消色差光學參量啁啾脈沖放大系統技術方案

一種消色差光學參量啁啾脈沖放大系統，其結構是在飛秒脈沖發生源的激光前進方向依次是脈沖展寬器、空間色散元件、第一望遠鏡系統、第一非線性晶體、全反鏡，在該全反鏡的反射光路上依次是第二望遠鏡系統、第二非線性晶體、第三望遠鏡系統、消空間色散元件和脈沖壓縮器，在泵浦激光器的輸出光路上設有分束鏡，該分束鏡的反射光射入第一非線性晶體，該分束鏡的透射光進入第二非線性晶體。本發明專利技術拓展寬帶放大的適用波長范圍：當被放大脈沖的中心波長大于泵浦光波長的２倍時，也能實現寬帶放大；變窄帶放大為寬帶放大，縮小了脈沖寬度，提高了峰值功率，從而在１６００ｎｍ波段能夠支撐窄至１５ｆｓ以下寬度、增益大于１０００的超短超強脈沖放大。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及激光脈沖放大系統，特別是一種消色差光學參量啁啾脈沖放大系統。
技術介紹
超短超強激光科學以超短超強激光的發展，超短超強激光與物質的相互作用以及在交叉學科和相關高
中的前沿基礎研究為研究對象，是重要的科學前沿。其中可以輸出高功率脈沖的小型化超短超強激光系統是超短超強激光科學領域研究的基本設備。這里的“超短超強”是指激光脈沖的時間寬度極窄(一般小于100飛秒，1飛秒即10-15秒，簡稱fs)，峰值功率極高，大于1太瓦，1太瓦即1012W，簡稱TW。超短脈沖的時間寬度受到光譜的制約，光譜越寬，脈沖壓縮可能達到的脈沖寬度就越窄。目前，小型化超短超強激光系統主要有兩種實現方法。其一是采用啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，簡寫為CPA)的激光系統，該技術相對來說比較成熟，但其原理本身有無法克服的缺點，如輸入脈沖信噪比低、放大過程存在嚴重的光譜增益窄化，且缺乏大幅度提高和改善的空間。其二是采用光學參量啁啾脈沖放大(Optical ParametricChirped Pulse Amplification，簡寫為OPCPA)和啁啾脈沖放大(CPA)混合型超短超強激光系統，利用光學參量啁啾脈沖放大(OPCPA)級替代原啁啾脈沖放大系統中的再生放大和前置放大級，可大大改善輸出脈沖的信噪比、避免增益窄化等現象，從而使其在同樣脈沖能量的情況下，可以獲得更短的脈沖寬度，因而峰值功率更高。OPCPA系統的基本原理是激光振蕩器直接產生的強度較弱的超短脈沖，首先被送入展寬器，通過引入啁啾量，脈沖被展寬成數百皮秒(1皮秒等于10-12秒)量級的長脈沖；再以特定的方向入射非線性晶體，獲得從單色泵浦光轉移而來的能量，實現放大；最后利用壓縮器，消除脈沖已有的啁啾量，使長脈沖被壓縮回超短脈沖，最終實現超短超強激光脈沖的輸出。其中在非線性晶體中，當信號光與泵浦光的波矢方向相同時，稱為共線OPCPA，被放大脈沖的中心波長約為泵浦光波長的2倍；當信號光與泵浦光的波矢方向成一定夾角時，稱為非共線OPCPA，被放大脈沖的中心波長小于泵浦光波長的2倍；在現有技術中，美國里弗莫爾實驗室的Igor Jovanovic等人提供了一種典型的小型化非共線OPCPA和CPA混合型超短超強激光系統，見Optics Letters，Vol.27，No.18，1622-1624，2002，UCRL-JC-146224，2001，其光路布置如圖1所示。鈦寶石鎖模振蕩器1輸出中心波長在～820nm(納米)、脈寬為～20fs的鎖模脈沖被展寬器2展寬為脈寬～600ps、能量～0.5nJ的啁啾脈沖，在反射鏡3和反射鏡4的引導下，作為信號光注入OPCPA放大級13。由一臺獨立的調Q倍頻YAG激光器5輸出的脈寬～6.9ns、能量1.5J的532nm脈沖，通過能量衰減器6衰減后作為泵浦光，與信號光一起，以非共線方式同時注入OPCPA放大級13中。OPCPA放大級13由BBO(偏硼酸鋇)晶體7、BBO晶體11、反射鏡8、反射鏡9、反射鏡10和反射鏡12組成，其中BBO晶體7和BBO晶體11都工作在非共線I類位相匹配的方式下。經過OPCPA放大級13的放大，信號光能量增加到～2mJ，而經過OPCPA放大級13后的剩余532nm泵浦光被作為CPA鈦寶石多通放大級16的泵浦光。于是信號光在反射鏡14的引導下，泵浦光在反射鏡15的引導下，注入CPA鈦寶石多通放大級16中。經CPA鈦寶石多通放大級16，信號光被放大到～45mJ。而后，信號光在脈沖壓縮器17的壓縮下，輸出了脈沖寬度～60fs的超短脈沖。與這套OPCPA系統類似的技術可以解決中心波長在1064nm和800nm附近的超短光脈沖的放大問題。