專利名稱：一種利用皮秒脈沖泵浦的飛秒光參量放大的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用皮秒脈沖泵浦對無啁啾的飛秒信號光脈沖直接實(shí)現(xiàn)能量放大的光參量放大的方法。
背景技術(shù)：
光參量放大(OPA)自首次實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換以來，一直是激光研究的熱點(diǎn)之一。光參量放大技術(shù)利用非線性光學(xué)效應(yīng)，將強(qiáng)泵浦光束與弱信號光在非線性光學(xué)晶體中耦合，可實(shí)現(xiàn)信號光的放大，同時(shí)產(chǎn)生新的閑置波。飛秒OPA是獲得高增益、窄脈寬、寬調(diào)諧飛秒脈沖的一個(gè)重要方法，它在許多研究領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在迫切需要一種方法，能有效放大10fs甚至只有幾個(gè)光學(xué)周期的光脈沖。目前能實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖放大的光參量技術(shù)主要包括兩類。一類是傳統(tǒng)的飛秒OPA，采用飛秒脈沖泵浦，對飛秒信號光放大。這種方法由于群速度失配(GVM)，導(dǎo)致信號光和泵浦光相互分離，阻礙了能量的耦合過程，從而限制了信號光的能量放大。加之飛秒泵浦脈沖能量有限和晶體的損傷閾值限制，傳統(tǒng)的飛秒OPA的輸出脈沖能量較小，一般在10-100微焦耳量級(G.Cerullo，M.Nisoli，S.Stagira，and S.De Silvestri，“Sub-8-fs pulses from an ultra-broadband optical parametric amplifier in the visible，”O(jiān)pt.Lett.，1998，231283-1285)。第二類是光參量啁啾脈沖放大器(OPCPA)，以高能量的納秒級脈沖作為泵浦脈沖，通過光參量過程對啁啾的信號光脈沖進(jìn)行放大，其中待放大的飛秒信號光脈沖應(yīng)先色散展寬至納秒級啁啾脈沖。此方法采用窄帶長脈沖泵浦光和寬帶啁啾信號光脈沖，雖然能獲得超短超強(qiáng)激光脈沖輸出(S.Witte，R.Th.Zinkstok，A.L.Wolf，W.Hogervorst，W.Ubachs，and K.S.E.Eikema，“A source of 2 terawatt，2.7 cycle laser pulses based onnoncollinear optical parametric chirped pulse amplification，”O(jiān)pt.Expr.，2006，14，8168-8177)，但必須應(yīng)用脈沖展寬器和壓縮器，而且還須采用非共線相位匹配(NCPM)裝置和用于脈沖傾斜的角色散元件，使得OPCPA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加上由于納秒泵浦脈沖普遍存在的時(shí)間尖峰結(jié)構(gòu)會(huì)影響壓縮后輸出信號光脈沖的信噪比(N.Forget，A.Cotel，E.Brambrink，P.Audebert，C.Le Blanc，A.Jullien，O.Albert，and G.Cheriaux，“Pump-noise transfer in opticalparametric chirped-pulse amplification，”2005，Opt.Lett.，30，2921-2923)，使得OPCPA的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有適用于飛秒脈沖放大的兩類光參量放大技術(shù)或者輸出脈沖能量較低，或者輸出脈沖信噪比不理想，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情形，本發(fā)明提供一種簡便易行、可以高效放大飛秒脈沖，并且可以獲得較高能量的飛秒脈沖的方法。
本發(fā)明提出的有效放大飛秒脈沖的方法，是利用皮秒泵浦脈沖來實(shí)現(xiàn)對無啁啾飛秒脈沖的直接光參量放大。它只使用一塊非線性晶體，無需額外的脈沖展寬器和壓縮器，直接實(shí)現(xiàn)對無啁啾飛秒脈沖的超寬帶、高能量光參量放大。
