法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2012-11-14
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H01S3/10 授权公告日:20080604 终止日期:20110907 申请日:20050907
专利权的终止
2008-06-04
授权
授权
2006-04-05
实质审查的生效
实质审查的生效
2006-02-08
公开
公开
技术领域
本发明属于超短脉冲激光放大领域，特别涉及一种对超短脉冲串进行脉冲叠加和光谱窄化的多脉冲叠加放大器及产生啁啾脉冲放大信号光的飞秒激光参量啁啾脉 冲放大激光器。
背景技术
高功率超短脉冲激光在激光医学、强场物理实验、激光精密加工、军事等许多领域中有着广泛的应用。目前，光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术是获得高功率超短脉冲的主要方法之一。
中国专利ZL 00105431.7公开了一种超短脉冲啁啾光参量激光器，由啁啾光参量发生器和飞秒光参量放大器组成；电光光束扫描器、棱镜光束偏折器、非线性激光晶体、激光泵浦光源构成啁啾光参量发生器；空心柱透镜或半边柱透镜、非线性激光晶体、泵浦光源和啁啾光脉宽压缩器构成飞秒光参量放大器。啁啾光参量发生器产生一个与泵浦光脉宽相适应的纳秒到皮秒范围的脉冲，飞秒光参量放大器将啁啾光参量发生器产生的脉冲放大成并压缩成超高功率的超短脉冲。此种超短脉冲啁啾光参量激光器虽然结构较简单，但不能调整所用泵浦光的时间长度和频谱宽度，因而难于获得不同物理需求的信号光。
公开号为CN 1547292A的中国专利申请公开了一种超短脉冲激光时间自适应同步法及其装置，所述装置包括信号光激光器、分束器、光电转换器、电信号处理器、泵浦光激光器，信号光激光器输出的激光作为信号光输出到分束器，分束器对信号光进行分束后，将其中的一束光输出到光电转换器转换成脉冲电信号，该脉冲电信号经电信号处理器进行放大、整形、变频合成等适当处理后作为时钟信号输送给泵浦光激光器上的主动锁摸头或Q开关，泵浦光激光器输出的脉冲激光与信号光激光器输出的脉冲激光时间自适应同步或时间差恒定。此种装置虽然解决了不同超短脉冲激光器在运转过程中的输出脉冲的同步问题，可使泵浦光高效地放大信号光，但仍然不能调整泵浦光的时间长度和频谱宽度，而且结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能获得不同时间长度的窄带平顶泵浦光的多脉冲叠加放大器及结构简单并能使泵浦光向信号光高效率转换的飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器。
本发明所述多脉冲叠加放大器包括法拉第、45°转子、第一高反镜、增益介质I、介质膜偏振片、普克尔盒和第二高反镜；法拉第和45°转子构成超短脉冲串进入谐振腔的光开关；第一高反镜、增益介质I、介质膜偏振片、普克尔盒和第二高反镜构成对超短光脉冲串进行脉冲叠加和光谱窄化的谐振腔，第一高反镜放置在45°转子之后，它与第二高反镜形成谐振腔的两个端面，增益介质I、介质膜偏振片、普克尔盒位于上述两端面之间，相互之间的位置可调。超短光脉冲串通过法拉第和45°转子进入谐振腔后，增益介质I对超短光脉冲进行光谱增益窄化，超短光脉冲串在谐振腔内往返传输脉冲叠加形成平顶脉冲，经普克尔盒和介质膜偏振片导出，导出的窄带平顶泵浦光是一种信号光的放大光源。在脉冲串注入前，多脉冲叠加放大器处于腔的低Q状态，有效抑制了放大自发辐射(ASE)以降低噪声，在脉冲串注入后，多脉冲叠加放大器工作于腔的高Q状态，脉冲的能量得到有效放大。通过控制放入其中的脉冲个数和调整谐振腔的腔长，可获得所需的各种泵浦脉冲时间波形。谐振腔的腔长，即第一高反镜与第二高反镜之间的距离，其大小由参与叠加的脉冲在谐振腔中的相对时间延迟决定。
