高重复频率高效率光参量啁啾脉冲放大研究
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"卷!增!刊 !第! ) ) +年,月 !*
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文章编号 ! " # ) ) ! > , ? * * * ) ) + ( ) > ) ! ) ! > ) , !!
O 的高增益饱和放大 ! 参量转换效 率 大 于 * 并基于准相位匹配的参量增益特 大过程中就能够提供 O& *_! ) +] !
性给出了一个全二极管激光器泵浦的亚 82 级高重复频率 1 0 9 0 6 系统的优化设计 $ % 1 0 9 0 6# !! 关键词 ! ! 光参量啁啾脉冲放大 " ! 准相位匹配 % ! 高重复频率 * , !!!!! 文献标识码 ! !! 中图分类号 ! !8’ !6
高重复频率高效率光参量啁啾脉冲放大研究
曾小明 ! ! 魏晓峰 ! ! 朱启华 ! ! 黄小军 ! ! 王晓东 ! ! 刘兰琴 ! ! 周凯南 ! 王!逍! ! 楚晓亮 ! !郭!仪! ! 唐晓东
" 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 ! 四川 绵阳 O # * ! P ) )
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数值分析显示在光参量前级 放 !! 摘 ! 要 ! ! 准相位匹配晶体在光参量放大过程具有更大的有效非线性系数 !
0 & ) 始终为零 ! 在最初晶体设计时可以使夹角+ 为零而确定周期极化晶体的光栅极化周期 ! & " " 0 S $ B S $ B 6 M0 M* & (# $ . L) ) L0 B ) H ) < M0 %# 即 " # , " " 0 B H A B H A M0 (# B ) H ) %#L ) 在泵浦光为 + 信号光中心波长在 !) 结果如图 * ? *A J$ + ?A J 处进行了模拟计算 $ !! 依据上面的理论和分析 $
激 光 医 学& 激光物理与化学等领域有着广泛的应用前 !! 高重复频率高功率激光超短脉冲 激 光 在 激 光 加 工 & 景 $ 例如利用飞秒脉冲与物质作用时 ! 由于其相互作用时间非常短 ! 脉冲具有能量热传递率低 ! 光波冲击力小 ! 不易产生撕裂等特点 $ 美国 5 5 ’ 5 实验室就充分利用了飞秒脉冲的上述特性进行了高能易爆 8’8 炸药 的切
%! 基于准相位匹配光参量放大系统的设计
泵浦光和信号光的脉宽需要很好的匹配 $ 并且光参量放 !! 为了更好的提高泵浦光到信号光的能量转换效率 $ 大需要严格的时间同步 ! 为此 $ 我们设计泵浦光和信号光公用一个振荡器 $ 因此泵浦光和信号光的同步理论上 可以做到零抖动 $ 并且泵浦光脉宽可以在一定范围内调节 $ 整个系统如图 ? 所示 ! 锁模振荡器产生中心波长为 脉宽 @ ’ 能量 +A 经展宽器展宽到 !& !) + ?A J’ )C B c的锁模脉冲序列 $ *A B的啁啾脉冲后经一块 Pi! 的分束镜 分 束 ! 其中大部分能量经反射注入一组频率 !Y ’ 峰值功率! 占空比为* Z ) ) 2’ )] 的激光二极管阵列泵浦的 再生放大器 $ 而再生放大器中我们加进了一组标准具 用 于 脉 冲 的 光 谱 选 择 和 脉 冲 展 宽 $ 使用一个 ; L K $ Q电源
$! 准相位匹配中光参量放大的理论模型
忽略晶体吸收和在慢变振幅包络近似的条件下 ! 光参量放大的三波耦合方程组为 !! 准相位匹配晶体中 ! * " # * $ SH / %0@B" # " B#L " #e@<" B# @ B# L Q B 0# M! MH & < H" B " 0 # B B * " # * 0@ " $ SH / #L " # " " # #e@<" B# @B" B# L Q B 0# M! MH ! & < HB 2B " 0 # H H * " # * 0@ " $ SH / #L " # " #e@B" B# @ B# L Q B 0# M! MH & < H" < B B " & 0 # < < S 式中 ) 信号光和闲频光的电场幅值 % " # 为引 入的周 期极 @0 ! @B! @ 0 为三波的相位失陪量 % ‘! & H 分别为泵浦光 & 化因子 ! ’ * " ( ! 