專利名稱：光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光器，特別是一種光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其目的是要產(chǎn)生高信噪比的超強超短激光脈沖。
背景技術：
近十年來，啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，簡寫為CPA)技術已被廣泛應用到建造多太瓦(即1012W，簡寫為TW)級激光系統(tǒng)。但CPA超強超短激光系統(tǒng)仍存在一些難以克服的缺點激光系統(tǒng)的輸出脈沖信噪比低，并存在預脈沖放大；放大過程存在嚴重的光譜增益窄化效應；另外放大介質中的熱效應使得激光系統(tǒng)的光束質量劣化等。
近年來發(fā)展了基于啁啾脈沖放大(CPA)與光學參量放大(OpticalParametric Amplification，簡寫為OPA)相結合的光學參量啁啾脈沖放大(OPCPA)的全新原理。它是先將飛秒超短激光脈沖信號光展寬成納秒級啁啾脈沖，由納秒級強激光脈沖泵浦的OPA系統(tǒng)放大，最后在輸出端利用光柵對進行壓縮，獲得飛秒超短超強激光輸出。利用LBO或BBO、KDP、DKDP等非線性晶體作為光學參量放大級的OPCPA激光裝置比用傳統(tǒng)激光放大介質(如釹玻璃)的CPA激光裝置具有更多的優(yōu)越性，如高輸出信噪比；很低的預脈沖水平；可以消除光譜增益窄化效應，能提供比釹玻璃系統(tǒng)寬得多的增益帶寬(約200納米級)以支持超短(小于10飛秒級)飛秒激光脈沖放大；系統(tǒng)的B積分可以做得很小，因此激光系統(tǒng)可以得到極高的輸出光束質量等等。目前，英國盧瑟福實驗室已報道用OPCPA方案獲得的峰值功率接近1TW/300飛秒的實驗結果(Applied Optics 2000 39(15)2422-2427)。該實驗室的OPCPA激光系統(tǒng)如圖1所示，圖中01-飛秒激光振蕩器，02-脈沖展寬器，03-OPA激光放大器，04-泵浦源，05-脈沖壓縮器。
該激光系統(tǒng)的工作原理是飛秒激光振蕩器01產(chǎn)生的飛秒鎖模脈沖，經(jīng)過脈沖展寬器02展寬到納秒量級，注入到OPA激光放大器03中，作為OPA放大的信號光脈沖，一臺分立的激光泵浦源04產(chǎn)生的激光脈沖則作為OPA放大的泵浦光同時注入到03中，經(jīng)過OPA激光放大器03放大后，信號光脈沖再通過脈沖壓縮器05進行脈沖壓縮，最后獲得短脈沖強激光輸出。該激光系統(tǒng)在OPA放大過程中，泵浦源和信號源分別是兩個獨立的激光系統(tǒng)，信號光與泵浦光的時間同步是通過電子學技術解決的，而信號光脈沖與泵浦光脈沖之間的時間同步(TimingSynchronization)和時間抖動(Timing Jitter)最好結果在100皮秒左右。由于在OPCPA放大過程中，信號光只在泵浦光脈沖寬度這一時間窗口內(nèi)能獲得增益放大，而高效OPCPA放大系統(tǒng)中，信號光與泵浦光的脈沖寬度都為1納秒左右，因此信號光與泵浦光之間的時間同步誤差以及時間抖動不僅會導致信號光增益的起伏，而且會導致光譜形狀的畸變。理論計算和實驗研究表明，當時間抖動為100皮秒時，會引起放大信號的明顯的增益起伏和光譜畸變。另外，該激光系統(tǒng)的泵浦光每工作一次需近20分鐘，使得OPA放大系統(tǒng)中信號光與泵浦光的對準只能采用外加倍頻Nd:YAG光源，導致OPA放大器中的信號光與泵浦光的對準及時間同步的調節(jié)極為復雜而且準確性和可靠性降低。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型針對目前上述OPCPA系統(tǒng)在OPA放大器中信號光與泵浦光的精確時間同步、時間抖動以及光路精確對準方面存在的關鍵技術問題，提出一種光學參量啁啾脈沖放大(OPCPA)激光系統(tǒng)，其信號光和泵浦光可達到精確的時間同步；同時泵浦光以重復頻率(1-10Hz)運行，從而使OPA放大系統(tǒng)的第一級運轉在1-10Hz狀態(tài)，直接能進行各級OPA放大器中信號光與泵浦光的對準和同步調節(jié)，以提高準確性和可靠性。
