長(zhǎng)為1050nm的激光直接輸入到用于產(chǎn)生差頻信號(hào)的周期激化鈮酸鋰(以下簡(jiǎn)稱為PPLN) 晶體03上，而波長(zhǎng)為1550nm的激光通過延遲控制02也輸入到PPLN晶體03上，接著這兩 路激光脈沖在PPLN晶體中通過差頻產(chǎn)生3. 26um中紅外信號(hào)光，該信號(hào)光再通過展寬器04 展寬到皮秒量級(jí)，作為0PA放大器08的信號(hào)光；0PA放大器08的泵浦光由另一臺(tái)輸出波長(zhǎng) 為1064nm的皮秒量級(jí)激光器06提供。為了實(shí)現(xiàn)參量放大，泵浦光和信號(hào)光之間通過重復(fù) 頻率鎖定器件05和延遲07來控制。來自展寬器04的信號(hào)光經(jīng)過0PA放大器08放大后， 再經(jīng)過壓縮器09壓縮，便獲得了波長(zhǎng)為3. 26um的中紅外超短超強(qiáng)激光光源。該系統(tǒng)中，泵 浦光和信號(hào)光之間的同步采用電同步控制，最終獲得了 56fs的中紅外超短脈沖。由于該系 統(tǒng)采用電同步控制，放大信號(hào)脈沖的穩(wěn)定性差，而且，用于差頻作用的兩路光是來自光纖激 光器的雙路輸出單頻光，差頻產(chǎn)生的CEP信號(hào)光是單一頻率，不僅不具備可調(diào)諧性，而且新 產(chǎn)生的信號(hào)光CEP穩(wěn)定性較差，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到了較大的限制。
目前，光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)激光系統(tǒng)中的寬帶種子源可采用晶體和光子晶體光纖來實(shí)現(xiàn)，通常是將振蕩器產(chǎn)生的泵浦光直接注入到晶體或者光子晶體光纖中， 利用它們的高非線性作用產(chǎn)生的連續(xù)譜作為種子源。就種子源而言，振蕩器具有體積較大， 頻率穩(wěn)定性差，時(shí)間抖動(dòng)較大等缺點(diǎn)，而且，利用這些方法得到的種子源不具有CEP穩(wěn)定的 特性，因而往往給光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全光同步帶來巨大危害，進(jìn) 而限制了 OPCPA放大系統(tǒng)的可適用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，獲得高精度全光同步和實(shí)現(xiàn)CEP高穩(wěn)定的寬帶0PCPA激 光放大，本發(fā)明提出了一種載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，該 系統(tǒng)不僅能改善放大信號(hào)的CEP穩(wěn)定性，而且在忽略環(huán)境抖動(dòng)影響的情況下能保證泵浦光 和種子光之間10飛秒量級(jí)的高精度全光同步，還實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的寬帶中紅外OPCPA放大。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 —種載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由輸出波長(zhǎng)為 1550nm的激光器、信號(hào)光產(chǎn)生器、展寬器、角度色散器、光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器、雙色鏡、 再生放大器、多級(jí)Nd:YAG放大器、反射鏡，光學(xué)參量放大器和壓縮器組成，上述元器件的位 置如下激光器輸出1550nm的飛秒激光脈沖，通過分光鏡后分成兩束，其中一束飛秒激光 脈沖通過反射鏡引入到光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器后，產(chǎn)生包含1064nm的寬帶光譜，該寬帶 光譜接著通過雙色鏡分成兩部分，其中包含1064nm的部分窄帶光譜被輸送到再生放大器 和多級(jí)Nd:YAG放大器中進(jìn)行放大，放大后的1064nm的光脈沖作為光學(xué)參量放大器的泵浦 光。通過雙色鏡得到的另一部分光和由分光鏡得到的另一束1550nm飛秒激光脈沖一起入 射到信號(hào)光產(chǎn)生器中，利用它們的差頻作用來獲得CEP穩(wěn)定的中紅外寬帶光源。信號(hào)光產(chǎn) 生器通過溫度控制，因此差頻產(chǎn)生的中紅外寬帶光源具有可調(diào)諧性。該中紅外寬帶光源 然后經(jīng)過展寬器展寬到皮秒量級(jí)，展寬后的寬帶信號(hào)光脈沖再通過角度色散器作用后，將 會(huì)以不同的角度輸入到光學(xué)參量放大器中，作為信號(hào)光，于是，該信號(hào)光脈沖與來自多級(jí) Nd: YAG放大器的泵浦光脈沖在OPA放大器中通過參量作用而得到放大，放大后的信號(hào)脈沖 最后經(jīng)過壓縮器壓縮，便得到高峰值功率的可調(diào)諧中紅外飛秒激光脈沖。
所述的1550nm飛秒激光的倍頻光正好處于鈦寶石(Ti :s即phire)激光器的工作 范圍，可以同步鈦寶石激光器，作為種子源。 所述的飛秒激光器輸出的中心波長(zhǎng)位于光子晶體光纖的負(fù)色散區(qū)，且靠近光子晶 體光纖的零色散點(diǎn)。利用光子晶體光纖進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換來獲得包含1064nm的超寬帶光源，有 利于用來產(chǎn)生不同頻率的中紅外光譜。 所述的信號(hào)光產(chǎn)生器由周期激化鈮酸鋰晶體和溫控設(shè)備構(gòu)成，用來產(chǎn)生CEP高穩(wěn) 定的可調(diào)諧寬帶信號(hào)光源。 所述的信號(hào)光通過同一激光器輸出的光脈沖分束后的兩路光的差頻作用獲得，得 到的CEP穩(wěn)定性更高。 所述的角度色散器由光柵對(duì)和透鏡組成，可用來改變不同頻率信號(hào)光的輸入角