其中 6 为 准 相 位 匹 配 的 阶 数 % * " 为准相位匹配中 S^ H A M L L = B 6_ . #e ^# B H A" 6 7# 6 $ $# F S# L C C_* 的有效非线性耦合系数 ! 其中 N^ * ! 为 相 干 长 度 ! 为 晶 体 极 化 周 期 $ 在 忽 略 泵 浦 光 损 耗的情况下可以 . . S .. S ’ *( 得到方程组 " # 的信号光耦合放大的解析解为 ) ! * * * ! * + ’ * # ( O L )U * + L Q * 0 * . / & < )M" S, % " # * 2 * " " #e , ? * + "< " " S $ B S $ B / $ , # # (# ) L, 0 ) B H B H & %# 式中 ) ? " " * # # 0 为泵浦光强度 % ) 为真空介电常数 % B! H 为晶体信号光和闲频光对应的折射率 % B! H 则分 别为信 号光
百度文库
群速匹配决定了光学参量产生的超荧光的角分布和谱分布 $ 因此尽可能的满足信 !! 在行波参量发生器中 $ & 号光和闲频光间的有效群速匹配 $即0 $ 是获得最大参量放大输出增益谱宽的有利条件 $ 由此可以确 0 0 ’ & B^) 定在一定泵浦光和信号光条 件 下 的 最 佳 非 共 线 角(!e 0; 的周期结构波矢与泵浦光之间的夹角+ 对信号光 和闲频光之间的群速度匹配没有影响 $ 可以用来微调 0 以保证在准相位匹配中的 0 [8 0 晶体的有效周期长度 $
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第! "卷
和闲频光对应的波长 ! # 可以看出 $ 准相位匹配中的光参量增益 与常规双折射晶体中的增益有相似 解 $ 因此可以利用与 * !! 从方程 " 双折射晶体相似的方法对准相位匹配晶体的光参量特性进行分析 ! 即 #e ^ " 它一般远大于晶体在双折射角度相 & * # !! 在一阶准相位匹配中有效非线性耦合 系 数 为 最 大 % $# ? ?$ 位匹配条件下的有效非线性系数 $ 如准相位的 0 0 [8 0 晶体的有效非线性系数是角度相位匹配时 [8 0 晶体的 在相同泵浦光条件下 $ 周期极化的准相位匹配更容易获得高增益和饱和放大 ! O 倍 ! 因此 $ 为了获得更大的增益带宽和 有效分离泵浦光 ’ 信号光与闲 频 光 $ 一般采用非共线相 !! 在光参量放大过程中 $ 为 位匹配 ! 在此 $ 为了建立更普遍的数学计算模型 $ 在e 晶体在 B 轴方向极化 $ 0; 中我们也引入非共线参量 $ 了模型简化 $ 三波波矢均在 T 其中非共线角($ B 轴也为晶体的光轴 $ + 分别为 5 组成的平面内 ! 如图 ! 所示 % %$ 信号光与泵浦光 ’ 闲频光与泵浦光 ’ & 为极化波矢 ! e 0; 的周期结构波矢与泵浦光之间的夹角 $ 0 $ +$ F^* 由动量守恒可得 !! 假设沿 B 轴垂直于抽运光波矢方向无相位失配 $ & " " " * J S $ B 0 L0 S $ B S $ B M0 M" $ +# & (# +# B H < M0 %# & " " " * J B H A 0 B H A B H A M0 M" $ +# (# +#L ) B H %# & & $ 信号光和闲频光 ! 式中 % 0 " " + 下标D^<$ B H分别对应泵浦光 ’ # ’ $ D ^* D DL D D
增!刊
曾小明等 $ 高重复频率高效率光参量啁啾脉冲放大研究
