一种高能量少周期光参量放大方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于超快激光技术领域，公开了一种高能量少周期光参量放大方法及装置，方法包括：分别向初始的飞秒泵浦光和飞秒种子光引入相反方向的线性啁啾，将两个脉冲的宽度从飞秒量级扩展至皮秒量级，选用BBO晶体进行放大以提升系统所能承受的脉冲能量。在第一块BBO晶体内啁啾泵浦光与啁啾种子光同步共线入射并进行光参量放大，随后采用带阻滤波片将啁啾信号光滤除，保留啁啾泵浦光与啁啾闲频光，两者同步共线入射至第二块BBO晶体内进行光参量放大，得到放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光，如此反复；显著提升了闲频光的能量转换效率；由于啁啾泵浦光与啁啾种子光含有相反的啁啾，差频所得的啁啾闲频光覆盖较宽的频谱范围，经过压缩可以得到少周期的脉宽。

A High Energy and Low Period Optical Parametric Amplification Method and Device

【技术实现步骤摘要】
一种高能量少周期光参量放大方法及装置
本专利技术涉及超快激光
，具体涉及一种高能量少周期光参量放大方法及装置。
技术介绍
近年来，高能量、少周期飞秒激光脉冲的产生受到了激光科学与
的广泛研究，尤其是强场激光物理领域，对于飞秒激光脉冲的能量、脉宽、中心波长、峰值功率等各方面的参数提出了不同的需求。尽管目前商业化的钛宝石激光器已经可以在近红外波段产生超短、超强的脉冲，但脉冲的中心波长被限制在800纳米，几乎不具有可调谐性。为了将其中心波长拓展至更长的中红外波段(＞2微米)，光参量放大(OpticalParametricAmplification，OPA)成为了最好的替代方案之一。OPA具有增益带宽大、波长可调谐、没有热效应积累等优点，适合用于产生紫外至中红外波段的超短激光脉冲，这为超快激光与强场物理领域的发展开辟了新的方向。在光参量放大中，高频率的泵浦光与低频率的种子光在非线性晶体中发生差频，产生第三种频率的闲频光，同时种子光得到放大产生信号光。当泵浦光的强度大于信号光和闲频光时，能量由泵浦光向信号光和闲频光转移，将两者放大；当信号光和闲频光被放大到一定程度以至于强度超过泵浦光(增益饱和)时，能量则会回流，导致两者衰减，而泵浦光则被放大，即发生了能量逆转换过程。在常见的光参量放大系统中，为了避免能量逆转换，通常选取合适的非线性晶体厚度，使得信号光和闲频光不被放大至饱和状态，这因此限制了系统的能量转换效率。另一方面，对于光参量放大系统，往往可以通过引入啁啾脉冲放大(ChirpedPulseAmplification，CPA)来实现更高能量的输出。使用长脉冲(皮秒或纳秒级脉宽)的高能量泵浦光，同时种子光被引入啁啾展宽到与泵浦光相近的脉宽，如此可以降低入射脉冲的峰值强度，使得系统可以承受更高的泵浦能量。但值得注意的是，光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中往往会由于相位匹配带宽的限制发生增益窄化效应，降低信号光和闲频光的增益带宽，因此必须在增益带宽和效率之间寻求一个平衡。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种高能量少周期光参量放大方法及装置，其目的在于同时优化OPA系统的增益带宽及转换效率，获取高能量的少周期闲频光脉冲输出。本专利技术提供了一种高能量少周期光参量放大方法，包括以下步骤：(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，所述飞秒泵浦光被引入负线性啁啾得到啁啾泵浦光，所述飞秒种子光经过展宽后获得宽带种子光，所述宽带种子光被引入正线性啁啾得到啁啾种子光；(2)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光同步共线入射至第一级BBO晶体内进行第一级光参量放大，获得放大的啁啾信号光、放大的啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；(3)滤除啁啾信号光波段的成分后将保留的啁啾泵浦光和啁啾闲频光共同输入至下一级BBO晶体进行下一级光参量放大，并获得进一步放大的啁啾信号光、进一步放大的啁啾闲频光和进一步衰减的啁啾泵浦光；(4)重复步骤(3)依次在第三级BBO晶体、……、第N级BBO晶体内进行光参量放大后获得第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；(5)经过N级放大后滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，获得纯净的啁啾闲频光，并通过补偿所述啁啾闲频光的线性啁啾压缩脉冲获得高能量少周期的飞秒闲频光。