專利名稱：一種提高超短脈沖對比度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提供超短脈沖對比度的方法，該方法采用有源外腔相干合成光參量放大技術(shù)提高超短脈沖對比度。
背景技術(shù)：
高功率高重復(fù)頻率的飛秒激光脈沖在材料加工、醫(yī)療處理、激光化學(xué)與高能物理領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。單個激光脈沖的峰值功率，已經(jīng)從調(diào)Q技術(shù)所得到的吉瓦 (Gffao9 W)量級提高到鎖模技術(shù)得到的太瓦(TW，IO12 W)量級，對應(yīng)的激光聚焦功率密度也已達到IO2tl-IO22 W/cm2，產(chǎn)生的強電場、強磁場的極端實驗條件為強場物理和高能密度物理的研究提供了基礎(chǔ)工具。在強場激光物理領(lǐng)域中，目前獲得高峰值功率激光脈沖的主要途徑是基于啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA，chirped-pulse amplification)的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、成本低，能實現(xiàn)高重復(fù)頻率的脈沖放大，獲得高峰值功率脈沖。然而，在CPA放大過程中激光脈沖的前沿和后沿會產(chǎn)生很強的自發(fā)輻射放大(ASE，amplified spontaneous emission)，同時，在選取單個脈沖的過程中，也會伴隨產(chǎn)生小脈沖。超快超強激光與物質(zhì)相互作用時，激光的聚焦強度通常達到IO15 W/cm2，相應(yīng)的脈沖前后沿ASE和小脈沖的強度也很大，它們的存在會改變主脈沖與靶材作用時等離子體的初始狀態(tài)，影響作用過程甚至改變作用機制。因此，不斷提高激光脈沖對比度，已成為飛秒超強激光研究領(lǐng)域的重要課題。啁啾脈沖放大過程中，預(yù)脈沖產(chǎn)生的主要原因是前級預(yù)放大過程累積的自發(fā)輻射及主放大過程的ASE，其他如展寬器和壓縮器中光柵平整度、光譜的小尺度調(diào)制、光譜剪切及調(diào)節(jié)誤差、非線性自相位調(diào)制等因素，都會影響輸出脈沖對比度。人們最早采用空間濾波和時間濾波技術(shù)，能獲得10_5的脈沖對比度，后來通過提高注入激光脈沖種子對比度和強度的技術(shù)，降低主放大級的放大倍數(shù)，將脈沖對比度提高到10_7。2002年，美國的研究人員針對再生腔放大技術(shù)，提出能有效抑制前級預(yù)放ASE的環(huán)形腔放大技術(shù)，將單個啁啾脈沖放大系統(tǒng)輸出激光的脈沖對比度推進到10Λ20世紀(jì)末提出的光參量啁啾脈沖放大(OPCPA，optical parametric chirped-pulse amplification)技術(shù)，結(jié)合了 CPA高脈沖能量與OPA非線性放大過程的特征，具有增益高、帶寬大、熱沉低等優(yōu)點，極大的促進了激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的發(fā)展。由于是非線性放大的過程，相比一般的CPA，無ASE效應(yīng)，輸出激光的脈沖對比度能到達10_9量級，遠(yuǎn)好于普通的CPA激光放大結(jié)果，但同步泵浦光的波形和脈寬引起的時間抖動也會產(chǎn)生預(yù)脈沖。