CN102522688A - 高对比度飞秒激光产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高对比度飞秒激光产生装置，包括：第一光学平移台和第一光学参量晶体；所述第一光学平移台适于控制所述第一信号光和第一泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；所述第一光学参量晶体适于接收时间上同步的第一信号光和第一泵浦光，进行光学参量放大，输出第一放大信号光。所述高对比度飞秒激光产生装置还包括：第二光学平移台和第二光学参量晶体；所述第二光学平移台适于控制所述第一放大信号光和第二泵浦光的光程差，使两者在时间上精确同步；所述第二光学参量晶体适于接收时间上同步的第一放大信号光和第二泵浦光，进行光学参量放大，输出第二放大信号光。本发明可以提高飞秒激光的对比度、光学参量放大的效率以及增加光学参量放大过程中的参量带宽。

Description

高对比度飞秒激光产生装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高对比度飞秒激光产生装置。

背景技术

近二十年来，超短超强激光在基础科学、国家安全及工业加工等多个领域都得到了广泛的应用。

产生高质量的超短超强激光脉冲已成为各国科学家竞相追逐的目标，啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)是产生超短超强激光脉冲的一种常用的有效手段。但是在啁啾脉冲放大过程中，由于选单元件消光比的限制以及放大过程中的自发辐射效应(Amplified Spontaneous Emission，ASE)等因素，不可避免的存在着背景噪声，导致激光脉冲对比度的下降。一般的CPA激光***中，如果没有采取任何其他改善对比度的技术，则最后输出激光的对比度只有10⁵-10⁶左右。目前在超短超强激光与物质相互作用的物理实验中，所使用的激光聚焦后的峰值功率密度一般都高于10¹⁷W/cm²，则脉冲前沿的强度超过10¹¹W/cm²，这样的强度使得主激光与物质相互作用之前，ASE或预脉冲就开始产生预等离子体。预等离子体的存在改变了激光与物质相互作用的初始状态，影响了相互作用过程。在激光与固体靶相互作用离子产生的实验中，预脉冲的存在会改变离子的能谱结构和出射空间分布。在激光与团簇相互作用的X射线产生实验中，预脉冲会导致X射线产额的急剧降低，较差的对比度也会使激光尾波场加速电子束的指向及质量变差。

现有技术中，提高激光脉冲的对比度的技术包括使用饱和吸收体、等离子体镜、双啁啾脉冲放大、交叉偏振滤波技术、光学参量放大技术等等。光学参量放大技术(Optical Parametric Amplification，OPA)相比其它的技术具有宽的增益带宽、高的单程增益、无自发辐射放大等优点。光学参量放大技术与啁啾脉冲放大技术相结合即形成所谓的光学参量啁啾脉冲放大技术(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification，OPCPA)，其放大级由基于激光介质的放大器替换为基于非线性光学晶体的参量放大器。OPCPA固然可以提高脉冲的对比度，但是由于采用的信号光的脉冲宽度为百皮秒量级，泵浦光的脉冲宽度一般为纳秒量级，所以在百皮秒的时间尺度范围内仍然存在参量荧光，影响脉冲的对比度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高对比度飞秒激光产生装置，产生高对比度飞秒激光。

根据本发明的一个方面，提供一种高对比度飞秒激光产生装置，包括：第一光学平移台和第一光学参量晶体；所述第一光学平移台适于控制所述第一信号光和第一泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；所述第一光学参量晶体适于接收时间上同步的第一信号光和第一泵浦光，进行光学参量放大，输出第一放大信号光。

可选的，所述高对比度飞秒激光产生装置还包括：第二光学平移台和第二光学参量晶体；所述第二光学平移台适于控制所述第一放大信号光和第二泵浦光的光程差，使两者在时间上精确同步；所述第二光学参量晶体适于接收时间上同步的第一放大信号光和第二泵浦光，进行光学参量放大，输出第二放大信号光。

可选的，所述高对比度飞秒激光产生装置还包括：激光源，适于输出第一光束和第二光束；其中第一光束作为第一信号光；倍频单元，适于将所述第二光束倍频，以生成第一泵浦光和第二泵浦光。