本實用新型的技術解決方案如下
一種光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，包括飛秒激光振蕩器、光柵對脈沖展寬器、光柵對脈沖壓縮器，其特征在于還有分束器、第一級OPA放大器、后級OPA放大器、泵浦源系統(tǒng)前級放大器、第一倍頻晶體、分光板、泵浦源系統(tǒng)主放大鏈、第二倍頻晶體和反射器，上述各元部件的相對位置關系如下該飛秒激光振蕩器產(chǎn)生的飛秒鎖模脈沖列經(jīng)分束器分成兩束光，其中一束光注入到光柵對脈沖展寬器，展寬成納秒量級，再注入到OPCPA放大系統(tǒng)的第一級OPA放大器，作為OPA信號光，經(jīng)放大后再注入到后級OPA放大器作為放大信號光，從分束器分出的另一束光注入到泵浦源系統(tǒng)的前級放大器放大后通過第一倍頻晶體獲得倍頻光輸出，分光板將該部分倍頻光注入到第一級OPA放大器，作為OPA泵浦光；從分光板透過的剩余的基頻光脈沖再注入到OPA泵浦源系統(tǒng)的主放大鏈，放大后通過第二倍頻晶體獲得倍頻光輸出，經(jīng)反射器注入到后級OPA放大器，作該OPA放大的泵浦光，經(jīng)后級OPA放大器放大后的信號光再引入到光柵對脈沖壓縮器經(jīng)壓縮后輸出超強超短的激光脈沖。
所述的飛秒激光振蕩器是鈦寶石飛秒激光振蕩器，或Yb:YAG飛秒激光振蕩器。
所述的OPA放大器是由LBO、或BBO、KDP、DKDP晶體制成的。
所述的第一倍頻晶體和第二倍頻晶體為DKDP、或LBO、或KDP晶體。
所述的分光板為二色性分光板，所述的反射器為二色性反射器。
本實用新型的技術效果在于在本實用新型的OPCPA放大激光系統(tǒng)中，信號光和泵浦光都來自同一激光振蕩器，因此可以實現(xiàn)精確的時間同步。
泵浦光以重復頻率(1-10Hz)運行，從而使OPA放大系統(tǒng)的第一級運轉在1-10Hz狀態(tài)，直接能進行各級OPA放大器中信號光與泵浦光的對準和同步調節(jié)；無需外加對準光源，而且對準和同步調節(jié)更簡捷、方便和準確。
圖1是已有的OPCPA放大激光系統(tǒng)框圖。
圖2是本實用新型OPCPA放大激光系統(tǒng)具體實施例框圖。
圖2中1-飛秒激光振蕩器 2-分束器3-光柵對脈沖展寬器4-第一級OPA放大器5-后級OPA放大器 6-泵浦源系統(tǒng)的前級放大器7-第一倍頻晶體8-二色性分光板9-泵浦源系統(tǒng)主放大鏈 10-第二倍頻晶體11-二色性反射器 12-光柵對脈沖壓縮器具體實施方式
先請參閱圖2，圖2是本實用新型光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)具體實施例框圖，由圖可見，本實用新型光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)由飛秒激光振蕩器1、分束器2、光柵對脈沖展寬器3、第一級OPA放大器4、后級OPA放大器5、泵浦源系統(tǒng)的前級放大器6、倍頻晶體7、二色性分光板8、泵浦源系統(tǒng)的主放大鏈9、倍頻晶體10、二色性反射器11、光柵對脈沖壓縮器12構成，該OPCPA激光系統(tǒng)的工作過程如下鈦寶石飛秒激光振蕩器1產(chǎn)生一列約100飛秒的1064納米鎖模脈沖列經(jīng)分束器2分成兩束光，其中一束光注入到光柵對脈沖展寬器3，展寬到300納秒量級，再送到OPCPA放大系統(tǒng)的第一級OPA放大器(一塊LBO晶體)4，作為OPA放大器系統(tǒng)的種子信號光。從分束器2分出的另一束光注入到以1Hz重復頻率運行的泵浦源系統(tǒng)的前級放大器6。在前級放大器6中經(jīng)脈沖整形、光譜整形和放大后獲得約800納秒脈寬、光譜寬度小于1納米的1064納米激光脈沖，通過DKDP倍頻晶體7獲得倍頻光輸出。由二色性分光板8將該部分倍頻光反射到OPCPA激光系統(tǒng)的第一級OPA放大器4，作為OPA的泵浦光。而從分光板8透過的剩余1064納米基頻光脈沖再注入到OPA泵浦源系統(tǒng)的釹玻璃主放大鏈9，放大后通過第二倍頻晶體KDP晶體10獲得倍頻光輸出，經(jīng)二色性反射器11反射到后級OPA放大器(兩塊LBO晶體)5，作為該OPA放大級的泵浦光。被后級OPA放大器5放大后的信號光被引入到光柵對脈沖壓縮器12。當泵浦光的能量為10J時，在壓縮器后得到了峰值功率高于10TW，脈沖寬度為120飛秒的激光脈沖。