具體來說，利用信號脈沖和泵浦脈沖間由于GVM效應(yīng)產(chǎn)生的滑移，選擇總的GVM時(shí)間長度TGVM等于泵浦脈沖的寬度Tpump，實(shí)現(xiàn)信號光脈沖充分地從泵浦脈沖獲取能量，得到高峰值功率的輸出飛秒信號光脈沖，這里TGVM＝L×GVM，L為晶體長度，GVM為群速度失配。
本發(fā)明中，輸入的泵浦激光脈沖的寬度為皮秒量級，形狀為方形、高斯型、超高斯型、雙曲正割型以及其它函數(shù)類型。
本發(fā)明中，所用放大介質(zhì)為周期性極化的鈮酸鋰晶體、普通體狀鈮酸鋰晶體或其它能提供大GVM的非線性晶體。
本發(fā)明的飛秒OPA利用了GVM效應(yīng)的有利作用，綜合了OPCPA和傳統(tǒng)飛秒OPA各自的優(yōu)點(diǎn)，可獲得與OPCPA方式相仿的高能量，以及與傳統(tǒng)OPA方式類似的結(jié)構(gòu)簡單和高信噪比。其輸出的飛秒信號光脈沖信噪比相比輸入時(shí)提高了約30倍，可保證得到信噪比大于106的輸出飛秒信號光脈沖。
1.理論模型本發(fā)明的飛秒OPA采用I類位相匹配方式，泵浦脈沖的中心頻率(2ω0)設(shè)計(jì)為信號脈沖中心頻率(ω0)的二倍。此時(shí)，參量過程的位相匹配帶寬最大。
飛秒OPA過程可用時(shí)域的非線性耦合波方程來處理。采用慢變包絡(luò)近似并忽略橫向的空間變化，計(jì)及晶體的二階非線性和克爾非線性效應(yīng)時(shí)，信號光脈沖和泵浦光脈沖電場在晶體中演變的方程為[∂∂ξ+sgn(β1(2))iLNL2LDS1∂2∂τ2]E1=iE1*E2eiΔkLNLξ+i2π(n2I0)LNLλ(|E1|2+23|E2|2)E1...(1)]]>[∂∂ξ+LNLLGVM∂∂τ+sgn(β2(2))iLNL2LDS2∂2∂τ2]E2=iE1*E1e-iΔkLNLξ+i4π(n2I0)LNLλ(23|E1|2+|E2|2)E2...(2)]]>其中E1和E2為信號光和泵浦光脈沖電場振幅包絡(luò)，并己對初始入射泵浦光峰值場強(qiáng)E0進(jìn)行歸一化，n2為非線性折射率，位相失配Δk＝k2ω-2kω。方程中用非線性長度LNL=2ncχ(2)E0ω]]>表征泵浦光強(qiáng)，ξ=zLNL]]>為實(shí)際傳輸距離z對LNL的歸一化值。τ=t-z/vg1t0]]>為在信號光脈沖運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)中的歸一化時(shí)間變量。vg1和β1(2)分別為信號光脈沖的群速度和群速度色散，vg2和β2(2)分別為泵浦光脈沖的群速度和群速度色散，LGVM＝t0(1/vg2-1/vg1)-1為信號光和泵浦光之間的群速度失配走離長度，LDSi=t02/|βi(2)|]]>(i＝1，2分別代表信號光和泵浦光)為色散長度。sgn是符號函數(shù)。假設(shè)泵浦脈沖為方形脈沖且脈寬等于總的GVM滑移時(shí)間(Tpump＝TGVM＝L×GVM)。定性地講，采用其它形狀的泵浦脈沖不會(huì)影響本發(fā)明的主要功能和效果。
2.數(shù)值結(jié)果及討論(1)理想情況時(shí)該新穎OPA對10fs脈沖的放大結(jié)果首先研究理想情況的新穎飛秒OPA，它不考慮克爾非線性效應(yīng)和GVD的影響。類似于傳統(tǒng)的OPA，該新穎的OPA可獲得非常高的光參量放大增益(圖1)，其參量增益與泵浦光強(qiáng)有關(guān)。由于在放大過程中信號光和泵浦光脈沖之間的時(shí)間滑移，信號光脈沖可以充分地獲取泵浦光能量，從而獲得高于30％的轉(zhuǎn)換效率(圖1(a))。該新穎的OPA過程基本不受GVM的影響，這與傳統(tǒng)的OPA完全不同(圖1(b))。在泵浦無耗損情形(LNL～Lcry)，信號光脈沖被放大后在時(shí)域和頻域仍保持其入射時(shí)的形狀和寬度。在泵浦耗損情形(LNL＜＜Lcry)，被放大信號光脈沖的寬度與入射時(shí)的脈寬也非常接近，但脈沖形狀略有變化，其脈沖前沿變得陡峭(或后沿，取決于GVM的符號)。在GVD效應(yīng)起作用前，上述規(guī)律和結(jié)果與信號光脈沖的寬度無關(guān)，因此新穎的OPA適用于極短的飛秒脈沖放大。
新穎的飛秒OPA具有突出的特征，即放大的信號光脈沖的峰值功率可以比泵浦脈沖大很多倍(在我們的計(jì)算中對應(yīng)為3000倍)，這對于傳統(tǒng)OPA或OPCPA而言是不可能實(shí)現(xiàn)的。
