（物理电子学专业论文）光学参量啁啾脉冲放大技术的研究.pdf

摘要 摘要 自1 9 9 2 年提出光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 技术以来，由于其具有高的单通增 益，低的热效应影响，高的信噪比，低的b 积分，宽的增益带宽，且在放大过程中克 服了增益带宽窄化现象，故光参量啁啾脉冲技术已经广泛地应用到超强，超短激光脉冲 产生技术中，同时也成为t w 以及p w 系统的一个好的前端源。 本文的主要研究工作和创新有以下几个方面： 1 理论研究了光参量放大的物理过程，重点对光参量放大过程中的耦合波方程、相位 匹配方式、增益带宽等问题进行了理论分析，给出了相关的参数设计的理论计算公 式。 2 理论探讨了在抽运光为宽带的情况下的一种新颖的基于预啁啾控制的超宽带光参 量放大技术，提出了对输入脉冲进行预啁啾控制新方法，使信号光的不同光谱分量 和抽运光的相应光谱分量分别满足相位匹配条件，从而极大地扩展了相位匹配带 宽。 3 提出采用在抽运光脉冲所定义的时间窗口中，在有效非线性系数最大的平面内，信 号光被同一抽运光两次放大的双通放大技术，并把该技术运用到了低重复了以钛宝 石激光器为种子源和以自启动被动缩模光纤激光器为种子源的光参量啁啾脉冲放 大系统中，有效地提高了信号光与抽运光在时域上的匹配，提高了抽运光的利用率， 关键是有效地抑制了在参量放大过程中参量荧光的产生，提高了光参量放大系统的 稳定性。 4 进行了以钛宝石激光器为种子光源的o p c p a 系统的理论和实验研究。首先为了实现 飞秒信号光脉冲与纳秒抽运光脉冲在时域上的有效匹配，通过光线追迹法对影响 o f j f h e r 展宽器输出脉宽的关键参数进行了理论分析，并进行了实验研究，把信号光 展宽到了5 4 5 p s 。其次，在二级放大器中，采用新型的双通光参量放大技术，有效 地提高了系统转换效率，抑制了参量荧光的出现，将0 1 i l j 的单脉冲放大到3 l l l j 输 出，增益达到了3 1 07 ，能量稳定性达到 3 m s ，输出信号光增益谱宽达到了3 0 啪( f w h m ) ；最后采用光栅对压缩器将放大后的信号光脉冲压缩成8 2f s 的脉冲输 出。 5 首次进行了以锁模光纤激光器为种子源的新型o p c p a 系统的理论和实验研究。通 过两级单通放大方式，将1 51 1 j 放大到6m j ，得到净增益为4 0 1 0 6 ，能量稳定性 达到 - 貌铆u ga t aa 8 ta t 鲁叫焉啦，唧胧， 加 刀l c c o s2 卢l 一 7 等。意耘耻s 唧蚴 西 刀，c c o s2 口， 3 一 警叫意耘酗z e 删娩， 办 c c o s 2p 3 1 一 7 ( 2 1 1 a ) ( 2 1 l b ) ( 2 1 1 c ) ( 2 1 l d ) ( 2 1 2 a ) ( 2 1 2 b ) ( 2 1 2 c ) 当参量过程适用于小信号近似条件时，由三波耦合方程组( 2 1 2 ) 可以得到小信号近 似解： ( ，) ：( o ) c 。s h zk 一( 从2 ) z h ，：( ，) ：，。( o ) 徊：。) s i i l l l zk 一( 龇2 ) z 坨， ( 2 1 3 ) 厶( ，) = 厶( 0 ) 第二章光参量啁啾脉冲放大的基本理论 1 7 其中，r 0 为参量耦合系数，且满足如下关系： r ：芸颦盟 s o 如刀l 刀2 刀3 c ( 2 1 4 ) 假定抽运光在时域和空域上可近似为平项脉冲，就可以得到方程组的信号光耦合放 大的解析解。强度增益可以表示为n 0 1 卜 g = 1 + ( g o 三) 2 ( s i l l l lb b ) 2 输出信号光的相位可用下式表示： 式中 一lb s i n 彳c o s h b 一彳c o s 么s i n h 召 仍= 啪一 b c o s 么c o s h b + 么s i n 4 s i n h b 召：( ( g 。三) 2 一( 也2 ) 2 ) 彳= 地2 岛= 4 死尹( 2 s 。c 毽伟a s 九c 。s ( 口一p ) c 。s ( 卢一p ) ) 一般情况下，小信号增益系数可以近似写成如下形式： g ：o 2 5 e x p 2 【g ；一( 七2 ) 2 】必三) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中：i p 为泵浦光强度；o 为真空介电常数；n s ，n p ，n i 为晶体中信号光、抽运光和闲频光 对应的折射率；九， 则分别为信号光和闲频光对应的波长，l 为光在晶体中的有效作用 长度，仅，p 为非共线角。 