为了进一步窄化光谱，可在构成谐振腔的元件中增加标准具，标准具位于第一高反镜和第二高反镜形成的谐振腔的两个端面之间，对超短光脉冲进行光谱滤波以达到窄化光谱的目的。
为了进一步放大从谐振腔中导出的叠加平顶脉冲，可在介质膜偏振片的导出光路上设置增益介质II。
上述增益介质I的光谱增益带宽在亚nm量级，其放大峰值波长与进入谐振腔的脉冲的中心波长相匹配。上述标准具的通带带宽在亚nm量级，其透过率峰值中心波长与进入谐振腔的脉冲的中心波长相匹配。
本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器，由分束器、频率转换器、上述结构的多脉冲叠加放大器、倍频器、脉冲展宽器、延迟线、二色镜和非线性晶体组成；频率转换器、多脉冲叠加放大器、倍频器组成泵浦光光路，脉冲展宽器设置在信号光光路上。分束器将输入的中心波长为λ0的超短脉冲串分为中心波长为λ0的信号光11和中心波长为λ0的泵浦光源12；频率转换器将来自分束器的中心波长为λ0的泵浦光源12转换成中心波长为λ1的超短脉冲串，λ1＞λ0，频率转换器由耦合器、纳米光子晶体光纤和带通滤波器构成，耦合器将中心波长为λ0的泵浦光源12耦合进入纳米光子晶体光纤，在纳米光子晶体光纤中产生超连续谱，带通滤波器对超连续谱进行光谱整形，得到中心波长为λ1的超短脉冲串；多脉冲叠加放大器将来自频率转换器的超短脉冲串进行脉冲叠加和光谱窄化，产生窄带平顶脉宽达纳秒量级的脉冲，该脉冲的中心波长为λ1；倍频器将来自多脉冲叠加放大器的脉冲进行频率加倍，所产生的中心波长为λ2的平顶脉冲为泵浦光，λ2＝1/2λ1；脉冲展宽器将来自分束器的中心波长为λ0的信号光在时域内展宽为长啁啾脉冲；延迟线设置在信号光光路或泵浦光光路上，控制信号光和泵浦光的光程差，实现精确的光直接同步；二色镜将倍频器倍频后的泵浦光和脉冲展宽器展宽后的信号光同时注入非线性晶体中，非线性晶体将泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，该信号光的光谱宽度可达70nm，时间长度为几十皮秒到纳秒，功率可达TW量级。
本发明具有以下有益效果：
1、多脉冲叠加放大器对进入的超短脉冲串整形，可得到光谱窄、时间长度长的平顶泵浦光，此类泵浦光与信号光同时注入非线性晶体，可以获得高信噪比和高稳定性放大的信号光；通过控制进入多脉冲叠加放大器的叠加脉冲个数和脉冲之间在多脉冲叠加器中的相互延迟，可以获得不同时间长度的窄带平顶泵浦光，因而能适应不同物理需求的信号光的放大，增加了光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统的灵活性。
2、由于飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的泵浦光与信号光来自于同一光脉冲，通过控制它们之间的光程差，能够实现它们之间的完全同步，这种采用光直接同步的方法，能够提高泵浦光向信号光的转换效率。
3、由于飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器中设置有多脉冲叠加放大器，不仅可获得高信噪比和高稳定性放大的信号光，而且可扩大飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的应用范围。
4、频率转换器采用纳米光子晶体光纤，产生超连续谱的阈值功率很低，且其产生的超连续谱很稳定。
5、飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构简单，性能稳定，使用方便。
附图说明
图1是本发明所述多脉冲叠加放大器的第一种结构图；
图2是本发明所述多脉冲叠加放大器的第二种结构图；
图3是本发明所述多脉冲叠加放大器的第三种结构图；
图4是本发明所述多脉冲叠加放大器的第四种结构图；
图5是本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的第一种结构框图；