2005年提出的雙啁啾脈沖放大技術(shù)，采用兩組CPA放大系統(tǒng)，結(jié)合多次空間濾波，最終得到10_1(1脈沖對比度的放大激光。近年來利用惰性氣體、非線性晶體的三階非線性特性，產(chǎn)生交叉偏振波，已經(jīng)成功的將激光脈沖對比度提高到10—11量級。隨著電子加速、先進光源、阿秒物理、超快物質(zhì)、快點火聚變和激光核物理研究的深入，來自高能激光系統(tǒng)的打靶光脈沖聚焦后光強高達IO2tl-IO21 W/cm2，盡管現(xiàn)有技術(shù)已能獲得10_"的脈沖對比度，但剩余預(yù)脈沖的焦斑光強仍超過101° W/cm2，如此高強度的預(yù)脈沖，在主脈沖達到靶材之前會引起靶材的破裂和預(yù)電離，影響實驗結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)中，提出一種提高超短脈沖對比度的方法，該方法提供一種新型的有源外腔相干合成光參量放大的方法來提高輸出脈沖對比度的技術(shù)， 有望實現(xiàn)優(yōu)于10_12脈沖對比度的高能激光輸出，能幫助研究人員更清晰的認(rèn)識激光與物質(zhì)相互作用的過程與機理，也將為強場激光物理學(xué)、非線性光學(xué)的研究提供更可靠、更穩(wěn)定的研究工具。本發(fā)明的目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
一種提高超短脈沖對比度的方法，其特征在于所述方法采用有源增強的外腔相干合成光參量放大的方法，該方法涉及一有源非共線光學(xué)諧振腔，所述的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)可以是多面腔鏡組成的環(huán)形或者折疊形，腔內(nèi)包括一塊非線性晶體實現(xiàn)參量放大，所述增強外腔的長度由粘附在一面腔鏡上的一電子線路控制精密控制，通過所述電子反饋回路將所述增強外腔的長度對應(yīng)的重復(fù)頻率鎖定在輸入的種子脈沖的重復(fù)頻率上。所述方法采用的步驟如下以常見四境折疊腔為例，所述增強外腔重復(fù)頻率鎖定后，第一個經(jīng)由所述輸入耦合鏡進入腔內(nèi)的種子脈沖經(jīng)曲面鏡聚焦到所述非線性晶體上， 與所述同步泵浦脈沖發(fā)生參量作用，實現(xiàn)種子脈沖的放大，所述第一個種子脈沖在腔內(nèi)傳輸一次，完成參量放大，回到所述輸入耦合鏡；由于所述增強外腔長度已被精確鎖定，放大后的第一個種子脈沖與第二個種子脈沖同時入射到輸入耦合鏡處，實現(xiàn)電場的相干疊加， 幅度增強，合成后的脈沖在增強腔內(nèi)傳輸，再經(jīng)所述兩面曲面鏡聚焦在所述非線性晶體上， 發(fā)生參量放大，經(jīng)放大的合成后的脈沖在輸入耦合鏡處又能與下一個種子脈沖相干合成， 參量放大，循環(huán)往復(fù)。經(jīng)過所述增強外腔放大的脈沖也可加入聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器等光學(xué)開關(guān)以腔倒空的方式實現(xiàn)輸出。本發(fā)明的優(yōu)點是，在于有源的同步泵浦方式能精確控制泵浦脈沖與種子脈沖的作用時間，減少ASE的產(chǎn)生，還能補償脈沖在增強腔內(nèi)傳輸?shù)膿p耗，降低對腔鏡反射率的要求。外腔長度的精密鎖定，實現(xiàn)了不同時刻進入腔內(nèi)脈沖的相干合成，提高參量放大過程中種子脈沖的強度，避免增益飽和。脈沖相干合成與有源參量放大兩種效應(yīng)在精密鎖定的增強腔內(nèi)交替發(fā)生，每次主脈沖都獲得比預(yù)脈沖大得多的增益，激光脈沖對比度大幅提高，突破現(xiàn)有技術(shù)10_"的瓶頸。


