溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器的製作方法

2023-05-14 05:01:07 1

本發明屬於雷射技術領域，具體涉及一種對於溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器。

背景技術：

光參量啁啾脈衝放大(Optical parametric chirped-pulse amplification,以下簡稱為OPCPA)是產生超短超強雷射脈衝的一種有效技術。在OPCPA中，超短脈衝首先被展寬成長脈寬的啁啾脈衝，然後在放大器中利用泵浦光對啁啾脈衝進行放大，最後利用壓縮器將其壓回至初始寬度，從而獲得強的超短脈衝。由於其極大的增益帶寬，目前OPCPA已經可以實現拍瓦級峰值功率輸出和數十毫焦耳的周期量級脈衝。然而由於放大器中非線性晶體對雷射能量的吸收，熱效應成為制約高平均功率OPCPA的核心因素。原因在於，放大器中晶體溫度的改變會破壞關鍵的位相匹配條件，從而導致泵浦光向信號光能量轉換效率的降低以及信號光譜的畸變。受制於熱效應，目前OPCPA能夠輸出脈衝的平均功率只有百瓦量級，遠遠低於超快領域所需求的水平。

要實現對於溫度不敏感的OPCPA系統，難點在於缺少對位相匹配條件進行調控的有效技術手段。因此現有的高平均功率OPCPA系統主要針對的是提高放大器的散熱能力。而從根本上實現對於溫度不敏感的OPCPA系統，目前的技術途徑幾乎一片空白。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對傳統OPCPA系統中放大效率隨環境溫度改變而降低等難題，提出一種溫度和波長同時不敏感的光參量啁啾脈衝放大器。本發明為同時實現拍瓦級峰值功率和千瓦級平均功率的超短脈衝提供了一種有效解決方案。

本發明的原理如下：

位相匹配條件是決定非線性過程中能量轉換效率和帶寬的決定性因素。而泵浦光束與信號光束在晶體放大器中的非共線角度則是調控關鍵的位相匹配條件的重要技術手段。不同於傳統啁啾脈衝放大器中將非共線角用來實現對于波長不敏感的特性，本發明創新性地將非共線角用於實現啁啾脈衝放大器對於溫度不敏感的特性。與此同時，將入射的信號種子光予以角色散修飾，以消除信號光與閒頻光之間的群速度失配，從而實現放大器對于波長不敏感的特性。

本發明的技術解決方案如下：

一種溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器，特點在於其構成包括：泵浦光路、信號光路和放大器，所述的放大器是非線性晶體放大器，所述的泵浦光路依次是摻釹釩酸釔再生放大器、摻釹釔鋁石榴石放大器、第一像傳遞系統、倍頻晶體和反射鏡；所述的信號光路依次是鈦寶石再生放大器、脈衝展寬器、第一光柵、第二像傳遞系統、非線性晶體放大器、第二光柵和脈衝壓縮器；所述的摻釹釩酸釔再生放大器和所述的鈦寶石再生放大器由電子位相鎖定環連接並控制同步工作；所述的信號光束經所述的第一光柵輸出具有角色散的啁啾信號脈衝，該啁啾信號脈衝經過第二像傳遞系統射向所述的非線性晶體放大器，所述的泵浦光束經所述的反射鏡射向所述的非線性晶體放大器，通過所述反射鏡的指向調節，使所述的啁啾信號光束與所述的泵浦光束以大於5°的非共線角度入射到所述的非線性晶體放大器，所述的泵浦光束的能量不斷流向所述的啁啾信號脈衝，所述的啁啾信號脈衝經所述的非線性晶體放大器放大後，經所述的第二光柵和脈衝壓縮器輸出壓縮後脈衝。