度，實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)光與泵浦光之間的相位匹配，進(jìn)而容易實(shí)現(xiàn)寬帶放大。 所述的光學(xué)參量放大器使用磷酸氧鈦鉀或者KTA晶體來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)光和泵浦光之
間采用非共線相位匹配方式。
所述的OPA放大器可以根據(jù)要求選擇采用一級(jí)或者多級(jí)放大。 所述的OPCPA放大系統(tǒng)能獲得載波包絡(luò)相位高穩(wěn)定的中紅外飛秒激光光源。 所述的OPCPA放大系統(tǒng)，在忽略環(huán)境抖動(dòng)影響的情況下，全光同步精度能達(dá)到10
飛秒量級(jí)，實(shí)際過程中能控制在小于10皮秒的范圍內(nèi)。 本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是 系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，在忽略環(huán)境抖動(dòng)影響的情況下全光同步精度達(dá)到10飛秒量級(jí)， 信號(hào)光CEP高穩(wěn)定且可調(diào)諧，能實(shí)現(xiàn)寬帶中紅外OPCPA放大，獲得中紅外可調(diào)諧飛秒激光光 源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活，便于集成，其目的是為高功率激光放大系統(tǒng)提供穩(wěn)定的、高對(duì)比度的種 子光源以及用于阿秒脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)中。


圖1為本發(fā)明的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶OPCPA激光放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為已有的中紅外光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。 請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明的CEP穩(wěn)定的寬帶OPCPA激光放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。也是本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖l可見，本發(fā)明的CEP穩(wěn)定的寬帶OPCPA激光放大系 統(tǒng)，由輸出波長(zhǎng)為1550nm的激光器1、分光鏡2、信號(hào)光產(chǎn)生器3、展寬器4、角度色散器5、光 子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器7、雙色鏡8、再生放大器9、多級(jí)Nd: YAG放大器10、第一反射鏡6和 第二反射鏡ll，光學(xué)參量放大器12和壓縮器13構(gòu)成，系統(tǒng)光路的走向如下激光器1輸出 1550nm飛秒激光脈沖，經(jīng)分光鏡2后分成兩束，其中一束飛秒脈沖由第一反射鏡6引入到光 子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器7后產(chǎn)生包含1064nm的寬帶光譜，該寬帶光譜接著通過雙色鏡8分 成兩部分，其中包含1064nm的部分窄帶光譜被引入到再生放大器9和多級(jí)Nd:YAG放大器 10中進(jìn)行放大，放大后的1064nm的光脈沖作為光學(xué)參量放大器12的泵浦光。而通過雙色 鏡8獲得的另一部分寬帶光源和來自分光鏡2的另一束飛秒激光脈沖一起引入到信號(hào)光產(chǎn) 生器3中，利用它們的差頻作用得到CEP穩(wěn)定的中紅外信號(hào)光源。該中紅外光源然后依次 經(jīng)過展寬器4展寬到皮秒量級(jí)，展寬后的光脈沖通過角度色散器5后，不同頻率的信號(hào)光就 會(huì)以不同的角度入射到光學(xué)參量放大器12中，作為信號(hào)光。于是，信號(hào)光脈沖與來自多級(jí) Nd:YAG放大器10的泵浦光脈沖在OPA放大器12中通過光學(xué)參量作用而得到放大，放大后 的信號(hào)光脈沖最后經(jīng)過壓縮器13進(jìn)行壓縮，便得到高峰值功率的可調(diào)諧中紅外飛秒激光。
本實(shí)施例與圖2現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)與圖2相比，圖1系統(tǒng)中的寬帶信號(hào)光是可調(diào)諧的，可控的，而不是單一的中紅 外信號(hào)光源。 (2)圖1所示的OPCPA激光放大系統(tǒng)是一個(gè)CEP高穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量放大系統(tǒng)，
壓縮后能獲得CEP高穩(wěn)定的可調(diào)諧中紅外激光光源，而圖2則不能。