附圖1本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)附圖2本發(fā)明實施例一脈沖合成放大示意圖； 附圖3本發(fā)明實施例二脈沖合成放大示意圖； 附圖4本發(fā)明實施例三脈沖合成放大示意圖； 附圖5本發(fā)明實施例四脈沖合成放大示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解
如圖1-5中標(biāo)號1-8代表的是輸入耦合鏡1、輸出鏡2、曲面鏡3、曲面鏡4、非線性晶體 5、電子線路控制6、聲光調(diào)制器7、曲面鏡8
光參量啁啾脈沖放大的種子源可采用摻鈦藍(lán)寶石激光器(Ti: S)，鎂橄欖石激光器 (Cr:F)，摻鐿、鉺光纖激光器(％、Er-fiber)等任意波長的超短脈沖激光器，傳統(tǒng)固體激光器和光纖激光器皆可。光參量啁啾脈沖放大的泵浦源根據(jù)非線性晶體和種子源波長的要求，選擇合適波段的高功率激光器或放大器。泵浦激光與種子激光的同步方式不限，可采用主動或者被動的結(jié)構(gòu)，電子反饋回路主動控制同步、主從激光器注入同步和光譜部分放大同步技術(shù)均可。有源非共線的光學(xué)諧振腔可采用環(huán)形或者折疊結(jié)構(gòu)，以最常見的四境折疊腔為例。一面平面鏡作為輸入耦合鏡，將激光系統(tǒng)輸出的種子光導(dǎo)入到增強腔里，兩面對種子光全發(fā)射的曲面鏡將腔內(nèi)激光聚焦到非線性晶體表面，實現(xiàn)參量放大，另一塊平面鏡作為輸出鏡，也可加入聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器等光學(xué)開關(guān)以腔倒空的方式實現(xiàn)輸出。腔內(nèi)發(fā)生參量作用的非線性晶體根據(jù)種子光、泵浦光的波段，非線性效應(yīng)的強弱、 抗損傷閾值的需要，轉(zhuǎn)換效率等要求靈活選擇。增強腔的長度由粘附在一面腔鏡上的壓電陶瓷精密控制，通過電子線路控制6，將外腔長度對應(yīng)的重復(fù)頻率鎖定在輸入脈沖的重復(fù)頻率上。重復(fù)頻率鎖定后，第一個進入腔內(nèi)的種子脈沖由輸入耦合鏡1進入腔內(nèi)，經(jīng)對種子脈沖全反射的曲面鏡3、4聚焦到用于光參量啁啾脈沖放大的非線性晶體5上，與同步的泵浦脈沖發(fā)生參量作用，實現(xiàn)種子脈沖的放大。同步泵浦的方式保證只在有種子脈沖通過非線性晶體時才發(fā)生參量作用，脈沖強度增強，對比度提高，與通常的啁啾脈沖放大過程相比，從根源上避免了增益介質(zhì)被連續(xù)泵浦產(chǎn)生的ASE。第一個種子脈沖在腔內(nèi)傳輸一次，完成參量放大，回到輸入耦合鏡1，由于外腔長度已被精確鎖定，第一個種子脈沖與下一個進入腔內(nèi)的種子脈沖即第二個種子脈沖同時入射到輸入耦合鏡1處，實現(xiàn)電場的相干疊加， 幅度增強，對比度繼續(xù)提高，合成后的脈沖在增強腔內(nèi)傳輸，再經(jīng)曲面鏡聚焦在非線性晶體上，發(fā)生參量放大。放大后的脈沖在輸入耦合鏡處1又能與下一個進入腔內(nèi)的種子脈沖相干合成，參量放大，循環(huán)往復(fù)。多個脈沖在腔內(nèi)不斷相干合成，參量放大，最終從輸出鏡2輸出。有源的外腔結(jié)構(gòu)補償激光脈沖傳輸過程中的損耗，每次相干合成和參量放大的過程中， 主脈沖相對強度持續(xù)提高。同時，腔內(nèi)脈沖在輸入耦合鏡處不斷的相干合成作用，使每次發(fā)生參量放大時種子激光脈沖的強度不斷增加，有效克服了傳統(tǒng)OPCPA過程中的增益飽和限制。實施例一如圖2所示，重復(fù)頻率可調(diào)、腔倒空方式輸出的有源外腔相干合成示意圖，實施細(xì)節(jié)