本實用新型OPCPA激光系統(tǒng)實施例，經(jīng)測試表明放大過程的信號光與泵浦光之間的時間同步和時間抖動小于10皮秒，另外，OPCPA激光系統(tǒng)的前級OPA已采用1Hz的泵浦方式，各級OPA放大級可以直接對準，無需外加對準光源，對準和同步調節(jié)簡捷、方便、準確。
權利要求1.一種光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，包括飛秒激光振蕩器(1)、光柵對脈沖展寬器(3)、光柵對脈沖壓縮器(12)，其特征在于還有分束器(2)、第一級OPA放大器(4)、后級OPA放大器(5)、泵浦源系統(tǒng)前級放大器(6)、第一倍頻晶體(7)、分光板(8)、泵浦源系統(tǒng)主放大鏈(9)、第二倍頻晶體(10)和反射器(11)，上述各元部件的相對位置關系如下該飛秒激光振蕩器(1)產(chǎn)生的飛秒鎖模脈沖列經(jīng)分束器(2)分成兩束光，其中一束光注入到光柵對脈沖展寬器(3)，展寬成納秒量級，再注入到OPCPA放大系統(tǒng)的第一級OPA放大器(4)，作為OPA信號光，經(jīng)放大后再注入到后級OPA放大器(5)作為放大信號光，從分束器(2)分出的另一束光注入到OPA泵浦源系統(tǒng)的前級放大器(6)，放大后通過第一倍頻晶體(7)獲得倍頻光輸出，分光板(8)將該部分倍頻光注入到第一級OPA放大器(4)，作為OPA泵浦光；從分光板(8)透過的剩余的基頻光脈沖再注入到OPA泵浦源系統(tǒng)的主放大鏈(9)，放大后通過第二倍頻晶體(10)獲得倍頻光輸出，經(jīng)反射器(11)注入到后級OPA放大器(5)，作該OPA放大的泵浦光，經(jīng)后級OPA放大器(5)放大后的信號光再引入到光柵對脈沖壓縮器(12)經(jīng)壓縮后輸出超強超短的激光脈沖。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學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振蕩器是鈦寶石飛秒激光振蕩器，Yb:YAG飛秒激光振蕩器。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于所述的OPA放大器是由LBO、或BBO、或KDP、或DKDP晶體制成的。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于所述的第一倍頻晶體(7)和第二倍頻晶體為DKDP晶體、或KDP晶體。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于所述的分光板(8)為二色性分光板，所述的反射器(11)為二色性反射器。
專利摘要一種光學參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由飛秒激光振蕩器、光柵對脈沖展寬器、光柵對脈沖壓縮器、分束器、第一級OPA放大器、后級OPA放大器、泵浦源系統(tǒng)前級放大器、第一倍頻晶體、二色性分光板、泵浦源系統(tǒng)主放大鏈、第二倍頻晶體和二色性反射器構成，本實用新型的特點是信號光和泵浦光源自同一激光振蕩器，信號光脈沖與泵浦光脈沖可以實現(xiàn)精確的時間同步，并降低了時間抖動，而且無需外加對準光源，即可對各光學參量放大級的信號光與泵浦光進行對準和同步調節(jié)，而且調整簡捷、方便和準確。
文檔編號H01S3/00GK2612114SQ0322882
公開日2004年4月14日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權日2003年2月14日
發(fā)明者徐至展, 楊曉東, 林禮煌, 陸海鶴, 冷雨欣, 張正泉, 李儒新, 張文琦 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所