本發(fā)明涉及光參量放大，特別是一種載波包絡(luò)相位(以下簡(jiǎn)稱為cep)穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)和穩(wěn)定方法。cep穩(wěn)定的光源在高次諧波、阿秒物理實(shí)驗(yàn)和太赫茲源等領(lǐng)域具有十分重要的意義。

背景技術(shù)：

隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，激光的脈寬已經(jīng)達(dá)到周期量級(jí)。在周期量級(jí)強(qiáng)激光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用過程中，cep在很大程度上決定瞬時(shí)脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度。在與瞬時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，cep不同將導(dǎo)致不同的物理現(xiàn)象，例如：高次諧波的截止區(qū)能量，少周期紅外光電離輻射的太赫茲波，阿秒物理等。這就對(duì)光源的cep穩(wěn)定性提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

最早在2002年，a.等就提出利用光學(xué)參量放大(以下簡(jiǎn)稱為opa)的基本原理來實(shí)現(xiàn)超短激光脈沖的cep被動(dòng)穩(wěn)定。理論研究表明opa過程中信號(hào)光與泵浦光的cep在放大過程中保持不變，而閑置光的cep則與兩者的差值有關(guān)，當(dāng)信號(hào)光是泵浦光的一部分經(jīng)過自相位調(diào)制展寬得到時(shí)，信號(hào)光與泵浦光的相位差是常數(shù)，與泵浦光的cep是否變化無關(guān)，因此閑置光就是cep被動(dòng)穩(wěn)定的?；趏pa過程產(chǎn)生cep被動(dòng)穩(wěn)定的閑置光已有人在2011年實(shí)現(xiàn)(“generationofcarrier-envelopephasestabilizedintense1.5cyclepulsesat1.75μm”opticsexpress，vol.19issue7，pp.6783-6789)，測(cè)量cep仍有漂移，cpe抖動(dòng)的均方根(rms)為400～600mrad。若想進(jìn)一步減小cep抖動(dòng)量就需要找出該微小抖動(dòng)的來源。iann.ross等人于2002年在文章“analysisandoptimizationofopticalparametricchirpedpulseamplification”journaloftheopticalsocietyofamericab-opticalphysics，vol.19issue12，pp.2945-2956中對(duì)光參量放大過程進(jìn)行理論分析，閑置光的cep不僅包含信號(hào)光和泵浦光的相位差，還包含相位失配相關(guān)的項(xiàng)。相位失配項(xiàng)會(huì)因環(huán)境溫度變化和光束抖動(dòng)而改變。晶體溫度也會(huì)隨著激光作用時(shí)間的增加而緩慢升高，相位失配項(xiàng)的變化誘導(dǎo)cep漂移發(fā)生。而這種因環(huán)境、晶體溫度、氣流和光束指向性抖動(dòng)引起cep漂移是無法通過簡(jiǎn)單的opa過程消除的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)和穩(wěn)定方法。利用調(diào)節(jié)泵浦光的cep來抵消閑置光cep原有的漂移，實(shí)現(xiàn)cep穩(wěn)定的閑置光輸出。本發(fā)明具有抗環(huán)境擾動(dòng)(氣流和溫度的變化，光束方向抖動(dòng))的優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明的方案如下：

一種載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)，包括：飛秒激光器、激光分束片、白光產(chǎn)生器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡和光參量放大器，飛秒激光器經(jīng)激光分束片后分成透射光束和反射光束，所述的透射光束經(jīng)白光產(chǎn)生器產(chǎn)生超連續(xù)譜相干白光作為種子光(后面統(tǒng)稱為信號(hào)光，因?yàn)榉N子光在opa過程充當(dāng)了未放大的信號(hào)光作用)，所述的反射光束為泵浦光，該泵浦光經(jīng)所述的第一平面反射鏡和第二平面反射鏡與所述的信號(hào)光進(jìn)入所述的光參量放大器，其特點(diǎn)在于，在所述的第一平面反射鏡和第二平面反射鏡之間的泵浦光路上設(shè)置熔融石英楔板對(duì)，其中一個(gè)熔融石英楔板放置于電動(dòng)平移臺(tái)上，在所述的光參量放大器的輸出光路上設(shè)置有閑置光分束片，在所述的閑置光分束片的反射光方向設(shè)置cep穩(wěn)定性測(cè)量裝置，該cep穩(wěn)定性測(cè)量裝置的輸出端和計(jì)算機(jī)的輸入端相連，所述的計(jì)算機(jī)的輸出端與所述的電動(dòng)平移臺(tái)的控制端相連。