可选的，所述高对比度飞秒激光产生装置还包括：分束单元，适于将所述激光源产生的一束飞秒种子光分为两束，分别作为第一光束和第二光束。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光非共线和/或第一放大信号光和第二泵浦光非共线。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光之间、第一放大信号光和第二泵浦光之间的最佳的非共线角通过下述方式计算：

v_s＝v_i cos(α+β)， $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α}$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

可选的，所述第一信号光和第一泵浦光严格平行入射第一光学参量晶体，和/或第一放大信号光和第二泵浦光严格平行入射第二光学参量晶体。

可选的，所述高对比度飞秒激光产生装置还包括：激光放大单元，适于将所述第二光束的能量进行放大，并输出到所述倍频单元；光路延时单元，适于延时所述第一光束的光程，延时量与所述第二光束放大所经过的光程基本相同。

可选的，第一光学参量晶体的相位匹配角θ＝28.9°；第二光学参量晶的相位匹配角θ＝28.9°。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)提高飞秒激光的对比度；

(2)提高光学参量放大的效率；

(3)增加光学参量放大中的参量带宽。

附图说明

图1是光学参量过程中三波相互作用示意图；

图2是本发明一个实施例中，高对比度飞秒激光产生装置的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中，三阶相关仪测量得到的脉冲对比度曲线；

图4是本发明一个实施例中，泵浦光为405nm、信号光为800nm时，不同非共线角对应的参量带宽示意图；

图5是图2中高对比度飞秒激光产生装置的实施例的一个例子的光路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

光学参量放大是一种二阶非线性光学混频过程。光学参量放大的原理是：能量较小的信号光和能量较大的泵浦光在合适的非线性光学晶体中发生三波耦合作用，同时产生另外一束激光，即闲频光，三波之间应满足动量守恒和能量守恒。图1是参量过程中三波相互作用的示意图。其中

和

分别代表泵浦光、信号光和闲频光在非线性晶体中的波矢，而α和β分别代表信号光和闲频光与泵浦光之间的非共线角度，θ表示泵浦光的波矢和光轴之间的夹角，即相位匹配角。

为了实现有效的三波混频，信号光和泵浦光须同时到达非线性晶体，而且信号光脉冲和泵浦光脉冲要完全做到时间上的重合。飞秒光学参量放大技术提高脉冲对比度正是利用了这一原理，由于信号光和泵浦光都是在飞秒尺度内，只有两者在飞秒时间尺度上很好重合时信号光才能被有效放大，这样就极大地抑制了在百皮秒乃至几十皮秒量级时间范围内的参量荧光，使得该时间尺度内的脉冲对比度得到有效提高。

基于上述分析，在本发明一个实施例中提供一种高对比度飞秒激光产生装置。如图2所示，该装置包括：

飞秒激光振荡器301，适于提供飞秒种子光；

分束单元302，适于将所述飞秒种子光分为两束，分别为第一光束和第二光束；

激光放大单元303，例如CPA放大单元(即啁啾脉冲放大单元)，适于将所述第二光束的能量进行放大；

光路延时单元307，适于延时所述第一光束的光程，延时量与所述第二光束放大所经过的光程基本相同，并输出第五光束；

倍频单元304，适于利用经激光放大单元303放大的激光产生二次谐波，分别称为第三光束和第四光束，作为第一级光学参量放大和第二级光学参量放大的泵浦光；

第一级光学参量放大单元305，适于接收第三光束和第五光束，进行光学参量放大，并生成高对比度飞秒激光A；

第二级光学参量放大单元306，适于接收高对比度飞秒激光A和第四光束，进行光学参量放大，并生成高对比度飞秒激光B。

图2所示的装置的处理过程如下：

所述飞秒激光振荡器301输出的飞秒种子光经过分束单元302后被分为两束；其中一束基频光(第二光束)经过激光放大单元303和倍频单元304放大再倍频后产生二次谐波，称为第三光束和第四光束，另外一束基频光(第一光束)进入光路延时单元307，光路延时单元307输出第五光束。

由于泵浦光(第三光束)经历了放大过程(例如CPA放大)，因此信号光(第五光束)也要经历相应的光程。例如，可以使用Herriott望远镜***来使信号光走过与泵浦光基本相同的光程。

第三光束和第五光束分别作为泵浦光和信号光进入第一级光学参量放大单元305，由于信号光和泵浦光的时间尺度都在飞秒量级，同步精度要求在几个um到十几个um，所以需要再通过光学平移台改变信号光和/或泵浦光的光程，使信号光与泵浦光在时间上同步。最后，信号光和泵浦光在光学参量晶体中进行第一级光学参量放大，生成高对比度飞秒激光A。