所述的信號光束修飾的角色散範圍為100μrad/nm至400μrad/nm。

所述的光柵替換為稜鏡或光柵對。

本發明的特點在於：利用非共線角度對位相匹配的調控能力，通過調節泵浦光路中反射鏡的指向，將信號光束與泵浦光束以大於5°的非共線角度入射到放大器，可以實現光參量啁啾脈衝放大器對於溫度不敏感的特性；此外，優化信號光路中的第一光柵的刻線數，使注入的種子信號光攜帶100μrad/nm至400μrad/nm的角色散量，以消除信號光和閒頻光之間的群速度失配，從而實現啁啾脈衝放大器對于波長不敏感的特性。本發明具有光參量啁啾脈衝放大器對於溫度和波長均不敏感的優點，為同時提升超短超強雷射系統的峰值功率和平均功率鋪平了道路。

本發明的技術效果：

由於啁啾脈衝放大器對於溫度和波長均不敏感的特性，本發明具有兩個明顯的優點：

一是溫度帶寬遠大於傳統參量啁啾脈衝放大器，因此能夠支持更高平均功率脈衝輸出；

二是光譜帶寬支持超短脈衝的放大，進而能夠支持高峰值功率脈衝輸出。

本發明兼具溫度帶寬遠大於傳統參量啁啾脈衝放大器(大於6倍)和光譜帶寬支持超短脈衝的優點，是一款理想的、有前景的啁啾脈衝放大器。它突破現有技術的局限，能將超短脈衝放大至更高的峰值功率(拍瓦級)和平均功率(千瓦級)水平。

附圖說明

圖1為本發明示意圖以及效果圖。

圖1(a)為傳統放大器示意圖，泵浦光束和信號光束以小於5°的非共線角度入射到放大器；波長增益帶寬大於100nm,溫度增益帶寬小於5K。

圖1(b)為本發明示意圖，泵浦光束和信號光束以重新設定的非共線角度入射到放大器，並且對信號種子光予以角色散修飾；效果是增益對波長和溫度均不敏感。

圖2為本發明溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器的光路結構示意圖。

圖3為非共線角度對位相匹配的調控能力。

圖3(a)位相失配對頻率的一階導數隨非共線角度的變化曲線。

圖3(b)和(c)分別是傳統放大器中位相失配隨頻率和溫度的變化情況。

圖3(d)位相失配對溫度的一階導數隨非共線角度的變化曲線。

圖3(e)和(f)分別是本發明中，不加角色散時位相失配隨頻率和溫度變化情況。

圖4(a)位相失配對頻率的一階導數隨角色散量的變化曲線。

圖4(b)本發明中優化第一光柵刻線數，對信號光加入300μrad/nm角色散後，位相失配隨頻率變化情況。

圖4(c)和(d)分別是本發明在不同工作溫度和工作波長下所需要的非共線角度以及角色散量。

圖4(e)和(f)分別是本發明中非線性角色散以及其對脈衝的影響。

圖5為泵浦光向信號光能量轉換效率隨晶體長度和溫度變化的理論模擬結果。

圖5(a)和(b)分別是傳統放大器和本發明中不同溫度下的效率增長曲線。

圖5(c)是傳統放大器和本發明中最大轉換效率與溫度偏移量的關係。

圖6是實施例中非共線角度和信號光角色散對於溫度和光譜的影響。

圖6(a)是傳統放大器和本發明中歸一化轉換效率隨溫度偏移量的實驗測量結果。

圖6(b)是本發明中信號光角色散對放大信號光譜影響的實驗測量結果。

圖7是不同溫度下傳統放大器和本發明中信號光譜和壓縮脈衝理論模擬結果。

圖7(a)和7(c)分別是傳統放大器中溫度偏移設定溫度0K和5K時的光譜情況。

圖7(b)和7(d)分別是圖7(a)和7(c)中光譜對應的傅氏變換極限脈衝。

圖7(e)和7(g)分別是本發明中溫度偏移設定溫度0K和5K時的光譜情況。

圖7(f)和7(h)分別是圖7(e)和7(g)中光譜對應的傅氏變換極限脈衝。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步闡述本發明。