(1)種子脈沖由輸入耦合鏡1進入增強腔，腔長由電子線路6控制的壓電陶瓷精確鎖定。(2)輸入脈沖經(jīng)聲光調(diào)制器7，曲面反射鏡8、3聚焦到非線性晶體5，在同步泵浦脈沖的作用下，發(fā)生參量過程，脈沖幅度被放大。
(3)放大的脈沖經(jīng)曲面反射鏡4反射到輸入耦合鏡1，與下一個進入腔內(nèi)的脈沖相干合成，合成后的脈沖在腔內(nèi)傳輸，在非線性晶體內(nèi)繼續(xù)被參量放大，不斷與后續(xù)進入腔內(nèi)的脈沖相干合成，脈沖幅度和對比度不斷提高。(4)增強后的脈沖在聲光調(diào)制器7的作用下，以腔倒空方式經(jīng)輸出鏡2輸出，輸出脈沖的重復(fù)頻率隨聲光調(diào)制器驅(qū)動頻率變化。實施例二 如圖3所示，利用Ti: S激光作為種子源、分頻放大技術(shù)獲得同步泵浦光實現(xiàn)有源外腔相干合成的光參量啁啾脈沖放大示意圖。實施細(xì)節(jié)
(1)選用一臺商售的鈦藍(lán)寶石激光器，其輸出光譜范圍覆蓋650 nm到1100 nm。(2)采用鍍膜AR0800 nm / HR0910 nm的雙色鏡將鈦藍(lán)寶石激光器輸出的光譜中心在910 nm波段的激光濾出，進入光學(xué)展寬器，展寬至皮秒量級，作為光參量啁啾脈沖放大過程的種子脈沖。(3)采用鍍膜AR0800 nm / HRil030 nm的雙色鏡將鈦藍(lán)寶石激光器輸出的光譜中心在1030 nm波段的激光濾出，用顯微物鏡耦合進入光纖，作為光參量啁啾脈沖放大過程同步泵浦光的種子源。(4)用單模光纖或者空間展寬器對1030 nm種子激光的時域?qū)挾冗M行展寬，避免超短脈沖放大過程中超高峰值功率對光學(xué)器件造成的損傷和不利的非線性效應(yīng)引起的脈沖畸變。(5)采用級聯(lián)的兩級摻鐿單模光纖放大器對濾出的1030 nm波段的種子光進行預(yù)放大，泵浦激光器為輸出最大功率500 mW、輸出波長976 nm的半導(dǎo)體激光器，種子光平均功率可提高至50-200 mW。(6)采用摻鐿雙包層光子晶體光纖對種子脈沖進行功率主放大，通過空間耦合，將種子光經(jīng)透鏡聚焦，耦合進入增益光纖的纖芯。泵浦激光器為輸出平均功率數(shù)百瓦甚至千瓦的半導(dǎo)體激光器，其輸出的泵浦光經(jīng)兩個非球面透鏡整形，通過透鏡聚焦，從增益光纖的另一端耦合進入光纖，每級放大器之間都插入空間或光纖隔離器，避免后級背向散射光進入前級影響放大效果。(7)將高功率1030 nm的激光引入由兩塊高抗損傷閾值的透射式光柵構(gòu)成的壓縮器，補償放大過程中各級增益光纖和展寬器引入的二階色散，壓縮脈寬。(8)經(jīng)過光學(xué)寬帶倍頻，獲得與鈦藍(lán)寶石激光器910 nm種子脈沖同步的、重復(fù)頻率 80 MHz、中心波長515 nm、平均功率200 W、脈沖寬度數(shù)百飛秒的激光脈沖，作為光參量啁啾脈沖放大過程的泵浦光。(9)將由(2)、(8)獲得的種子脈沖和泵浦脈沖引入圖2所示的增強腔結(jié)構(gòu)，非線性晶體選用ΒΒ0，將增強腔長度對應(yīng)的重復(fù)頻率和種子脈沖、泵浦脈沖的重復(fù)頻率精密鎖定， 實現(xiàn)有源外腔相干合成的光參量啁啾脈沖放大。參量放大過程輸出中心波長在910 nm，平均功率80 W，脈沖對比度優(yōu)于10_"的激光脈沖。實施例三如圖4所示，利用Ti: S激光作為種子源、交叉吸收調(diào)制技術(shù)獲得同步納秒方波實現(xiàn)有源外腔相干合成的光參量啁啾脈沖放大示意圖。實施細(xì)節(jié)
