光参量啁啾脉冲放大增益特性研究

　第14卷　第4期强激光与粒子束V o l.14,N o.4 2002年7月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Ju l.,2002　文章编号:100124322(2002)0420516205

光参量啁啾脉冲放大增益特性研究①

黄小军,　张树葵,　袁晓东,　王晓东,　唐　军,　曾小明,　魏晓峰

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)

摘　要:　通过对非线性三波耦合方程组进行数值求解,研究了光参量放大(O PA)的增益特性及饱和放

大特性。给出了泵浦光、信号光参数对参量增益的影响及其与晶体饱和长度的关系。结果表明:O PA具有传统

啁啾脉冲放大(CPA)系统所不具有的优点,将有可能取代传统的CPA系统而作为超短超强激光系统的新型前

端。

关键词:　啁啾脉冲;光参量放大;增益;饱和放大

中图分类号:TN24 文献标识码:A

近年来,超短超强脉冲激光技术的飞速发展,不但为X光激光、强场物理等研究领域提供了全新的实验工具,还为惯性约束聚变开辟了新的“快点火”途径[1]。啁啾脉冲放大(CPA)技术是产生超短超强激光脉冲有效的且是成熟的方法。世界上许多实验室都建立了多TW的CPA台面系统,有的甚至建立了大型(>100TW)的CPA超短脉冲激光装置。但是传统的CPA系统有自身难以克服的弱点,即放大后脉冲的本底强,信噪比低,这与强场物理研究中高信噪比打靶脉冲的需求相矛盾。

光参量啁啾脉冲放大(O PCPA)技术[2]是先将飞秒脉冲展宽至几百p s甚至n s以上,利用光波在非线性介质中的相互耦合提供增益而使种子光得到放大,它作为一种全新的超短脉冲放大途径,以其独特的优势引起了人们的广泛关注和研究。首先,O PCPA有很高的增益,且有非常宽的增益谱(>100nm);O PA仅在泵浦光的脉冲宽度内有增益,故放大后脉冲本底很小,放大脉冲的信噪比可比传统的CPA系统大大提高;O PA由光波间的耦合来提供增益,放大介质的热效应很小,放大光束基本没有热相位畸变等等。基于上述优点,O PCPA将可能是发展下一代超短超强脉冲激光装置的可选技术途径之一。

本文着重研究光参量放大过程的增益特性和饱和放大特性,研究了泵浦光和信号光初始参数对放大过程影响的定量关系,并给出了一个O PCPA的设计实例。

1　基本理论

光参量放大过程是三波在非线性介质中的耦合作用,通常是将一个强的泵浦光和一个弱的信号光同时入射到非线性晶体中,在满足相位匹配条件时,它们相互耦合产生一个差频光(空闲光),同时弱的信号光在此过程被放大,这就是所谓的光参量放大(O p tical Param etric Am p lificati on)。

光参量放大过程可用三波耦合波方程组来描述[2～5]

(5

5z+

1

v g1

5

5t+Α1)E1(z,t)=-i

Ξ1d eff

n1c

E32(z,t)E3(z,t)exp(-i∃kz)(1)

(5

5z+

1

v g2

5

5t+Α2)E2(z,t)=-i

Ξ2d eff

n2c

E31(z,t)E3(z,t)exp(-i∃kz)(2)

(5

5z+

1

v g3

5

5t+Α3)E3(z,t)=-i

Ξ3d eff

n3c

1

co s2ΒE1(z,t)E2(z,t)exp(i∃kz)(3)

以上各式中:下标j=1,2,3分别代表信号光、空闲光和泵浦光;E,n,Α,Ξ分别代表三波的电场、折射率、损耗系数和光波频率;c是真空光速;z是光的传播方向;d eff代表有效非线性系数;Β是Poyting矢量的走离角;∃k=k3 -k1-k2代表相位失配。

O PCPA中的信号光被展宽到n s或亚n s,泵浦光是n s脉冲,因此可认为各耦合波的群速度基本相等,即v g1≈v g2≈v g3。对方程(1)～(3)作如下的坐标变换,Φ=z,Σ=t-z v g,且在不考虑损耗情况下,可得如下的归一

①收稿日期:2001210224;　修订日期:2002202217

基金项目:中国工程物理研究院重大基金资助课题(YJ201)

作者简介:黄小军(19742),男,硕士,主要从事超短脉冲激光放大及相关技术研究;绵阳9192988信箱。

化方程组

d u 1d Φ=-u 2u 3sin Η,　d u 2d Φ=-u 1u 3sin Η,　d u 3d Φ=u 1u 2sin Η,　d Ηd Φ=∃k d z d Φ+co s Ηdln (u 1u 2u 3)d Φ

(4)其中

W =I 1(0)+I 2(0)+I 3(0)co s 2Β

(5)u 1=I 1 Ξ1W ,　u 2=I 2 Ξ2W ,　u 3=I 3co s 2Β Ξ3W (6)

Η=∃k +52-53-52(7)

Φ=4d eff Π(ΠW )1 2z (Ε0n 1n 2n 3Κ1Κ2Κ3co s 2Β)

1 2(8)式中:I 1(0),I 2(0),I 3(0)分别代表信号光、空闲光和泵浦光的初始光强度;52,52,53分别表示三波的初始位相。

忽略泵浦光的衰减,可获得O PA 过程的参量增益(强度增益)的解析解[2,5～7]

G =g 20g 20-(∃k 2)2sinh 2[g 20-(∃k 2)2l c ](9)

g 0=Πd eff 8I 30 Εc Κ1Κ2n 1n 2n 3

(10)式中l c 代表三波在晶体中的互作用长度。

为了对光参量放大过程有全面的了解,我们利用龙格2库塔法对上述耦合方程组其进行数值求解,并与解析解作了比较,发现在小信号情况下它们吻合很好,但是如果泵浦光强烈衰减,即饱和放大时必须用数值解,才能真实反映光参量放大过程中三波的变化情况。

2　数值模拟及分析

由于入射的信号光和泵浦光脉冲各部分(时间)有不同的强度分布,信号光各部分对应的增益也各不相同,在本文中我们只关心光参量增益随着三波在晶体中相互作用长度的变化,故没有考虑脉冲的时间波形,而将入射波作为一个整体来考虑,取其平均强度。

下面的数值模拟结果(没有特殊说明)均是在∃k =0时获得的,因为只有在满足相位匹配条件∃k =0时,信号光才能获得最大的增益。我们用自己的程序模拟了BBO 晶体在I 类相位匹配条件(Κp =532nm ,Κs =

780nm ,

相位匹配角为22.09°

)下的增益,并与小信号情况下的解析解作了比较,如图1所示。F ig .1　Comparison

of num erical so luti on and analytical so luti on 图1　数值模拟解和解析解对比F ig .2　Amp lified signal intensity and pump dep leti on

图2　信号光放大及泵浦光衰减过程示意

从图1可以看出,无论是解析解还是数值模拟解,在小信号增益条件下弱信号光按指数迅速增长,二者吻合很好。随着放大过程的深入,泵浦光将逐渐衰减,信号光的增长将趋于缓慢,直至达到饱和状态,如图中的数值解所示。解析解由于没有考虑泵浦光的衰减,信号光的增益仍按指数增长。这就是图中看到的两条曲线逐渐发生分离。如果继续在晶体中放大,能量将从信号光和空闲光回流到泵浦光上,这就是过饱和状态。 图2给出了光参量放大过程中三波相互耦合的全过程。当三波刚开始作用时,信号光和空闲光迅速增长,

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