2 3 光参量放大晶体 光参量放大的工作介质为非线性光学晶体n 怯1 0 引，要求晶体对泵浦光、信号光和闲 频光都有高透过率，优良相位匹配性能，高转换效率，宽的参量增益带宽，高的激光损 伤阈值等，光参量放大技术的发展很大程度上取决和依赖于参量放大晶体的发展。由于 1 8 光参量啁啾脉冲放大技术的研究 o p a 的整个过程都是在非线性晶体中完成的，因此非线性晶体的性能对整个0 p a 系统来 说是非常重要的。 l 用于中红外o p g o p a 系统的晶体材料 用于中红外o p g o p a 系统的的晶体通常为a g g a s 2 和a g g a s e 2 。a g ( h s 2 的透光范 围是从5 0 0p m 到1 2 “m ，a g g a s e 2 的透光范围是从o 7 1 “m 到1 8 “m 。在1 0 6p m 波长 位置，a g g a s 2 的非线性系数为1 2 1 8p i i 州，而a g g a s e 2 的非线性系数为3 3 5 8p r i 州。 但这两种晶体的激光破坏闽值很低，当采用1 0 6p m 、3 0p s 的脉冲进行抽运时，它们的 破坏阈值大约为6 0 0 7 0 0m w c m 2 。 2 用于可见和红外o p a 系统的晶体 用于可见和红外o p a 系统的晶体通常有k t p ( k t i o p 0 4 ) 和l i n b 0 3 。k t p 的透光 范围从o 3 5p m 到4 5p m ，l i n b 0 3 的透光范围从o 4p m 到5p m 。用1 0 6 4 1 1 i t l 抽运时， k t p 和l 0 3 的有效非线性系数都很高，都比b b o 和l b o 高的多。但是k t p 和 l i n b 0 3 的破坏阈值较低，用1 0 6 4n n 却s 激光脉冲进行抽运时，k t p 的破坏阈值为3 5 g w c m 2 ，而l i n b 0 3 的破坏阈值不到g w c m 2 量级。 此外，k n b 0 3 和玎晶体也适合于近红外和中红外的o p g o p a 。 3 用于可见和近紫外o p a 系统的晶体 通常可用于可见和近紫外o p a 系统的晶体有，d 一偏硼酸钡( b b o ) 和硼酸锂( l b o ) 、 k d p 晶体。b b o 晶体的透光范围从1 9 l 啪 2 6 岬，l b o 晶体的透光范围则是从1 6 0 胁 到2 7 “m ，l p 的透光范围从2 0 0 砌到1 5 “m 。b b o 有轻度的潮解，而l b o 不潮解。 但是l b o 在置于空气中几个月的时间以后，其表面会形成一种雾状的物质，一般的清 洁方法都无法去除，只能进行抛光。这种变化的物理机制目前还不太清楚。所以一般在 l b o 表面还是需要镀保护层，或者放置在干燥的n 2 中。b b o 和l b o 的非线性系数都 很高。相比较而言，k d p 的有效非线性系数较低，只有b b o 的六分之一，l b o 的三分 之一。同样条件下，l b o 的破坏阈值最高，l p 的破坏阈值最低。但是同b b o 和l b o 比，l p 可以长出很大尺寸的晶体，虽然有效非线性系数很低，但是通过选用合适的 抽运参数，用k d p 也可以得到较高的转换效率。 而当抽运光波长为5 3 2 n i i l ，信号光波长为8 0 0 衄时，信号光和抽运光在非线性晶体 中的非共线角可以基本补偿抽运光在晶体的走离角：l b o 非线性系数比b b o 小n 毗1 ，约为 k d p 的3 倍，但具有大的损伤阈值，在抽运光波长为5 3 2 n i ，信号光波长为1 0 5 3 n l i l 时， 第二章光参量啁啾脉冲放大的基本理论 1 9 信号光与抽运光在晶体的非共线角几乎可以完全补偿晶体的走离角：而k d p 晶体的有效 非线性系数虽然很小，损伤阈值也小，但它是唯一可以做得很大的非线性晶体，因而通 常将它作为o p c p a 系统的最后一级放大，用5 3 2 姗光抽运，放大8 0 0 n i i l 信号光时，闲 频光波长己位于k d p 晶体的透过率范围之外，因此不能实现有效参量放大，但在1 0 5 3 啪 信号光波长k d p 晶体还是非常有应用价值的。 依据以上的分析，如不作特殊说明，本论文的理论模拟和实验部分均采用b b o 晶体 作为光参量放大系统的放大介质。 b b o 晶体的物理特性如下 偏硼酸钡( p b a b 2 0 4 ) 是由中国科学院福州物质结构研究所首先研制成功的迄今为止 可用于紫外波段的最优良的非线性晶体之一，b b o 晶体具有透光范围宽、非线性系数大、 损伤阈值高等优点，其主要特性如下所列： 晶体结构 晶胞参数 熔点 转变温度 吸收系数 莫氏硬度 密度 比热 潮解 透光波段 光学均匀性 温度带宽 非线性系数 电光系数 半波电压 热光系数 热光系数 热导率 三角，空间群r 3 c a = b = 1 2 5 3 2 a c = 1 2 7 1 7a ，z = 6 1 0 9 5 士5 9 2 5 士5 0 1 c m ( 波长1 0 6 4 m ) 4 3 8 5 咖m 3 1 9 1 j ( c m 3 。