(2)考慮GVD和克爾非線性效應(yīng)時(shí)該新穎的OPA對10fs脈沖的放大結(jié)果對于足夠短的信號光脈沖和較長的晶體，必須考慮GVD和克爾非線性效應(yīng)對OPA過程的影響。GVD或克爾非線性效應(yīng)將會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，特別在泵浦耗損情形該問題尤為嚴(yán)重(圖2(a))。雖然更強(qiáng)的泵浦光可以在一定程度上補(bǔ)償轉(zhuǎn)換效率的降低，但會(huì)導(dǎo)致放大的信號光脈沖具有多峰的不規(guī)則形狀(圖2(b))。因此，GVD和克爾非線性效應(yīng)將最終限制信號光脈沖的脈寬和轉(zhuǎn)換效率。另外，克爾非線性將顯著地增寬信號光脈沖的光譜，且使得脈沖形狀不規(guī)則(圖2(b)中的點(diǎn)劃虛線)。自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制是光譜加寬的主要原因，這種現(xiàn)象在泵浦脈沖越強(qiáng)時(shí)越明顯(即LNL越短)。圖2(b)中的點(diǎn)劃虛線對應(yīng)著累積的非線性相移ΔΦ＝1.7。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果證實(shí)，當(dāng)色散長度與晶體長度相當(dāng)且非線性相移約ΔΦ為1時(shí)，被放大的信號光脈沖的性質(zhì)與理想情形時(shí)得到的放大信號脈沖的性質(zhì)相近。此結(jié)論可為合理設(shè)置晶體長度和泵浦脈沖強(qiáng)度提供一個(gè)有效的判據(jù)。計(jì)算中均采用10fs的超短信號光脈沖，因此新穎的飛秒OPA是超寬帶的，可以支持極短的10fs脈沖放大。
(3)該新穎的OPA對飛秒信號光脈沖信噪比的改善新穎的飛秒OPA可以顯著改善信號光脈沖的信噪比(圖3)。由于信號光脈沖的主峰放大使得泵浦光被耗盡，隨后的脈沖旁瓣對應(yīng)的光參量增益將會(huì)被減小，從而可期待更高的脈沖信噪比。脈沖信噪比的改善決定于泵浦光的耗盡程度。因?yàn)榇蠖鄶?shù)情形關(guān)心脈沖前沿的信噪比，因此有必要使脈沖的后沿先進(jìn)行光參量放大過程。這可以采用反常色散讓信號光脈沖的速度慢于泵浦脈沖，實(shí)現(xiàn)對后沿的信號光脈沖主峰優(yōu)先放大，而前沿的信號光脈沖噪聲得不到有效放大，最終提高輸出脈沖的信噪比。


圖1忽略材料色散和克爾效應(yīng)的理想情況下(a)光參量增益(星號)和轉(zhuǎn)換效率(方形符號)與非線性長度之間的關(guān)系，(b)輸入、輸出信號光脈沖的波形和光譜(插圖)。點(diǎn)線10fs入射信號光脈沖的波形和光譜；虛線在泵浦無耗損情形下(LNL＝3-mm)放大的信號光脈沖的輸出波形和光譜；實(shí)線在泵浦耗損情形下(LNL＝1.6-mm)放大的信號光脈沖的輸出波形和光譜。數(shù)值計(jì)算中的其它參數(shù)Tpump＝TGVM＝10ps；t0＝10-fs；Lcry＝10-mm；E1(0)/E0＝3×10-5。
圖2(a)在不同條件下轉(zhuǎn)換效率與非線性長度之間的關(guān)系。方形符號色散和克爾效應(yīng)均忽略的理想情形；星號計(jì)入色散量LDS1＝LDS2＝Lcry；點(diǎn)線計(jì)入克爾效應(yīng)n2＝3.5×10-6cm2/GW。(b)輸入、輸出信號光脈沖的波形和光譜(插圖)。點(diǎn)線10fs信號光脈沖入射的波形和光譜；虛線計(jì)入色散量LDS1＝LDS2＝Lcry，LNL＝1.6-mm；實(shí)線計(jì)入克爾效應(yīng)n2＝3.5×10-6cm2/GW，LNL＝1.6-mm；點(diǎn)劃虛線n2＝3.5×10-6cm2/GW，LNL＝1.3-mm。其它參數(shù)同圖1。
圖3在泵浦耗損情形下(LNL＝1.6-mm)輸入與輸出信號光脈沖的比較。虛線伴隨有旁瓣的輸入脈沖；實(shí)線放大后的信號光脈沖。所有參數(shù)與圖1相同，但GVM的符號相反。
圖4皮秒脈沖泵浦的飛秒OPA的原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖以模擬計(jì)算的實(shí)例進(jìn)一步來描述本發(fā)明。