图6是本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的第二种结构框图；
图7是本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的第三种结构框图；
图8是本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的第四种结构框图；
图9是本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的第五种结构框图；
图10是本发明所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的第六种结构框图；
图11是频率转换器的一种结构图；
图12是倍频后的泵浦光和脉冲展宽器展宽后的信号光由二色镜注入非线性晶体的示意图。
图中，1-法拉第、2-45°转子、3-高反镜、4-增益介质I、5-介质膜偏振片、6-普克尔盒、7-高反镜、8-标准具、9-增益介质II、10-分束器、11-频率转换器、12-多脉冲叠加放大器、13-倍频器、14-脉冲展宽器、15-延迟线、16-二色镜、17-非线性晶体、18-耦合器、19-纳米光子晶体光纤、20-带通滤波器。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述多脉冲叠加放大器的结构如图1所示，由法拉第1、45°转子2、第一高反镜3、增益介质I 4、介质膜偏振片5、普克尔盒6和第二高反镜7组成，上述各光学元件均可从市场购得。上述光学元件中，增益介质I4的光谱增益带宽为0.5nm左右，其放大峰值波长与进入谐振腔的脉冲的中心波长相匹配；普克尔盒6采用KDP晶体，其λ/4延迟电压为700伏。法拉第1和45°转子2构成超短脉冲串进入谐振腔的光开关，第一高反镜3、增益介质I4、介质膜偏振片5、普克尔盒6和第二高反镜7构成对超短光脉冲串进行脉冲叠加和光谱窄化的谐振腔；第一高反镜3放置在45°转子2之后，它与第二高反镜7形成谐振腔的两个端面，增益介质I4、介质膜偏振片5、普克尔盒6依次放置在上述两端面之间。超短光脉冲串通过法拉第1和45°转子2进入谐振腔后，增益介质I4对超短光脉冲进行光谱增益窄化，超短脉冲串在谐振腔内往返传输、脉冲叠加形成平顶脉冲，经普克尔盒6和介质膜偏振片5导出。
本实施例所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构如图5所示，由分束器10、频率转换器11、多脉冲叠加放大器12、倍频器13、脉冲展宽器14、延迟线15、二色镜16和非线性晶体LBO 17组成；除频率转换器11和多脉冲叠加放大器12以外，其他的光学器件均可从市场购得；频率转换器11的结构如图11所示，由耦合器18、纳米光子晶体光纤19和带通滤波器20构成，耦合器18将中心波长为λ0的泵浦光源12耦合进入纳米光子晶体光纤19，在纳米光子晶体光纤19中产生超连续谱，带通滤波器20对超连续谱进行光谱整形，得到中心波长为λ1的超短脉冲串；多脉冲叠加放大器12的结构如图1所示，本实施例在前面已作描述。分束器10将输入的中心波长为λ0的超短脉冲串分为中心波长为λ0的信号光11和中心波长为λ0的泵浦光源12，信号光11与泵浦光源12的能量比为50％∶50％，λ0为800nm，脉宽为50飞秒，对应的光谱宽度约为20nm，由锁模激光器产生；频率转换器11将来自分束器的中心波长为λ0的泵浦光源12转换成中心波长为λ1的超短脉冲串，λ1为1053nm；向多脉冲叠加放大器12注入30个中心波长为λ1的超短脉冲，将多脉冲叠加放大器的谐振腔与锁模激光器的振荡腔的失配量调整为3cm，使在其中叠加放大的脉冲串之间的时间延迟为100ps，来自频率转换器的30个超短脉冲经过脉冲叠加和光谱窄化后，产生1.4ns的平顶脉冲，其谱宽为0.07nm，中心波长为λ1＝1053nm；倍频器13将来自多脉冲叠加放大器的脉冲进行频率加倍，所产生的中心波长为λ2的平顶脉冲为泵浦光，λ2为527nm；脉冲展宽器14将来