k ) 较低 l8 9 3 5 0 0 埘= i l 6 n 1 0 5 5 d 2 2 _ 2 2 p m r i l 2 2 7 p n w r 2 2 ，r 3 i o 1 r l l 4 8 k v ( 波长1 0 6 4 r l l l l ) d i l o d t _ 9 3 1 0 d i l e d t = - 1 6 6 1 0 1 ( 2 5 9 0 0 范围) c ( 1 1 ) ：4 1 0 6 c ( 3 3 ) ：36 l o 傀 c ( 1 1 ) ：0 0 8 w m 依 光参量啁瞅脉冲放大技术的研究 破坏阈值 c ( 3 3 ) ：0 8w m ( 1 n j c m 2 ) 2 3 光参量放大中的相位匹配 2 3 1 相位匹配条件 光参量放大过程为典型的三波耦合非线性过程，三波耦合过程中三波的光子应满足 能量守恒和动量守恒条件： q = q + 皑 ( 2 1 7 a ) = 哎+ 如 ( 2 1 7 b ) 下标p ，s ，i 分别表示抽运光、信号光和闲频光；代表光波圆频率，后代表光波 矢。参量转换效率依赖于参量过程的相位失配，相位失配尼= 七p 一后s 一后t ，七= o 即 满足了相位匹配条件，此时参量转换效率最大，缸o 时，参量过程还能发生，但参量 转换效率将很快降低。因此在完全相位匹配中心波长附近存在一个仍然有参量转换效应 的范围，一般定义允许相位失配量范围为： i 从i 丌厶 ( 2 1 8 ) 此时的介质长度厶称为相干长度 2 3 1 相位匹配方式 通常实现相位匹配根据其采用的色散介质的不同，分为两种，一种是通过晶体的双 折射效应、温度效应等调谐方式来实现光参量放大过程中的相位匹配；另一种方式是在 气体工作物质中，利用缓冲气体提供必要的色散，实现相位匹配。其中利用非线性晶体 的双折射效应和色散效应来实现的相位匹配较为常用，称为角度相位匹配。所谓角度相 位匹配就是指基波与二次谐波具有不同的偏振态，通过选择特定光传播方向实现相位匹 配的方法。 角度相位匹配按照入射基波的不同偏振方式可分为i 类和i i 类相位匹配。若入射基 波具用单一的偏振方式，而产生的二次谐波具用不同的偏振方式，这种方式通常称为为 第1 类相位匹配( o + o 寸e ) ：若入射基波具有两种偏振态，而二次谐波取单一偏振态，则 称为第1 i 类相位匹配( e + o e ) 。在i i 类相位匹配情况下，由于入射基波的偏振态相互垂 直，因此二者比较容易被分离。而b b o 晶体是负单轴晶，其相位匹配可以分为两种：第1 类( e j o + o ) 与第1 i 类( e 专o + e ) 。较之第1 i 类相位匹配而言，第1 类相位匹配具有较高的非 线性效率，然而，由于在第1 t 类相位匹配中信号光和闲频光的极化方向不同，因此信号 第二章光参量啁啾脉冲放大的基本理论 2 l 光和闲频光比较容易分离。另外，在第1 i 类相位匹配中，信号光和闲频光的群速度分别 大于和小于抽运光的群速度，在增益达到饱和的情况下，第1 i 类相位匹配的效率反而更 尚。 b b o 晶体在i 类及i i 类相位匹配0 5 3 时，有效非线性光学系数可由如下公式计算： i 类： i i 类： d 。仃= d 3 l s i n 日( d l l c o s 3 妒一d 2 2 s i r l 3 9 ) c o s p = ( d ll s i l l 3 妒+ d 2 2 c o s 3 妒) c o s 2 p 其中，西l = 5 8 以。( 脚) ，以l = o 0 5 4 。，d 2 2 o 0 5 吐。可以看出，嘞的大小与角 度p 和9 的数值有关。p 角取决于相位匹配条件，不能任意取，而妒角的取值应使值 最大。对于b b o 晶体，第1 类相位匹配时，一般取其经验值嘞= 2 0 8p m 。 b b o 的角度调谐特性：角度调谐时，第1 及第1 i 类相位匹配角9 。的计算公式如下 i 类： i i 类： 小眦s i n 蝌筹鬻 l ，2 隐+ 器r 斗爵+ 悫r 坨 按照三波波矢的传播方向又可将角度相位匹配方式分为共线和非共线相位匹配。在 非线性晶体中，若参与相互作用的三个光波的波矢传播方向相同，为共线相位匹配：传 播方向不同，则为非共线相位匹配。早期的飞秒o p a 都采用共线相位匹配方式，其具有 调节简便、转换效率高的特点。但是在非简并态( 允；) 由于受增益带宽较窄的影响， 采用这种方式输出的参量光脉冲光谱宽度较窄，因此，不能获得脉冲宽度极窄( o ，即e 光的玻印廷矢量较 其波矢靠近晶体光轴：在负单轴晶体中心 他，所以p e 3 正 s i g a n lw a v e l e n g t h ，n m