在本专利技术实施例中，步骤(1)中的飞秒泵浦光引入负啁啾，飞秒种子光引入正啁啾，两者相反的啁啾方向可以产生带宽最优化的啁啾闲频光，从而支持获取少周期的闲频光脉宽。光参量放大系统一般可选择I类相位匹配和II类相位匹配两种方案，如果种子光(信号光)和闲频光的偏振相同，则为I类相位匹配；如果种子光(信号光)和闲频光的偏振不同，则为II类相位匹配。作为本专利技术的一个实施例，在第一级BBO晶体、第二级BBO晶体、第三级BBO晶体、……、第N级BBO晶体内均以II类相位匹配方式进行光参量放大。更进一步地，在步骤(3)中，可以选取波段合适的带阻滤波片滤除啁啾信号光波段的成分。每两块BBO晶体之间采用带阻滤波片滤除啁啾信号光，同时尽可能使得啁啾泵浦光与啁啾闲频光通过，从而抑制能量的逆转换过程，获取最大的能量转换效率。更进一步地，在步骤(5)中，可以利用长波通滤波片滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光。更进一步地，N级BBO晶体的厚度均需满足：保证在每一块BBO晶体内发生的放大正好使得啁啾闲频光的能量达到饱和。本专利技术还提供了一种高能量少周期光参量放大装置，包括：飞秒泵浦激光源、飞秒种子激光源、泵浦光展宽器、超连续白光产生器、种子光展宽器、二向色镜、N级放大单元、长波通滤光片和啁啾闲频光压缩器；飞秒泵浦激光源用于产生飞秒泵浦光；泵浦光展宽器用于对飞秒泵浦光进行展宽处理并输出含有负啁啾的啁啾泵浦光；飞秒种子激光源用于产生飞秒种子光；超连续白光产生器用于对所述飞秒种子光进行展宽后输出宽带种子光；种子光展宽器用于根据所述宽带种子光输出啁啾种子光；所述二向色镜用于将啁啾泵浦光与所述啁啾种子光合并后输出；N级放大单元用于对所述二向色镜的输出进行N级光参量放大，并输出第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；所述长波通滤波片用于对所述N级放大单元的输出进行滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光后获得N级放大后的啁啾闲频光；啁啾闲频光压缩器用于对啁啾闲频光进行线性啁啾补偿，并输出高能量少周期的飞秒闲频光。本专利技术中，通过飞秒泵浦光引入负线性啁啾，飞秒种子光引入正线性啁啾，啁啾泵浦光与啁啾种子光包含相反方向的啁啾，从而可以产生最大带宽的啁啾闲频光，支持获取少周期的闲频光脉冲。更进一步地，N级放大单元包括：N个依次等间距排列的BBO晶体，以及N-1个带阻滤波片；每相邻两个BBO晶体之间设置一个带阻滤波片；BBO晶体用于以II类相位匹配方式进行光参量放大；带阻滤波片用于滤除啁啾信号光波段的成分。作为本专利技术进一步优选地，当N为5时，第一BBO晶体、第二BBO晶体、第三BBO晶体、第四BBO晶体和第五BBO晶体的厚度均需要满足如下条件：在每一块BBO晶体内的放大正好使得闲频光的能量达到饱和；且在每两块BBO晶体之间设置一个带阻滤波片滤除啁啾信号光，保留啁啾泵浦光与啁啾闲频光，抑制后续晶体内的能量逆转换过程，提升闲频光的能量转换效率。更进一步地，N个BBO晶体的厚度均满足：在每一块BBO晶体内的放大正好使得闲频光的能量达到饱和。更进一步地，高能量少周期光参量放大装置还包括：延时线，用于调整所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光之间的延时，使其在时域上保持同步，同步入射至第一级BBO晶体内进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光。本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下技术优点：(1)在级联的N块BBO晶体之间插入带阻滤波片进行滤波，滤除放大所得的啁啾信号光，避免后续晶体中发生能量的逆转换，从而使得闲频光脉冲被持续放大，实现极高的能量转换效率。