自分束器10的中心波长为λ0的信号光展宽为1.4ns的长啁啾脉冲；延迟线15设置在信号光光路上并位于脉冲展宽器14与二色镜16之间，被脉冲展宽器展宽的信号光通过延长线的时间延迟，实现与泵浦光的精确的光直接同步；二色镜16将来自倍频器的泵浦光和延迟线的信号光同时注入非线性晶体17中；泵浦光、信号光由二色镜注入非线性晶体LBO中的位相匹配角如图11所示，γ＝12.57°，在非线性晶体17中，泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，该信号光的光谱宽度为20nm，时间长度为1.4ns，经压缩器压缩后，功率达到TW量级。
本实施例中，所有的光学元件均安装在光学调整架上。
实施例2
本实施例所述多脉冲叠加放大器的结构如图2所示，与实施例1不同之处是：(1)增加了标准具8，标准具是谐振腔的构成元件，对超短光脉冲进行光谱滤波，其通带带宽为0.02nm、透过率峰值中心波长为1053nm。(2)标准具8、增益介质I4、普克尔盒6和介质膜偏振片5依次放置在第一高反镜3与第二高反镜7形成的谐振腔两个端面之间。
本实施例所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构如图6所示，与实施例1不同之处是：(1)分束器10将输入的中心波长为λ0的超短脉冲串分为中心波长为λ0的信号光11和中心波长为λ0的泵浦光源12，信号光11与泵浦光源12的能量比为70％∶30％。(2)向多脉冲叠加放大器12注入30个中心波长为λ1的超短脉冲，将多脉冲叠加放大器的谐振腔与锁模激光器的振荡腔的失配量调整为3.6cm，使在其中叠加放大的脉冲串之间的时间延迟为120ps，来自频率转换器的30个超短脉冲经过脉冲叠加和光谱窄化后，产生2.3ns的平顶脉冲，其谱宽为0.002nm，中心波长为λ1＝1053nm。(3)延迟线15设置在信号光光路上且位于分束器10与脉冲展宽器14之间；(4)脉冲展宽器14将来自延迟线15的中心波长为λ0的信号光展宽为2.3ns的长啁啾脉冲；(5)泵浦光、信号光由二色镜注入非线性晶体LBO中的位相匹配角γ＝12.57°，在非线性晶体17中，泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，该信号光的光谱宽度为20nm，时间长度为2.3ns，经压缩器压缩后，功率可达TW量级。
实施例3
本实施例所述多脉冲叠加放大器的结构如图3所示，与实施例1不同之处是：(1)介质膜偏振片5的导出光路上设置有增益介质II9，它进一步放大从谐振腔中导出的叠加平顶脉冲，其光谱增益带宽为0.5nm。(2)介质膜偏振片5、普克尔盒6和增益介质I4依次放置在第一高反镜3与第二高反镜7形成的谐振腔两个端面之间。
本实施例所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构如图7所示，与实施例1不同之处是：(1)向多脉冲叠加放大器12注入30个中心波长为λ1的超短脉冲，将多脉冲叠加放大器的谐振腔与锁模激光器的振荡腔的失配量调整为3.6cm，使在其中叠加放大的脉冲串之间的时间延迟为120ps，来自频率转换器的30个超短脉冲经过脉冲叠加和光谱窄化后，产生1.8ns的平顶脉冲，其谱宽为0.07nm，中心波长为λ1＝1053nm。(2)延迟线15设置在泵浦光光路上且位于分束器10与频率转换器11之间；(3)脉冲展宽器14将来自分束器10的中心波长为λ0的信号光展宽为1.8ns的长啁啾脉冲；(4)泵浦光、信号光由二色镜注入非线性晶体BBO中的位相匹配角γ＝11.2°，在非线性晶体17中，泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，该信号光的光谱为20nm，时间长度为1.8ns，经压缩器压缩后，功率达到TW量级。
实施例4