为了进一步提高输出的飞秒激光的对比度，以高对比度飞秒激光A作为第二信号光，以所述第四光束作为第二泵浦光，进行第二级光学参量放大。在第二级光学参量放大单元306中，同理，首先需要第二光学平移台来改变第二信号光和/或第二泵浦光的光程，使第二信号光与第二泵浦光在时间上同步。然后，第二信号光和第二泵浦光在第二光学参量晶体中进行第二级光学参量放大，生成高对比度飞秒激光B。

第二级光学参量放大后信号光再一次被有效的放大输出，最终放大的能量为26μJ。这样，信号光的总增益为10⁴量级。由于信号光和泵浦光的时间尺度均为飞秒量级，信号光中在这个时间尺度外的背景噪声均不能被放大，所以信号光对比度的提升取决于总增益，因此最终信号光相应的对比度提高四个数量级。如此得到的两级参量放大的飞秒激光经过展宽器进行展宽，脉冲被展宽到600ps左右，利用一级高增益的多通放大***将脉冲放大到10mJ，最后利用光栅对压缩器将脉冲压缩回飞秒量级。使用商品化的扫描式三阶互相关仪(Sequoia，Amplitude Technologies Inc)测量压缩后脉冲的对比度，如图3所示，在百皮秒乃至50皮秒时间范围内的对比度为10¹⁰量级，比直接从振荡器输出脉冲的10⁶量级的对比度提高了四个数量级。

在上述处理过程中，通过移动光学平移台可以控制信号光和泵浦光的光程差，从而实现两者在非线性晶体(即光学参量晶体)中时间上的精确同步。

在本发明的其他实施例中，上述分束单元302也可以省略，直接由激光源产生两束激光分别作为所述第一光束和第二光束，即采用两***立的飞秒激光器，然后再通过电路锁定等方法对其重复频率进行锁定，控制两者时间上的同步。

本实施例中，激光源为飞秒激光振荡器，例如钛宝石激光器，在本发明其他实施例中，激光源也可以为飞秒激光放大器等其他类型的激光源。当采用飞秒激光放大器作为激光源时，其产生的光源直接可以作为泵浦光，而不需要激光放大单元303进行放大，从而也就不需要光路延时单元307。

本领域普通技术人员可以理解，在本发明的其他实施例中，上述高对比度飞秒激光产生装置也可以只进行第一级光学参量放大。而采用两级放大可以更加充分的利用泵浦光的能量，输出更大能量的放大信号光，且两级放大可在一级放大的基础上进一度提高对比度。当然，采用两级以上放大(三级、四级......)也是可以的，但是稳定性可能会受到影响，因为OPA是一个非线性过程，如果泵光稳定性不高(有能量抖动)，则最后得到的放大信号光的稳定性也将受到影响，放大级数越多，影响越大。所以，一般采用两级放大，可兼顾到放大能量、对比度、稳定性等问题。

优选的，上述第一级光学参量放大和第二级光学参量放大也可以采用非共线飞秒光学参量放大的方式，即信号光与泵浦光之间有一定的夹角。主要目的是为了增加参量过程中的带宽，能够支持宽带信号光的放大。与共线方式相比，非共线飞秒光学参量放大的方式具有如下优点：第一，有利于放大后的信号光与泵浦光和闲频光的分离；第二，有利于获得更宽的参量带宽；因为非线性晶体都具有色散的，这在共线光学参量放大过程中会导致信号光和闲频光之间的群速度失配而使得参量带宽的减小，采用非共线的方式当非共线角满足一定关系时能够实现信号光和闲频光之间的群速度匹配，有效增加了参量过程中的参量带宽。

另外，因为稍微偏离完全相位匹配，上述参量过程也能发生，只不过效率会有所降低，因此就存在一定容许的相位失配量(相位失配量即偏离完全相位匹配的量，如果为零则表示完全相位匹配)。

优选的，还可以对参量过程中的相位失配量作泰勒展开，令其一阶导数为零可得信号光与闲频光群速度匹配时的关系式为：

v_s＝v_i cos(α+β)， $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α}---\left(1\right)$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