(1)選用一臺中心波長800 nm，光譜寬度60 nm，重復(fù)頻率MO kHz的鈦寶石激光器。
(2)搭建一臺半空間半光纖結(jié)構(gòu)，重復(fù)頻率MO kHz的摻鐿光纖激光器，在光纖激光器內(nèi)增加一個800/1064 nm波段的波分復(fù)用器，在波分復(fù)用器之后緊跟一段長度1 m的摻鉺光纖，作為交叉吸收調(diào)制的吸收介質(zhì)。(3)選用800 nm的分束鏡片，將鈦寶石激光輸出的激光分為兩部分，一部分平均功率200 mW的激光作為種子脈沖，另一部分平均功率20 mW的激光作為交叉吸收調(diào)制的注入光。(4)選用顯微物鏡將20 mff的注入光耦合進入單模光纖，再經(jīng)800/1064 nm的波分復(fù)用器注入摻鐿光纖激光器內(nèi)，在腔內(nèi)1 m長摻鉺光纖的作用下，實現(xiàn)從摻鐿激光器與主鈦寶石激光器的精密同步，同步后摻鐿激光器輸出平均功率3 mW，脈沖寬度3-5 ns的方波脈沖。(5)選用摻鐿光纖預(yù)放大器、摻鐿光纖主放大器對同步后的納秒方波脈沖進行功率放大，獲得平均功率300 W，脈沖寬度5 ns的高功率同步方波脈沖，再經(jīng)光學(xué)倍頻到515 nm波段的脈沖，作為光參量放大的同步泵浦激光。(6)將(3)和(5)獲得的種子脈沖和納秒方波注入到增強外腔，同時通過電子線路鎖定外腔的腔長，800 nm中心波長的種子脈沖在外腔里發(fā)生參量作用，幅度增大，同時與后續(xù)的脈沖相干合成，最終經(jīng)聲光調(diào)制器輸出高對比度的激光脈沖。實施例四如圖5所示，摻鉺激光作為種子源、主動同步技術(shù)獲得泵浦光實現(xiàn)外腔增強的光參量啁啾脈沖放大示意圖。實施細(xì)節(jié)
(1)光參量啁啾脈沖放大過程的種子脈沖采用中心波長1560 nm的摻鉺光纖振蕩器產(chǎn)生，泵浦源采用中心波長1030 nm的摻鐿光纖放大器的輸出脈沖。(2)摻鐿光纖激光器的重復(fù)頻率為78 MHz，可以采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖?；蛘呖娠柡臀阵w鎖模的方式，輸出的脈沖經(jīng)過光柵展寬器或者單模光纖，脈沖寬度展寬至數(shù)百皮秒。(3)展寬后的脈沖經(jīng)級聯(lián)的摻鐿光纖預(yù)放大器和摻鐿特種光纖主放大器，平均功率可由幾個毫瓦提高到數(shù)十瓦。(4)采用光柵壓縮器，對放大的脈沖進行色散補償。最終得到平均功率6 W、脈沖寬度500 fs、光譜寬度5 nm的1030 nm激光脈沖。(5)種子源摻鉺光纖振蕩器的重復(fù)頻率與摻鐿光纖振蕩器的重復(fù)頻率一致，均為 78 MHz0用5 m長的單模光纖，將摻鉺光纖振蕩器輸出的脈沖展寬到3 ps。精密控制信號脈沖的啁啾和其與泵浦脈沖的延遲，可以實現(xiàn)在信號脈沖光譜中心1565 nm附近4 nm的位相匹配，獲得最優(yōu)的參量轉(zhuǎn)換效率。(6)將種子脈沖和泵浦脈沖同時注入到對應(yīng)于78 MHz重復(fù)頻率的有源相干合成外腔內(nèi)，泵浦耦合鏡的耦合比為10%，選擇PPLN作為增益介質(zhì)，晶體附近的兩面曲面鏡可將種子脈沖和泵浦脈沖的光斑大小聚焦至100 μ m,實現(xiàn)參量過程的模式匹配。(7)采用ffiinsch - Couillaud方法將有源外腔的長度和摻鐿光纖振蕩器的腔長精密鎖定。通過電子反饋回路控制粘附在摻鉺光纖振蕩器一面腔鏡上的壓電陶瓷，實現(xiàn)泵浦脈沖和種子脈沖重復(fù)頻率的精密鎖定。(8)精密同步的種子脈沖在有源外腔內(nèi)發(fā)生參量作用，同時不斷與后續(xù)進入腔內(nèi)的脈沖相干合成，幅度增加，脈沖對比度提高，最終通過聲光調(diào)制器輸出。