圖1是傳統放大器和本發明溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器的示意圖和效果圖。傳統放大器中信號光與泵浦光以一定的非共線角度入射到放大器中，由於非共線角度對位相匹配具有調控能力，放大器具有對于波長不敏感的特性。但是在傳統放大器中，由於缺乏額外的自由度，一旦環境溫度偏離所設定的工作溫度，增益以及轉換效率將迅速下降。與此相反，在本發明中，由於調節了泵浦光路中反射鏡的指向，使泵浦光與信號光之間的非共線角度設定在大於5°的範圍，可以實現放大器對於溫度不敏感的特性。與此同時，優化信號光路中第一光柵的刻線數，信號光被角色散修飾，角色散的範圍為200μrad/nm到400μrad/nm。該角色散可以消除信號光和閒頻光之間的群速度失配，從而可以實現放大器對于波長不敏感的特性。由於在本發明中同時使用了非共線角和角色散兩個調控變量，因此可以用來構建對於溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器。

圖2為本發明溫度和波長不敏感光參量啁啾脈衝放大器一個實施例的光路裝置圖。包括：泵浦光路、信號光路和放大器。所述的放大器是非線性晶體放大器13，所述的泵浦光路依次是摻釹釩酸釔再生放大器1、摻釹釔鋁石榴石放大器2、第一像傳遞系統3、倍頻晶體4和反射鏡5；所述的信號光路依次是鈦寶石再生放大器7、脈衝展寬器8、第一光柵9、第二像傳遞系統11、非線性晶體放大器13、第二光柵14和脈衝壓縮器15；所述的摻釹釩酸釔再生放大器1和所述的鈦寶石再生放大器7由電子位相鎖定環6連接並控制同步工作；所述的信號光束經所述的第一光柵9輸出具有角色散的啁啾信號脈衝10，該啁啾信號脈衝10經過第二像傳遞系統11射向所述的非線性晶體放大器13，所述的泵浦光束12經所述的反射鏡5射向所述的非線性晶體放大器13，所述的泵浦光束12的能量不斷流向所述的啁啾信號脈衝10，所述的啁啾信號脈衝10經所述的非線性晶體放大器13放大後，經所述的第二光柵14和脈衝壓縮器15輸出壓縮後的超短脈衝16。

在本發明實施例中，我們選擇LBO晶體作為非線性晶體放大器13中的晶體。由於三硼酸鋰晶體(即LBO)具有高損傷閾值，較小的空間走離效應以及大口徑等優點。值得注意的是，本發明並不局限於該特定的晶體。例如，另一種常用的晶體三硼酸氧鈣釔(YCOB)也可以作為本發明中的晶體。泵浦光和信號光波長分別為532nm和800nm。圖3說明了非共線角度對於位相匹配的調控能力。圖3(a)為位相失配對頻率的一階導數隨著非共線角度的變化情況。當非共線角度設定為1.18°時，為0，在該角度下放大器具有對于波長不敏感的特性(傳統放大器)。傳統放大器中位相失配隨頻率變化情況如圖3(b)所示。由於為0，位相失配主要由決定，其受頻率的影響很小(|Δk|2πrad/cm)。位相失配對溫度的一階導數隨著非共線角度的變化情況如圖3(d)所示。通過調節泵浦光路中反射鏡的指向，當非共線角度為5.77°時，為0。在該角度下，位相失配由決定，如圖3(f)所示，其受溫度影響很小。這正是本發明中所重新設定的非共線角度值。在該角度下，放大器具有對溫度不敏感的特性。但是由於偏離了實現波長不敏感時所設定的非共線角度，如圖3(e)所示，位相失配受頻率的影響很大。因此在本發明中，為了實現對于波長不敏感的位相匹配，需要引入額外的控制變量—角色散。