利用公式1可以计算出最佳的非共线角。例如，选取信号光为800nm，泵浦光为405nm，可以计算得到的最佳非共线角为1°，在此非共线角下参量过程具有最大参量带宽，结果如图4所示。

图5为根据上述实施例的一种高对比度飞秒激光产生装置的例子，采用两级非共线飞秒光学参量放大，其中：

放大单元为：CPA放大单元(即啁啾脉冲放大单元)。

光路延时单元为：Herriott望远镜***。

倍频单元包括：BBO(偏硼酸钡)晶体1和BBO晶体2，用于产生二次谐波，其尺寸为10mm×10mm×1mm，相位匹配角θ＝28.9°。本领域普通技术人员可以理解，相位匹配角θ＝28.9°是优选的，这样设置可以获得最大的二次谐波产生效率，主要通过转动BBO晶体3的角度来实现。本领域普通技术人员还可以理解，对于确定的晶体，确定的匹配方式和确定的基频光波长，产生二次谐波效率最大所对应的相位匹配角是确定的。另外，倍频单元还包括405nm高反、810nm高透的双色镜9；405nm全反射镜10。

第一级光学参量放大单元包括：BBO晶体3，用于飞秒光学参量放大，其尺寸10mm×10mm×3mm，相位匹配角θ＝28.9°；800nm全反射镜5、6、7、8；以及光学平移台(未示出)。

第二级光学参量放大单元包括：BBO晶体4，用于飞秒光学参量放大，其尺寸10mm×10mm×3mm，相位匹配角θ＝28.9°；405nm全反射镜11、12、13、14、15；以及光学平移台(未示出)。

而且，800nm全反射镜6、7和405nm全反射镜12、13分别固定在两个光学平移台上，通过改变这两个光学平移台的位置实现信号光与泵浦光之间光程差的改变，使信号光与泵浦光在时间上同步。

优选的，相位匹配时产生二次谐波的效率最高，调节固定BBO晶体1镜架的姿态，当发现产生的二次谐波最强时，对应相位匹配条件位置。一般镜架只有水平和竖直两个维度可调，依次调节这两个维度使得产生的二次谐波最强即可。

在本发明其他实施例中，采用横截面更大的晶体也是可以的；采用更厚的晶体可以提高二次谐波产生的效率，但是群速度失配效应也会相应增加，使得二次谐波脉宽变宽。

图5中的光路也包括第一级光学参量放大和第二级光学参量放大两部分：

I、第一级光学参量放大光路：

飞秒钛宝石激光被分为两束，分别为第一光束和第二光束；其中，第二光束经过CPA展宽、放大、压缩后注入到倍频晶体即BBO晶体1中。需要注意的是，振荡器种子源中心波长为800nm，但是在所述放大的过程中会有一定的红移，所以中心波长从800nm变到810nm，再倍频后为405nm，所以BBO晶体1产生的二次谐波波长为405nm。

双色镜9将405nm二次谐波反射，而将残余的810nm基频光透过。

双色镜9反射的二次谐波经过全反射镜10注入到光学参量晶体即BBO晶体3中，作为第一级光学参量放大的泵浦光。

第一级光学参量放大的信号光是飞秒钛宝石激光分束后的第一光束，因为OPA的泵浦光经历了CPA放大，其光程达到了30m左右，因此信号光也要经历相应的光程，如图所示，第一光束经过一个Herriott望远镜***延时30m。

延时后的第一光束经过800nm全反射镜5、6、7注入光学参量晶体即BBO晶体3中；其中全反射镜6和7固定在一个光学平移台上，通过改变其位置实现信号光光程的改变，从而使得信号光与泵浦光在时间上的同步。

信号光和泵浦光就在BBO晶体3中耦合，使得信号光被放大。

优选的，保证入射到全反射镜6上的信号光和从全反射镜7上出射的信号光严格平行，并通过调节信号光反射镜7和泵浦光反射镜10使得信号光和泵浦光在BBO晶体3空间上的重合。如果入射到全反射镜6和从全反射镜7出射的光不平行，调节平移台的过程中会导致泵浦光入射到BBO晶体3上的位置发生偏离，使得泵浦光和信号光不在BBO晶体内重合，影响参量过程的效率。