如圖4所示，該新穎的飛秒OPA采用I類位相匹配方式。簡單起見，采用的泵浦脈沖為方形脈沖(其它形狀的泵浦脈沖不會(huì)從性質(zhì)上影響本發(fā)明的主要功能和效果)。由商品化的Nd:YLF泵浦激光源經(jīng)倍頻過程輸出寬為50ps的窄帶泵浦脈沖，中心波長為527nm。信號光是中心波長為1054nm、脈寬為10fs的飛秒脈沖，它可由商品化的鎖模飛秒激光器產(chǎn)生。非線性晶體采用5cm長的周期性極化的鈮酸鋰晶體，對應(yīng)1054nm(信號光)和527nm(泵浦光)之間總的GVM時(shí)間為～50ps，從而保證新穎飛秒OPA的設(shè)計(jì)要求(Tpump＝TGVM)。由于轉(zhuǎn)換效率約30％(圖2(a))，采用3mJ的脈沖能量泵浦時(shí)，即可獲得約1mJ的10fs脈沖，其放大倍率約為104。為了得到更大的輸出飛秒脈沖能量，也可采用體材料的鈮酸鋰晶體，但是由于其GVM值較小，所以泵浦脈沖寬度必須較短(1-5ps)。信號光脈沖的信噪比也得到了顯著改善，從典型的飛秒振蕩器輸出的飛秒信號光脈沖信噪比通常約為5×104，經(jīng)此方法后不僅可獲得高能量的飛秒脈沖輸出，而且可保證得到信噪比大于106的輸出飛秒脈沖，輸出的飛秒信號光脈沖信噪比相比輸入時(shí)提高了約30倍(圖3)。放大后的10fs信號光脈沖的峰值功率可以比泵浦脈沖大約3000倍，從而可在一級新穎的飛秒OPA中實(shí)現(xiàn)超寬帶、高能量光參量放大。
權(quán)利要求
1.一種利用皮秒泵浦脈沖對無啁啾的飛秒脈沖進(jìn)行光參量放大的方法，其特征在于用一塊非線性晶體作為放大介質(zhì)，無需額外的脈沖展寬器和壓縮器，直接實(shí)現(xiàn)對無啁啾飛秒脈沖的超寬帶、高能量光參量放大；利用信號脈沖和泵浦脈沖間由于GVM效應(yīng)產(chǎn)生的滑移，選擇總的GVM時(shí)間長度TGVM等于泵浦脈沖的寬度Tpump，實(shí)現(xiàn)信號光脈沖充分地從泵浦脈沖獲取能量，得到高峰值功率的輸出飛秒信號光脈沖，這里TGVM＝L×GVM，L為晶體長度，GVM為群速度失配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于輸入的泵浦激光脈沖的寬度為皮秒量級，形狀為方形、高斯型、超高斯型、雙曲正割型以及其它函數(shù)類型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所用放大介質(zhì)為周期性極化的鈮酸鋰晶體、普通體狀鈮酸鋰晶體或其它能提供大GVM的非線性晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的飛秒光參量放大采用I類位相匹配方式，泵浦脈沖的中心頻率設(shè)計(jì)為信號脈沖中心頻率的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用反常色散讓信號光脈沖的速度慢于泵浦脈沖速度，實(shí)現(xiàn)對后沿的信號光脈沖主峰優(yōu)先放大，而前沿的信號光脈沖噪聲得不到放大，以提高輸出脈沖的信噪比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于被放大的無啁啾飛秒信號光脈沖脈寬為10fs或10f以下。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用皮秒泵浦脈沖對無啁啾飛秒信號脈沖實(shí)現(xiàn)直接光參量放大(OPA)的方法。由于晶體色散的原因，信號光和泵浦光在OPA晶體內(nèi)的群速度不同(被稱為群速度失配GVM)，它使得較窄的飛秒信號光脈沖在較長的皮秒泵浦光脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)相對滑移。本發(fā)明利用這種群速度失配引起的脈沖滑移來實(shí)現(xiàn)整個(gè)泵浦脈沖均對飛秒脈沖的放大有貢獻(xiàn)，因此僅用一級OPA放大器，便可提供足夠高的增益。本方法結(jié)構(gòu)簡單、放大倍率高，且具有足夠?qū)挼脑鲆孀V可支持極短的十飛秒(10fs)脈沖放大。
文檔編號G02F1/35GK1949072SQ20061011810
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者錢列加, 楊華, 袁鵬, 羅航, 朱鶴元 申請人:復(fù)旦大學(xué)