圖4說明了為了實現啁啾脈衝放大器對於溫度和波長都不敏感的特性，所需要的非共線角度以及角色散量。圖4(a)所示為當非共線角為5.77°時，隨角色散量的變化情況。當角色散量為185μrad/nm時，為0。如圖4(b)所示，位相失配主要由決定，因此其受頻率的影響很小。值得注意的是，只要非共線角度被設定為大於5°、角色散量被設定為100μrad/nm至400μrad/nm時，本發明在不同的工作溫度和工作波長下均可適用，如圖4(c)和4(d)所示。在參量過程中，非線性角色散可能會被引入。因此在寬帶寬的情況下需要討論非線性角色散對於脈衝特性的影響。在啁啾脈衝放大過程中，位相匹配條件在很大程度上決定了信號放大情況，因此非線性角色散可以通過位相匹配特性予以預測。圖4(e)為本發明中非線性角色散情況。可以看出，非線性角色散主要由二階角色散決定(值約為-0.42μrad/nm2)。為了研究非線性角色散的影響，我們把上述二階角色散加載在帶寬為50nm的超短脈衝上，並且考慮自由傳輸0.5米(壓縮器以及聚焦系統的典型值)後的脈衝特性。如圖4(f)所示，非線性角色散的影響幾乎可以忽略。

利用快速傅立葉變換方法和四階龍格庫塔算法求解非線性耦合波方程組，可以比較傳統放大器和本發明的工作性能。泵浦光與信號光種子的光強比設定為100:1，該比值與實際啁啾脈衝放大器中最後一級的注入比相當。為了簡化問題，突出說明位相失配在三波耦合中的作用，我們並不強調放大器中實際的溫度分布對於放大過程的影響。相反，溫度效應可以通過熱致位相失配予以體現。

圖5為泵浦光向信號光的能量轉換效率隨晶體長度以及溫度的變化情況。如圖5(a)和5(b)所示，在工作溫度時(ΔT＝0K)，傳統放大器和本發明中轉換效率都隨著晶體長度的增加而增加。在設定的15mm LBO晶體中，在輸出端都可以獲得22.4％的轉換效率。但是，一旦環境溫度偏離了初始設定的工作溫度，傳統放大器中的轉換效率迅速降低。當環境溫度偏離設定的工作溫度(323K)2.9K和10K時，轉換效率分別降低到11.2％和2.3％。與此相反，在本發明中，由於放大器具有對於溫度不敏感的特性，當工作溫度偏離10K和17.9K時，輸出效率仍然能達到18.5％和11.2％。圖5(c)說明了不同溫度下傳統放大器和本發明中的輸出效率情況。由圖可見，本發明中，效率隨溫度的下降速度遠遠小於傳統放大器。定量來說，本發明中的溫度帶寬有17.9K，是傳統放大器溫度帶寬(2.9K)的6倍。

為了驗證本發明的實際效果，我們做了原理性驗證實驗。實施例中所使用的晶體為15mm×10mm×25mm的LBO晶體。對應於傳統放大器和本發明，晶體切割角度分別為θ＝90°，和θ＝90°，本發明中所需要的角色散可以通過展寬器中光柵的不平行性予以控制。在所設定的工作溫度(323K)下，傳統放大器和本發明中泵浦向信號的轉換效率分別可以達到12％和11％。如圖6(a)所示，由於較大的傳統放大器中的溫度帶寬僅僅只有3K。而在本發明中，因為所以溫度帶寬可以增大到17Κ。但是如果進一步增大非共線角，因為殘存的溫度帶寬反而減小。圖6(b)說明了當放大器具有溫度不敏感特性時，信號光角色散量對光譜的影響。在最佳的角色散時(300μrad/nm)，可以獲得最大的光譜帶寬。如果角色散偏離最佳設定值(300μrad/nm)，帶寬將減小。

本發明具有支持超短脈衝放大的能力。如圖7所示，雖然在工作溫度下傳統放大器能支持的帶寬要比本發明中的帶寬大，但是實際情況中，一旦環境溫度偏離了工作溫度，傳統放大器中信號光譜將發生明顯畸變。在時間域中，因為轉換效率的降低，脈衝的峰值強度也將減小。相反，本發明由於放大器具有對於溫度不敏感的特性，當環境溫度偏離工作溫度時，光譜形狀基本不變，時間域的脈衝強度和脈衝寬度也幾乎保持不變。與此同時，由於能支持足夠大的光譜帶寬，本發明能夠支持小於20飛秒的超短脈衝放大。