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精 确控制两个普克尔盒进行脉冲的注入和导出 ! 从再生放大器输出一个脉宽 !%?A 能量 *J # 重复频 B可调 " c 率 !Y # 中心波长 !) # 峰值功率 + 占空比为 * Z + ?A J 的窄光谱脉冲 ! 其后再经一组频率 !Y Z ) ) 2# )] 的激 光二极管阵列泵浦一级 ’ $ 最后可得到重复频 K E 5 D 双程放大器放大 到 * )J c后 输 出 到 一 块 : : 1 倍 频 晶 体" 率为 !Y # 波长 + 能量 ! Z * "A J# *J c的参量泵浦光 ! 约 )& +A c 的啁啾脉冲透过分束镜经延时后经过一块双 色镜与泵浦光小角度非共线耦合进参量放大 晶 体 0 泵浦光和信号光及模拟计算的 0 [8 0 上 进 行 光 参 量 放 大"
’( 用1 0 9 0 6 技术就实现了 82 级的脉冲峰值功率输出 * $ 目前在 1 0 9 0 6 过程中一般选用的是如 : : 1! 5 : 1! ?( 晶体 ’ ! 在1 [ 7 0 等常规双折射相位匹配的光参量放大 " 1 0 6# 0 9 0 6 系统的前级放大 过程 中很难 实现饱 和放 大! 光参量放大的增益稳定和能量转换 效 率 都 比 较 低 $ 因 此 ! 很 难 得 到 高 重 复 频 率& 高 功 率 光 参 量 放 大 系 统$
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所示 $ 当非共线角(^!& 时信号光和闲频光在信号 光方向上的群速度失配为零 ! 在结合 " 式$ 在一阶准相 * + j ,# 位匹配时 $ 可以得到 0 光 0 [8 0 晶体的光栅极化周期为 P& ?" J! 计算所用 0 0 [8 0 晶体的折射率与晶体温度 ’ 波波长的 ( * $ 晶体工作在室温 * L % % J L H L =方程来自参考文献 ) , ) f!
!( 割加工实验 ’ ! 并获得了很好 的 实 验 结 果 ! 但国内还没有看到该类相关激光器" ! ! # 的研究报 ! ) ) C B ! Y Z ! ) J c
道 $ 由于光参量啁啾脉冲放大 " 具有高增益 & 宽 增 益 带 宽 而 引 起 了 人 们 的 极 大 兴 趣! 在短短几年里利 1 0 9 0 6#
针对上述问题 ! 本文对周期极化的准相位匹配晶体的光 参量 放大特 性进 行了研 究 ! 模 拟 计 算 发 现! 利用准相位 匹配晶体进行光参量放大 ! 脉冲在 1 极大 0 9 0 6 系统的前级放大过程中就可以工作在饱和放大的增 益稳定 区 ! 的改善了前级光参量放大的增益稳定性和提高了能量转换 效率 ! 并 且可 以得到 比常 规光 参 量 放 大 晶 体 更 宽 的 增益带宽 $ 利用准相位匹配晶体在前 级 光 参 量 放 大 中 就 能 实 现 高 转 换 效 率 的 饱 和 放 大 特 性 ! 利用一块 0 0 [ > 在理论上给出了一个全二极管激光器泵浦的亚 82 级高重复频率 1 8 0 晶体 ! 0 9 0 6 系统的优化设计 $
* ) ) , > ! ! > * *% * ) ) + > ) ! > * ) " 收稿日期 ! !! 修订日期 ! 基金项目 ! 高温高密度等离子体物理国防重点实验室基金资助课题 " # + ! , @ ) ) , ) * ) , c 2 ) " ) ! 作者简介 ! 曾小明 " ! 男! 硕士研究生 ! 主要从事强激光技术研究 % 绵阳 P ) ! P " ?-# ! P > P @ @ 信箱 % 3 > J G H % Z Q J " ? ! !!W H & B H A G & S $ J$ <
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高重复频率高效率光参量啁啾脉冲放大研究
曾小明 ! ! 魏晓峰 ! ! 朱启华 ! ! 黄小军 ! ! 王晓东 ! ! 刘兰琴 ! ! 周凯南 ! 王!逍! ! 楚晓亮 ! !郭!仪! ! 唐晓东
" 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 ! 四川 绵阳 O # * ! P ) )
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数值分析显示在光参量前级 放 !! 摘 ! 要 ! ! 准相位匹配晶体在光参量放大过程具有更大的有效非线性系数 !