所述的光參量放大器為單級(jí)或多級(jí)光參量放大器，所述的熔融石英楔板對(duì)插入任一級(jí)光參量放大器的泵浦光路中。

利用上述載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)的穩(wěn)定方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

①所述的光參量放大器輸出的閑置光經(jīng)閑置光分束片分成透射光束和反射光束，所述的cep穩(wěn)定性測(cè)量裝置通過反射光束的測(cè)量所述的閑置光的cep漂移量其中l(wèi)是所述光參量晶體的厚度，δk(t)是opa過程引入的相位失配量；

②所述的計(jì)算機(jī)根據(jù)所述的cep漂移量按下列公式計(jì)算出所述的電動(dòng)平移臺(tái)的位移量：

如圖1所示，電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)導(dǎo)致石英楔板對(duì)插入量增加的方向?yàn)檎?，β是石英楔板楔角，dfus_deph(λp)是泵浦光在熔融石英材料中失相長(zhǎng)度；

③計(jì)算機(jī)向所述的電動(dòng)平移臺(tái)的控制端輸出命令，驅(qū)動(dòng)所述的電動(dòng)平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)dstag(t)，改變泵浦光路中所述的石英楔板對(duì)的插入量；

④重復(fù)上述步驟①②③，實(shí)現(xiàn)opa輸出cep的穩(wěn)定的閑置光。

本發(fā)明的原理如下：

根據(jù)光參量放大過程的理論分析，閑置光的載波包絡(luò)相位可以通過解如下三波相互作用方程得到，

式中，是泵浦光的初始載波包絡(luò)相位，是信號(hào)光的初始載波包絡(luò)相位，δk是opa過程引入的相位失配量，δk＝kp-ks-ki，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使信號(hào)光與泵浦光來自同一光源，相互作用開始兩者的相位差不變(常數(shù))，則閑置光的載波包絡(luò)相位為：

上式前兩項(xiàng)是常數(shù)，只有最后一項(xiàng)會(huì)因?yàn)橄辔皇涠兓?。?shí)際激光光束方向的微小抖動(dòng)都會(huì)引起相位失配項(xiàng)變化，晶體溫度隨著激光作用的時(shí)間增加而升高，也會(huì)導(dǎo)致相位失配δk(t)變化，引起閑置光產(chǎn)生cep的漂移為

提高載波包絡(luò)穩(wěn)定性的原理如圖1所示：首先閑置光cep漂移量已知(可通過cep測(cè)量裝置得到)調(diào)節(jié)石英楔板對(duì)的插入量，使泵浦光的相位增加(石英色散引起相位變化)，調(diào)節(jié)后，使opa的泵浦光的初始相位為：

閑置光的cep為：

從上式看出，經(jīng)過楔板對(duì)調(diào)節(jié)opa輸出的閑置光是與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)cep穩(wěn)定的閑置光輸出。

改變石英楔板對(duì)插入量(dfus)導(dǎo)致的泵浦光cep引入的附加相位

其中dfus_deph是熔融石英的失相長(zhǎng)度(n是熔融石英的折射率)，λp是泵浦光波長(zhǎng)。對(duì)于0.8μm的光dfus_deph(λp)＝28.9μm。楔板垂直于光路放置，電動(dòng)平移臺(tái)沿楔板長(zhǎng)直角邊方向移動(dòng)，則平移臺(tái)移動(dòng)大小和石英楔板插入量的對(duì)應(yīng)關(guān)系是上式中的負(fù)號(hào)是由于

若維持閑置光cep穩(wěn)定，則需滿足帶入上式可得平移臺(tái)需要移動(dòng)的位移

從而實(shí)現(xiàn)激光載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的閑置光輸出。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明中采用石英楔板放置于高精度(1μm)電動(dòng)平移臺(tái)上的方法，可以準(zhǔn)確控制石英楔板對(duì)的插入量，精確地調(diào)節(jié)泵浦光的cep。

2、本發(fā)明中采用實(shí)時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)泵浦光的cep來抵消閑置光的cep漂移，可實(shí)現(xiàn)cep穩(wěn)定的閑置光輸出。

3、本發(fā)明石英楔板對(duì)可用于光參量放大系統(tǒng)中的任一級(jí)，就能產(chǎn)生cep穩(wěn)定光源輸出。

本發(fā)明的光參量放大系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)cep穩(wěn)定的閑置光輸出，并且具有抗環(huán)境擾動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。為高次諧波、阿秒物理實(shí)驗(yàn)和太赫茲源等領(lǐng)域提供載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的光源。