优选的，利用公式(1)可以计算出最佳的非共线角。为了得到最大的参量带宽，信号光与泵浦光之间的非共线夹角为1°左右，这主要通过调节泵浦光的注入镜即405nm全反射镜10来实现。

II、第二级光学参量放大光路：

经过第一级光学参量放大的信号光通过全反射镜8注入到第二级光学参量放大的BBO晶体4中作为第二信号光。

双色镜9透射的基频光注入到第二块倍频晶体即BBO晶体2中，继续倍频得到二次谐波作为第二级光学参量放大的第二泵浦光。

二次谐波经过405nm全反射镜11、12、13、14、15注入第二级光学参量放大的BBO晶体4；其中全反射镜12和13固定在一个光学平移台上，通过改变其位置实现泵浦光光程的改变，从而实现第二级光学参量放大中第二信号光与第二泵浦光在时间上的同步。

信号光和泵浦光在第二级光学参量晶体BBO 4中耦合，使得信号光被再次放大。

优选的，为提高第二级光学参量放大的效率，入射到全反射镜12上的泵浦光和从全反射镜13上出射的泵浦光也要严格平行(从而保证改变延时的过程中泵浦光的注入角度不变)。同时通过调节信号光反射镜8和泵浦光反射镜14、15使得信号光和泵浦光在BBO晶体4空间上的重合(从而调节信号光、泵浦光注入，让两者在参量晶体内重合)。另外，根据反射镜8、反射镜15和BBO晶体4上光斑的位置，根据三角形关系可计算出信号光与泵浦光之间的夹角，优化反射镜15的放置位置可以让非共线角为1°；同样，相位匹配角主要通过转动BBO晶体4来调节。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (9)

1.一种高对比度飞秒激光产生装置，包括：

第一光学平移台和第一光学参量晶体；

所述第一光学平移台适于控制所述第一信号光和第一泵浦光的光程差，使两者在时间上同步；

所述第一光学参量晶体适于接收时间上同步的第一信号光和第一泵浦光，进行光学参量放大，输出第一放大信号光。

2.根据权利要求1所述的高对比度飞秒激光产生装置，还包括：

第二光学平移台和第二光学参量晶体；

所述第二光学平移台适于控制所述第一放大信号光和第二泵浦光的光程差，使两者在时间上精确同步；

所述第二光学参量晶体适于接收时间上同步的第一放大信号光和第二泵浦光，进行光学参量放大，输出第二放大信号光。

3.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光产生装置，还包括：

激光源，适于输出第一光束和第二光束，其中第一光束作为第一信号光；倍频单元，适于将所述第二光束倍频，以生成第一泵浦光和第二泵浦光。

4.根据权利要求3所述的高对比度飞秒激光产生装置，还包括：

分束单元，适于将所述激光源产生的一束飞秒种子光分为两束，分别作为第一光束和第二光束。

5.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光产生装置，其中，第一信号光和第一泵浦光非共线，和/或第一放大信号光和第二泵浦光非共线。

6.根据权利要求5所述的高对比度飞秒激光产生装置，其中，第一信号光和第一泵浦光之间的最佳的非共线角，和/或第一放大信号光和第二泵浦光之间的最佳的非共线角通过下述方式计算：

v_s＝v_i cos(α+β)， $\mathrm{\β}=\frac{n_s{\mathrm{\λ}}_i}{n_i{\mathrm{\λ}}_s}\sin \mathrm{\α}$

其中，α和β分别为信号光与泵浦光之间的夹角和闲频光与泵浦光之间的夹角，v_s和v_i为信号光和闲频光的群速度，n_s、n_i为信号光和闲频光的折射率，λ_s、λ_i为信号光和闲频光的波长。

7.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光产生装置，其中，第一信号光和第一泵浦光严格平行入射第一光学参量晶体，和/或第一放大信号光和第二泵浦光严格平行入射第二光学参量晶体。

8.根据权利要求1所述的高对比度飞秒激光产生装置，还包括：

激光放大单元，适于将所述第二光束的能量进行放大，并输出到所述倍频单元；

光路延时单元，适于延时所述第一光束的光程，延时量与所述第二光束放大所经过的光程基本相同。

9.根据权利要求2所述的高对比度飞秒激光产生装置，其中，

第一光学参量晶体的相位匹配角θ＝28.9°；

第二光学参量晶体的相位匹配角θ＝28.9°。

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