本实施例所述多脉冲叠加放大器的结构如图4所示，与实施例1不同之处是：(1)增加了标准具8，标准具是谐振腔的构成元件，对超短光脉冲进行光谱滤波，其通带带宽为0.03nm、透过率峰值中心波长为1053nm。(2)介质膜偏振片5的导出光路上设置有增益介质II9，它进一步放大从谐振腔中导出的叠加平顶脉冲，其光谱增益带宽为0.5nm。(2)增益介质I 4、标准具8、介质膜偏振片5和普克尔盒6依次放置在第一高反镜3与第二高反镜7形成的谐振腔两个端面之间。
本实施例所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构如图8所示，与实施例1不同之处是：(1)向多脉冲叠加放大器12注入40个中心波长为λ1的超短脉冲，将多脉冲叠加放大器的谐振腔与锁模激光器的振荡腔的失配量调整为3.6m，使在其中叠加放大的脉冲串之间的时间延迟为120ps，来自频率转换器的40个超短脉冲经过脉冲叠加和光谱窄化后，产生4.8ns的平顶脉冲，其谱宽为0.006nm，中心波长为λ1＝1053nm。(2)延迟线15设置在泵浦光光路上且位于频率转换器11与多脉冲叠加放大器12之间；(3)脉冲展宽器14将来自分束器10的中心波长为λ0的信号光展宽为1.6ns的长啁啾脉冲；(4)泵浦光、信号光由二色镜注入非线性晶体BBO中的位相匹配γ＝11.2°，在非线性晶体17中，泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，该信号光的光谱宽度20nm，时间长度为1.6ns，经压缩器压缩后，功率高达TW量级。
实施例5：
本实施例所述多脉冲叠加放大器的结构如图1所示，与实施例1相同。
本实施例所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构如图9所示，与实施例1不同之处是：(1)向多脉冲叠加放大器12注入40个中心波长为λ1的超短脉冲，将多脉冲叠加放大器的谐振腔与锁模激光器的振荡腔的失配量调整为3.6cm，使在其中叠加放大的脉冲串之间的时间延迟为120ps，来自频率转换器的40个超短脉冲经过脉冲叠加和光谱窄化后，产生长达4.2ns的平顶脉冲，其谱宽为0.03nm，中心波长为λ1＝1053nm。(2)延迟线15设置在泵浦光光路上且位于多脉冲叠加放大器12与倍频器13之间。(3)脉冲展宽器14将来自分束器10的中心波长为λ0的信号光展宽为1.4ns的长啁啾脉冲。(4)泵浦光、信号光由二色镜注入非线性晶体BBO中的位相匹配角γ＝11.2°，在非线性晶体17中，泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，该信号光经过三次放大，该信号光的光谱为20nm，时间长度为1.4ns，经压缩器压缩后，功率可达TW量级。
实施例6
本实施例所述多脉冲叠加放大器的结构如图1所示，与实施例1相同。
本实施例所述飞秒激光参量啁啾脉冲放大激光器的结构如图10所示，与实施例1不同之处是：(1)向多脉冲叠加放大器12注入50个中心波长为λ1的超短脉冲，将多脉冲叠加放大器的谐振腔与超短脉冲振荡器的腔长失配量调整为3.6cm，使在其中叠加放大的脉冲串之间的时间延迟为120ps，来自频率转换器的50个超短脉冲经过脉冲叠加和光谱窄化后，产生5.4ns的平顶脉冲，其谱宽为0.01nm，中心波长为λ1＝1053nm。(2)延迟线15设置在泵浦光光路上且位于倍频器13与二色镜16之间。(3)脉冲展宽器14将来自分束器10的中心波长为λ0的信号光展宽为1.8ns的长啁啾脉冲。(4)泵浦光、信号光由二色镜注入非线性晶体BBO中的位相匹配角γ＝11.2°，在非线性晶体17中，泵浦光转换成信号光，输出啁啾脉冲放大的信号光，经过三阶段的放大后，该信号光的光谱为20nm，时间长度为1.8ns，经压缩器压缩后，功率可以达到TW量级。
机译： 包括可调谐种子激光器，脉冲泵浦激光器和光学参量发生器-光学参量放大器（OPG-OPA）的中红外光学鼻系统及其使用方法。
机译： 宽带光学参数啁啾脉冲放大器对温度不敏感
机译： 使用正色散镜在YB中的啁啾脉冲放大期间维持光束质量：KYW再生放大器