權(quán)利要求
1.一種提高超短脈沖對比度的方法，其特征在于所述方法采用有源增強的外腔相干合成光參量放大的方法，該方法涉及一有源非共線光學(xué)諧振腔，所述的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)可以是多面腔鏡組成的環(huán)形或者折疊形，腔內(nèi)包括一塊非線性晶體實現(xiàn)參量放大，所述增強外腔的長度由粘附在一面腔鏡上的一電子線路控制精密控制，通過所述電子反饋回路將所述增強外腔的長度對應(yīng)的重復(fù)頻率鎖定在輸入的種子脈沖的重復(fù)頻率上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高超短脈沖對比度的方法，其特征在于，所述方法采用的步驟如下所述增強外腔重復(fù)頻率鎖定后，第一個經(jīng)由所述輸入耦合鏡進入腔內(nèi)的種子脈沖經(jīng)曲面鏡聚焦到所述非線性晶體上，與所述同步泵浦脈沖發(fā)生參量作用，實現(xiàn)種子脈沖的放大，所述第一個種子脈沖在腔內(nèi)傳輸一次，完成參量放大，回到所述輸入耦合鏡； 由于所述增強外腔長度已被精確鎖定，放大后的第一個種子脈沖與第二個種子脈沖同時入射到輸入耦合鏡處，實現(xiàn)電場的相干疊加，幅度增強，合成后的脈沖在增強腔內(nèi)傳輸，再經(jīng)所述兩面曲面鏡聚焦在所述非線性晶體上，發(fā)生參量放大，經(jīng)放大的合成后的脈沖在輸入耦合鏡處又能與下一個種子脈沖相干合成，參量放大，循環(huán)往復(fù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高超短脈沖對比度的方法，其特征在于，經(jīng)過所述增強外腔放大的脈沖也可加入聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器等光學(xué)開關(guān)以腔倒空的方式實現(xiàn)輸出ο
全文摘要
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高超短脈沖對比度的方法，該方法所述方法采用有源增強的外腔相干合成光參量放大的方法，涉及一有源非共線光學(xué)諧振腔，所述的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)可以是多面腔鏡組成的環(huán)形或者折疊形，腔內(nèi)包括一塊非線性晶體實現(xiàn)參量放大，所述增強外腔的長度由粘附在一面腔鏡上的一電子線路控制精密控制，通過所述電子反饋回路將所述增強外腔的長度對應(yīng)的重復(fù)頻率鎖定在輸入的種子脈沖的重復(fù)頻率上。該方法有望實現(xiàn)優(yōu)于10-12脈沖對比度的高能激光輸出，能幫助研究人員更清晰的認(rèn)識激光與物質(zhì)相互作用的過程與機理，也將為強場激光物理學(xué)、非線性光學(xué)的研究提供更可靠、更穩(wěn)定的研究工具。
文檔編號H01S3/10GK102368588SQ20111034913
公開日2012年3月7日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者周慧, 曾和平, 李文雪, 楊康文, 沈旭玲, 閆明 申請人:華東師范大學(xué)