0 & ) 始终为零 ! 在最初晶体设计时可以使夹角+ 为零而确定周期极化晶体的光栅极化周期 ! & " " 0 S $ B S $ B 6 M0 M* & (# $ . L) ) L0 B ) H ) < M0 %# 即 " # , " " 0 B H A B H A M0 (# B ) H ) %#L ) 在泵浦光为 + 信号光中心波长在 !) 结果如图 * ? *A J$ + ?A J 处进行了模拟计算 $ !! 依据上面的理论和分析 $
激 光 医 学& 激光物理与化学等领域有着广泛的应用前 !! 高重复频率高功率激光超短脉冲 激 光 在 激 光 加 工 & 景 $ 例如利用飞秒脉冲与物质作用时 ! 由于其相互作用时间非常短 ! 脉冲具有能量热传递率低 ! 光波冲击力小 ! 不易产生撕裂等特点 $ 美国 5 5 ’ 5 实验室就充分利用了飞秒脉冲的上述特性进行了高能易爆 8’8 炸药 的切
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泵浦光和信号光的脉宽需要很好的匹配 $ 并且光参量放 !! 为了更好的提高泵浦光到信号光的能量转换效率 $ 大需要严格的时间同步 ! 为此 $ 我们设计泵浦光和信号光公用一个振荡器 $ 因此泵浦光和信号光的同步理论上 可以做到零抖动 $ 并且泵浦光脉宽可以在一定范围内调节 $ 整个系统如图 ? 所示 ! 锁模振荡器产生中心波长为 脉宽 @ ’ 能量 +A 经展宽器展宽到 !& !) + ?A J’ )C B c的锁模脉冲序列 $ *A B的啁啾脉冲后经一块 Pi! 的分束镜 分 束 ! 其中大部分能量经反射注入一组频率 !Y ’ 峰值功率! 占空比为* Z ) ) 2’ )] 的激光二极管阵列泵浦的 再生放大器 $ 而再生放大器中我们加进了一组标准具 用 于 脉 冲 的 光 谱 选 择 和 脉 冲 展 宽 $ 使用一个 ; L K $ Q电源
$! 准相位匹配中光参量放大的理论模型
忽略晶体吸收和在慢变振幅包络近似的条件下 ! 光参量放大的三波耦合方程组为 !! 准相位匹配晶体中 ! * " # * $ SH / %0@B" # " B#L " #e@<" B# @ B# L Q B 0# M! MH & < H" B " 0 # B B * " # * 0@ " $ SH / #L " # " " # #e@<" B# @B" B# L Q B 0# M! MH ! & < HB 2B " 0 # H H * " # * 0@ " $ SH / #L " # " #e@B" B# @ B# L Q B 0# M! MH & < H" < B B " & 0 # < < S 式中 ) 信号光和闲频光的电场幅值 % " # 为引 入的周 期极 @0 ! @B! @ 0 为三波的相位失陪量 % ‘! & H 分别为泵浦光 & 化因子 ! ’ * " ( ! 其中 6 为 准 相 位 匹 配 的 阶 数 % * " 为准相位匹配中 S^ H A M L L = B 6_ . #e ^# B H A" 6 7# 6 $ $# F S# L C C_* 的有效非线性耦合系数 ! 其中 N^ * ! 为 相 干 长 度 ! 为 晶 体 极 化 周 期 $ 在 忽 略 泵 浦 光 损 耗的情况下可以 . . S .. S ’ *( 得到方程组 " # 的信号光耦合放大的解析解为 ) ! * * * ! * + ’ * # ( O L )U * + L Q * 0 * . / & < )M" S, % " # * 2 * " " #e , ? * + "< " " S $ B S $ B / $ , # # (# ) L, 0 ) B H B H & %# 式中 ) ? " " * # # 0 为泵浦光强度 % ) 为真空介电常数 % B! H 为晶体信号光和闲频光对应的折射率 % B! H 则分 别为信 号光
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群速匹配决定了光学参量产生的超荧光的角分布和谱分布 $ 因此尽可能的满足信 !! 在行波参量发生器中 $ & 号光和闲频光间的有效群速匹配 $即0 $ 是获得最大参量放大输出增益谱宽的有利条件 $ 由此可以确 0 0 ’ & B^) 定在一定泵浦光和信号光条 件 下 的 最 佳 非 共 线 角(!e 0; 的周期结构波矢与泵浦光之间的夹角+ 对信号光 和闲频光之间的群速度匹配没有影响 $ 可以用来微调 0 以保证在准相位匹配中的 0 [8 0 晶体的有效周期长度 $