(2)初始的泵浦光与种子光分别被引入负啁啾和正啁啾，两者的瞬时频率随着时间呈现相反的变化趋势，因此差频产生的闲频光瞬时频率随着时间变化最快，对应最大的增益带宽，支持少周期的输出脉宽。附图说明图1为本专利技术实施例提供的高能量少周期光参量放大装置的结构示意图。图2为闲频光的能量转换效率随着非线性晶体有效厚度的变化情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，所述飞秒泵浦光被引入负线性啁啾得到啁啾泵浦光，所述飞秒种子光经过展宽后获得宽带种子光，所述宽带种子光被引入正线性啁啾得到啁啾种子光；(2)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光同步共线入射至第一级BBO晶体内进行第一级光参量放大，获得放大的啁啾信号光、放大的啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；(3)滤除啁啾信号光波段的成分后将保留的啁啾泵浦光和啁啾闲频光共同输入至下一级BBO晶体进行下一级光参量放大，并获得进一步放大的啁啾信号光、进一步放大的啁啾闲频光和进一步衰减的啁啾泵浦光；(4)重复步骤(3)依次在第三级BBO晶体、......、第N级BBO晶体内进行光参量放大后获得第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；(5)经过N级放大后滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，获得纯净的啁啾闲频光，并通过补偿所述啁啾闲频光的线性啁啾压缩脉冲获得高能量少周期的飞秒闲频光。

【技术特征摘要】
1.一种高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)产生飞秒泵浦光和飞秒种子光，所述飞秒泵浦光被引入负线性啁啾得到啁啾泵浦光，所述飞秒种子光经过展宽后获得宽带种子光，所述宽带种子光被引入正线性啁啾得到啁啾种子光；(2)将所述啁啾泵浦光和所述啁啾种子光同步共线入射至第一级BBO晶体内进行第一级光参量放大，获得放大的啁啾信号光、放大的啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；(3)滤除啁啾信号光波段的成分后将保留的啁啾泵浦光和啁啾闲频光共同输入至下一级BBO晶体进行下一级光参量放大，并获得进一步放大的啁啾信号光、进一步放大的啁啾闲频光和进一步衰减的啁啾泵浦光；(4)重复步骤(3)依次在第三级BBO晶体、......、第N级BBO晶体内进行光参量放大后获得第N级放大的啁啾信号光、第N级放大的啁啾闲频光和第N级衰减的啁啾泵浦光；(5)经过N级放大后滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光，获得纯净的啁啾闲频光，并通过补偿所述啁啾闲频光的线性啁啾压缩脉冲获得高能量少周期的飞秒闲频光。2.如权利要求1所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，在第一级BBO晶体、第二级BBO晶体、第三级BBO晶体、......、第N级BBO晶体内均以II类相位匹配方式进行光参量放大。3.如权利要求1或2所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，在步骤(3)中，选取带阻滤波片滤除啁啾信号光波段的成分。4.如权利要求1-3任一项所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，在步骤(5)中，利用长波通滤波片滤除啁啾泵浦光和啁啾信号光。5.如权利要求1-4任一项所述的高能量少周期光参量放大方法，其特征在于，N级BBO晶体的厚度均需满足：保证在每一块BBO晶体内发生的放大正好使得啁啾闲频光的能量达到饱和。6.一种高能量少周期光参量放大装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆斌，王双，冉成，李丹，曹伟，陆培祥，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42