附圖說明

圖1為本發(fā)明載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)一個(gè)具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為具體實(shí)施例輸出的載波包絡(luò)相位測(cè)量數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(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。

先請(qǐng)參閱圖2，圖2為本發(fā)明載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)的具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可見，本發(fā)明實(shí)施例是一套三級(jí)光參量放大(opa)系統(tǒng)，本發(fā)明的特征結(jié)構(gòu)只是在第三級(jí)光參量放大過程(opa3)中應(yīng)用，但并不限制于本實(shí)施例中使用。

其結(jié)構(gòu)包括：飛秒激光器1輸出波長(zhǎng)800nm(40fs)激光，經(jīng)過三個(gè)分束片，依次反射的光作為第三級(jí)泵浦光、第二級(jí)泵浦光、第一級(jí)泵浦光。透射光引入白光產(chǎn)生器3提供信號(hào)光，經(jīng)過第一光參量放大器(opa1)15和第二光參量放大器(opa2)16被放大到60μj。在圖2中第三級(jí)泵浦光路上的第一反射鏡4和第二平面反射鏡7之間設(shè)置熔融石英楔板對(duì)5，其中一個(gè)熔融石英楔板放置于電動(dòng)平移臺(tái)6上，在所述的第三光參量放大器(opa3)8的輸出光路上依次設(shè)置有閑置光分束片9、cep穩(wěn)定性測(cè)量裝置10和計(jì)算機(jī)11，所述的計(jì)算機(jī)11的輸出端與所述的電動(dòng)平移臺(tái)6的控制端相連。

所述的載波包絡(luò)相位穩(wěn)定性高的光參量放大系統(tǒng)的穩(wěn)定方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

①第三光參量放大器8輸出的閑置光經(jīng)分束片9后分成透射光束和反射光束，將所述的反射光束對(duì)入cep穩(wěn)定性測(cè)量裝置10，測(cè)量cep漂移信息；

②計(jì)算機(jī)11根據(jù)cep漂移信息計(jì)算出電動(dòng)平移臺(tái)6移動(dòng)的位移

③計(jì)算機(jī)向所述的電動(dòng)平移臺(tái)6的控制端輸出命令，驅(qū)動(dòng)所述的電動(dòng)平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)dstag(t)，改變泵浦光路中所述的石英楔板對(duì)5的插入量；

④重復(fù)上述步驟①②③，實(shí)現(xiàn)opa輸出cep的穩(wěn)定的閑置光。

將閑置光12對(duì)于cep測(cè)量裝置21測(cè)量十分鐘內(nèi)cpe抖動(dòng)的均方根(rms)為136mrad。圖3是具體實(shí)施例輸出的載波包絡(luò)相位的測(cè)量數(shù)據(jù)。其中圖3(a)是由f-2f測(cè)量的拍頻光譜，圖3(b)是計(jì)算機(jī)分析拍頻光譜得到的cep。該方法可以實(shí)現(xiàn)激光載波包絡(luò)相位的穩(wěn)定，為物理實(shí)驗(yàn)提供更為廣泛的cep穩(wěn)定的光源。

所述的cep穩(wěn)定性測(cè)量裝置10,21，都是依據(jù)f-2f測(cè)量法，將待測(cè)光與其倍頻光譜拍頻后引入到oceanopitcs光譜儀(型號(hào)hr2000+)中。光譜儀測(cè)量的拍頻光譜通過usb端口送入計(jì)算機(jī)11進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

所述的具體實(shí)施例中石英楔板5楔角為β＝2°，其中一個(gè)置于pi電機(jī)平移臺(tái)6(m-605.1dd)上，通過將pi控制卡(型號(hào)c-843)直接插入電腦主機(jī)卡槽，計(jì)算機(jī)11調(diào)用labview驅(qū)動(dòng)程序控制電動(dòng)平移臺(tái)6沿楔板長(zhǎng)直角邊方向移動(dòng)。平移臺(tái)6運(yùn)行速度為40mm/s，移動(dòng)精度為1μm。

最后，應(yīng)當(dāng)指出，以上實(shí)施例僅是本發(fā)明應(yīng)用的具有代表性的例子。顯然，本發(fā)明不限于在opa3中，也不限于少周期脈沖，還可以有許多變形。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、同等變化，均認(rèn)為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。