(3)圖2中的OPA信號(hào)光是通過雙路輸出激光器輸出的雙路光脈沖的差頻作用來 獲得，而圖1中的OPA信號(hào)光是先將激光器輸出的光脈沖分成兩束，然后利用它們通過差頻作用來獲得，與圖2相比，圖1中獲得的信號(hào)光的CEP穩(wěn)定性更高。 (4)與圖2相比，圖1中OPA信號(hào)光是CEP高穩(wěn)定的寬帶可調(diào)諧光源，因此該0PCPA 激光放大系統(tǒng)也是寬帶放大可調(diào)諧的，適用范圍更廣，更寬。 (5)圖2中的泵浦光和信號(hào)光來自不同激光器，采用的是電同步控制，同步精度在 皮秒量級(jí)，而圖1采用的是全光同步控制，同步精度能實(shí)現(xiàn)10飛秒量級(jí)，同步精度要高得 多，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。
權(quán)利要求
一種載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由輸出波長(zhǎng)為1550nm的激光器(1)、分光鏡(2)、信號(hào)光產(chǎn)生器(3)、展寬器(4)、角度色散器(5)、光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器(7)、雙色鏡(8)、再生放大器(9)、多級(jí)Nd∶YAG放大器(10)、第一反射鏡(6)和第二反射鏡(11)，光學(xué)參量放大器(12)和壓縮器(13)構(gòu)成，光路走向和元器件的位置如下激光器(1)輸出1550nm飛秒激光脈沖，經(jīng)分光鏡(2)后分成兩束，其中一束飛秒脈沖由第一反射鏡(6)引入到光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器(7)，產(chǎn)生包含1064nm的超連續(xù)寬帶光譜，該寬帶光譜接著通過雙色鏡(8)分成兩部分，其中包含1064nm的部分窄帶光譜被引入經(jīng)再生放大器(9)和多級(jí)Nd:YAG放大器(10)中進(jìn)行放大，放大后的1064nm的光脈沖作為光學(xué)參量放大器(12)的泵浦光，而通過雙色鏡(8)獲得的另一部分寬帶光源和來自分光鏡(2)的另一束飛秒激光脈沖一起引入到信號(hào)光產(chǎn)生器(3)中，利用差頻作用得到載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的中紅外信號(hào)光源，接著，該中紅外信號(hào)光源依次經(jīng)過展寬器(4)展寬和角度色散器(5)后，輸入到光學(xué)參量放大器(12)中，作為信號(hào)光，于是，信號(hào)光脈沖與來自多級(jí)Nd:YAG放大器(10)的泵浦光脈沖在光學(xué)參量放大器(12)中通過光學(xué)參量作用而得到放大，放大后的信號(hào)光脈沖最后經(jīng)過壓縮器(13)進(jìn)行壓縮，便得到高峰值功率的可調(diào)諧中紅外飛秒激光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)， 其特征在于所述的飛秒激光器(1)輸出中心波長(zhǎng)為1550nm，脈沖寬度小于IOO飛秒，功率大 于250mW的光脈沖位于光子晶體光纖的負(fù)色散區(qū)，且靠近光子晶體光纖的零色散點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)， 其特征在于所述的信號(hào)產(chǎn)生器(3)由周期激化鈮酸鋰晶體和溫控設(shè)備構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)， 其特征在于所述的角度色散器(5)由光柵對(duì)和透鏡組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)， 其特征在于所述的光學(xué)參量放大器(12)使用磷酸氧鈦鉀或者KTA晶體來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)光和泵 浦光之間采用非共線相位匹配方式。
全文摘要
一種載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的寬帶光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由輸出波長(zhǎng)為1550nm的飛秒激光器、分光鏡，信號(hào)光產(chǎn)生器、展寬器、角度色散器、光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器、再生放大器、多級(jí)Nd:YAG放大器、反射鏡、光學(xué)參量放大器和壓縮器構(gòu)成。本發(fā)明的特點(diǎn)是，通過差頻作用產(chǎn)生的寬帶信號(hào)光具有CEP高穩(wěn)定和寬帶可調(diào)諧特性；信號(hào)光和泵浦光來自同一激光器，在忽略環(huán)境抖動(dòng)影響的情況下能保證信號(hào)光脈沖與泵浦光脈沖之間10飛秒量級(jí)的高精度時(shí)間同步，穩(wěn)頻效果好；利用角度色散器實(shí)現(xiàn)了寬帶的OPCPA放大，獲得了中紅外可調(diào)諧激光光源。
文檔編號(hào)H01S3/094GK101764341SQ200910247569
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者冷雨欣, 徐至展, 王乘, 王河林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所