但對于1600nm波段的超短光脈沖的放大問題沒有現實可行的方案。原因在于，使用波長較長的泵浦光，如800nm左右的鈦寶石類激光、1064nm左右的Nd離子激光所建立的寬帶OPCPA系統無法提供足夠大的增益；而使用波長較短的泵浦光，如532nm左右的Nd離子倍頻激光，卻無法在1600nm波段實現寬帶放大，被放大脈沖的中心波長小于泵浦光波長的2倍。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種消色差光學參量啁啾脈沖放大系統，以此拓展寬帶放大的適用波長范圍當被放大脈沖的中心波長大于泵浦光波長的2倍時，也能實現寬帶放大；變窄帶放大為寬帶放大，縮小了脈沖寬度，提高了峰值功率，從而在1600nm波段能夠支撐窄至15fs以下寬度、增益大于1000的超短超強脈沖放大。消色差光學參量啁啾脈沖放大系統的特點是在OPCPA系統中，對信號光引入角色散，使信號光脈沖中不同頻率的光成份在非線性晶體內沿各自的相位匹配方向傳輸，可以實現在寬光譜范圍內的相位匹配，完成寬帶光放大。本專利技術的技術方案如下一種消色差光學參量啁啾脈沖放大系統，包括飛秒脈沖發生源、泵浦激光器、脈沖展寬器及脈沖壓縮器，其特征是在飛秒脈沖發生源的激光前進方向依次是脈沖展寬器、空間色散元件、第一望遠鏡系統、第一非線性晶體、全反鏡，在該全反鏡的反射光路上依次是第二望遠鏡系統、第二非線性晶體、第三望遠鏡系統、消空間色散元件和脈沖壓縮器，在泵浦激光器的輸出光路上設有分束鏡，該分束鏡的反射光射入第一非線性晶體，該分束鏡的透射光進入第二非線性晶體。飛秒脈沖發生源產生的超短脈沖列注入脈沖展寬器，被展寬到幾百皮秒量級。之后，在空間色散元件的作用下，信號光被引入了角色散。空間色散元件上的光斑被第一望遠鏡系統以一定的光學放大率成像在第一非線性晶體上；由泵浦激光器發出的短波長泵浦光在反射鏡的引導下，與信號光呈一定角度注入非線性晶體； 經第一非線性晶體放大的信號光，被第三望遠鏡系統和消空間色散元件準直后(正是空間色散元件和第一望遠鏡系統的逆過程)，引入到脈沖壓縮器，經壓縮后輸出超短超強的激光脈沖。所述經第一非線性晶體放大后的信號光，被第三望遠鏡系統和消空間色散元件準直后，經CPA放大后再引入到脈沖壓縮器，經壓縮后輸出超短超強的激光脈沖。所述的消色差光學參量啁啾脈沖放大系統還包括第一分束鏡和第二非線性晶體，所述短波長泵浦光經第一分束鏡分成兩束，分別注入第一非線性晶體及第二非線性晶體，作為放大器的能量來源；經第一非線性晶體放大的信號光被第二望遠鏡系統成等大的像在第二非線性晶體上。信號光經放大后，被第三望遠鏡系統和消色散元件所準直，經脈沖壓縮器壓縮后輸出超短超強的激光脈沖。所述經第二非線性晶體放大后的信號光被第三望遠鏡系統和消色散元件所準直，經CPA放大后再引入到脈沖壓縮器經壓縮后，輸出超短超強的激光脈沖。所述的泵浦激光器是調Q倍頻YAG激光器、半導體激光器或YAG激光器。所述的飛秒脈沖發生源是鈦寶石自鎖模激光器、飛秒脈沖參量發生器、飛秒染料激光器或飛秒Nd:YLF激光器。所述的非線性晶體是LBO晶體、BBO晶體或KDP晶體。所述的空間色散元件是光柵或棱鏡構成的。所述的消空間色散元件是光柵或棱鏡構成的，它的各項參數應與空間色散元件相同，但其放置取共軛位置。所述的望遠鏡系統由透鏡對構成，第一望遠鏡系統和第三望遠鏡系統結構全同，但器件排列順序前后顛倒，所以第一望遠鏡系統和第三望遠鏡系統的光學放大率之積應為1。本專利技術具有本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種消色差光學參量啁啾脈沖放大系統，包括飛秒脈沖發生源（１８）、泵浦激光器（２０）、脈沖展寬器（１９）及脈沖壓縮器（２９），其特征是在飛秒脈沖發生源（１８）的激光前進方向依次是脈沖展寬器（１９）、空間色散元件（２２）、第一望遠鏡系統（２３）、第一非線性晶體（２４）、全反鏡（２９），在該全反鏡（２９）的反射光路上依次是第二望遠鏡系統（２５）、第二非線性晶體（２６）、第三望遠鏡系統（２７）、消空間色散元件（２８）和脈沖壓縮器（３０），在泵浦激光器（２０）的輸出光路上設有分束鏡（２１），該分束鏡（２１）的反射光射入第一非線性晶體（２４），該分束鏡（２１）的透射光進入第二非線性晶體（２６）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王乘，趙保真，冷雨欣，梁曉燕，張正泉，徐至展，
申請(專利權)人：中國科學院上海光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]