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和闲频光对应的波长 ! # 可以看出 $ 准相位匹配中的光参量增益 与常规双折射晶体中的增益有相似 解 $ 因此可以利用与 * !! 从方程 " 双折射晶体相似的方法对准相位匹配晶体的光参量特性进行分析 ! 即 #e ^ " 它一般远大于晶体在双折射角度相 & * # !! 在一阶准相位匹配中有效非线性耦合 系 数 为 最 大 % $# ? ?$ 位匹配条件下的有效非线性系数 $ 如准相位的 0 0 [8 0 晶体的有效非线性系数是角度相位匹配时 [8 0 晶体的 在相同泵浦光条件下 $ 周期极化的准相位匹配更容易获得高增益和饱和放大 ! O 倍 ! 因此 $ 为了获得更大的增益带宽和 有效分离泵浦光 ’ 信号光与闲 频 光 $ 一般采用非共线相 !! 在光参量放大过程中 $ 为 位匹配 ! 在此 $ 为了建立更普遍的数学计算模型 $ 在e 晶体在 B 轴方向极化 $ 0; 中我们也引入非共线参量 $ 了模型简化 $ 三波波矢均在 T 其中非共线角($ B 轴也为晶体的光轴 $ + 分别为 5 组成的平面内 ! 如图 ! 所示 % %$ 信号光与泵浦光 ’ 闲频光与泵浦光 ’ & 为极化波矢 ! e 0; 的周期结构波矢与泵浦光之间的夹角 $ 0 $ +$ F^* 由动量守恒可得 !! 假设沿 B 轴垂直于抽运光波矢方向无相位失配 $ & " " " * J S $ B 0 L0 S $ B S $ B M0 M" $ +# & (# +# B H < M0 %# & " " " * J B H A 0 B H A B H A M0 M" $ +# (# +#L ) B H %# & & $ 信号光和闲频光 ! 式中 % 0 " " + 下标D^<$ B H分别对应泵浦光 ’ # ’ $ D ^* D DL D D
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曾小明等 $ 高重复频率高效率光参量啁啾脉冲放大研究
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精 确控制两个普克尔盒进行脉冲的注入和导出 ! 从再生放大器输出一个脉宽 !%?A 能量 *J # 重复频 B可调 " c 率 !Y # 中心波长 !) # 峰值功率 + 占空比为 * Z + ?A J 的窄光谱脉冲 ! 其后再经一组频率 !Y Z ) ) 2# )] 的激 光二极管阵列泵浦一级 ’ $ 最后可得到重复频 K E 5 D 双程放大器放大 到 * )J c后 输 出 到 一 块 : : 1 倍 频 晶 体" 率为 !Y # 波长 + 能量 ! Z * "A J# *J c的参量泵浦光 ! 约 )& +A c 的啁啾脉冲透过分束镜经延时后经过一块双 色镜与泵浦光小角度非共线耦合进参量放大 晶 体 0 泵浦光和信号光及模拟计算的 0 [8 0 上 进 行 光 参 量 放 大"
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所示 $ 当非共线角(^!& 时信号光和闲频光在信号 光方向上的群速度失配为零 ! 在结合 " 式$ 在一阶准相 * + j ,# 位匹配时 $ 可以得到 0 光 0 [8 0 晶体的光栅极化周期为 P& ?" J! 计算所用 0 0 [8 0 晶体的折射率与晶体温度 ’ 波波长的 ( * $ 晶体工作在室温 * L % % J L H L =方程来自参考文献 ) , ) f!
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道 $ 由于光参量啁啾脉冲放大 " 具有高增益 & 宽 增 益 带 宽 而 引 起 了 人 们 的 极 大 兴 趣! 在短短几年里利 1 0 9 0 6#
针对上述问题 ! 本文对周期极化的准相位匹配晶体的光 参量 放大特 性进 行了研 究 ! 模 拟 计 算 发 现! 利用准相位 匹配晶体进行光参量放大 ! 脉冲在 1 极大 0 9 0 6 系统的前级放大过程中就可以工作在饱和放大的增 益稳定 区 ! 的改善了前级光参量放大的增益稳定性和提高了能量转换 效率 ! 并 且可 以得到 比常 规光 参 量 放 大 晶 体 更 宽 的 增益带宽 $ 利用准相位匹配晶体在前 级 光 参 量 放 大 中 就 能 实 现 高 转 换 效 率 的 饱 和 放 大 特 性 ! 利用一块 0 0 [ > 在理论上给出了一个全二极管激光器泵浦的亚 82 级高重复频率 1 8 0 晶体 ! 0 9 0 6 系统的优化设计 $
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