（物理电子学专业论文）宽带光参量啁啾脉冲放大的研究.pdf

中文摘要 诞生于上世纪九十年代初期的光参量啁啾脉冲放大技术，因其在超短脉冲激 光放大方面的独特优势，一经提出便引起了广泛的关注。单程增益高、信噪比高、 热效应影响较小、获得光束质量高等众多优点使光参量啁啾脉冲放大技术成为获 得超强超短脉冲激光的重要途径之一。 光参量啁啾脉冲放大器要支持脉宽极短的脉冲激光的放大，在频域上要求光 参量放大必须能提供相应的增益带宽。在本论文中，我们建立了适当的数学模型， 对非理想单色光、具有发散角的非平面波泵浦下的光参量啁啾脉冲放大系统进行 了数值模拟，考察了泵浦光的发散角、非单色性、角色散等因素对光参量放大增 益大小及带宽的影响。分析各种不同条件下的影响结果，我们还提出了改善光参 量啁啾脉冲放大系统的增益带宽的实际方法和建议，为实现支持更窄脉冲、更宽 光谱的参量放大提供理论上的指导。具体内容及创新点如下： 一回顾了光参量放大( o p a ) 以及光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 技术的 基本理论、优点以及发展现状。 二深入研究了几种宽带相位匹配技术，包括非共线相位匹配技术、信号光 引入角色散实现宽带相位匹配的技术、双光束泵浦宽带光参量放大技术。 三提出了一种新的提高光参量放大增益带宽的方法，即采用发散光束泵浦 光参量啁啾脉冲放大系统。采用空间傅立叶变换和四阶r u n g e k u t t a 算法分别模 拟了非衍射极限情况下的高斯光束和空间频谱为矩形的发散光束作为泵浦光时 的增益曲线。结果显示，不管在可见光或在近红外光谱区，用发散光束均可以明 显地改善光参量啁啾脉冲放大系统的增益带宽。选取合适的发散角和泵浦光强， 可以获得高增益、宽谱带的信号光输出。 四研究了非单色光泵浦的光参量啁啾脉冲放大系统中，泵浦光的谱宽和角 色散对增益带宽的影响。我们采用傅立叶变换的方法，把泵浦光分解成不同的频 谱成分，取代通常把泵浦光当成单色光或准单色光来处理的方法，建立了光参量 放大三波耦合方程的求解模型，来研究和分析泵浦光的谱宽对光参量啁啾脉冲放 大的增益大小及带宽的影响。结果表明采用宽带的泵浦光也可以明显改善参量放 大的增益带宽。 关键词：非线性光学；光参量啁啾脉冲放大；增益带宽：发散角：高斯光束： 超短脉冲激光： a b s t r a c t t h eo p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o nw a sb o r ni nt h ee a r l y19 9 0 s b e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e si nt h ea m p l i f i c a t i o no fu l t r as h o r tl a s e r , g r e a t a t t e n t i o nw a sp a i da f t e ri tw a sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e s e v e r a l a d v a n t a g e sm a k ei t o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta m p l i f i c a t i o nt e c h n i q u e si nu l t r as h o r tl a s e r , w h i c ha r ev e r y h i g hg a i np e rs i n g l ep a s s ，h i g hp r o p o r t i o no fs i g n a lt on o i s e ，l o wt h e r m a le f f e c t sa n d h i g ha m p l i f i e ds i g n a lb e a mq u a l i t y t h eo p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i e r sc a l la m p l i 母t h eu l t r as h o r tl a s e r , w h i l et h eo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r ss h o u l dp r o v i d e e n o u g hg a i nb a n d w i d t h a c c o r d i n g l y i nt h i sp a p e r ，w es e tas i m u l a t i o nm o d e l ，w h i c hc a ns i m u l a t et h eo p t i c a l p a r a m e t r i cc h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o np u m p e db yn o n h o m o c h r o m a t i cl i g h to r d i v e r g e db e a m s w ea l s os t u d i e dt h ei m p a c to fd i v e r g e n c ea n g l e ，b a n d w i d t ha n d a n g u l a r l yd i s p e r s i o no ft h ep u m po nt h eg a i na n dt h eg a i nb a n d w i d t ho fo p t i c a l p a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n a c c o r d i n gt oa l lk i n d so fe f f e c t , s e v e r a l m e t h o d sa n da d v i c e sa r ep r o p o s e dt o i m p r o v et h eg a i nb a n d w i d t ho fo p t i c a l p a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n t h e s em e t h o d sa r ev e r yu s e f u li n s t r u c t i o nt o p r o d u c eh i g h e ri n t e n s i t ya n ds h o r t e rp u l s e s t h eo u t l i n ea n di n n o v a t i o no ft h i sp a p e r a sf o l i o w ： 1 ) 。w - er e t r o s p e c tt h ef u n d a m e n t a l ，a d v a n t a g e sa n dp r o g r e s so fo p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o na n do p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s e da m p l i f i c a t i o n 2 ) s e v e r a lt e c h n i q u e so fb r o a d b a n dp h a s em a t c h e da r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g n o n c o l l i n e a r o p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n ，b r o a d b a n dp h a s em a t c h e dw i t h a n g u l a r l yd i s p e r s e db e a m s ，t w ob e a m sp u m p e do p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e ra n ds oo n 3 ) an e ws c h e m eo fo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o ni sp r o p o s e dt oi m p r o v et h e g a i nb a n dw i d t h ，w h i c hi so p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o np u m p e dw i t hd i v e r g e d b e a m s s e v e r a lg a i nc u r v e sa r es i m u l a t e dw h e nt h ep u m pi sn o n d i f f r a c t i o nl i m i t g a u s s i a nb e a mo rb e a mo f r e c t a n g u l a rd i s t r i b u t i o ni ns p a t i a ls p e c t r u mr e s p e c t i v e l y ， u s i n gt h em e t h o do ff o u r i e rt r a n s f o r ma n dt h ef o u r t h o r d e rr u n g e - k u t t aa l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg a i nb a n d w i d t ho fo p t i c a l p a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o nc a nb eo b v i o u s l yi m p r o v e du s i n gd i v e r g e dp u m pb e a m ，e i t h e ri nt h e v i s i b l eo ri nt h en e a ri n f r a r e d v e r yh i g hg a i na n db r o a d b a n ds p e c t r u mc a r lb eo b t a i n e d i ft h ed i v e r g e n c ea n g l ea n di n t e n s i t yo ft h ep u m pi ss e l e c t e dp r o p e r l y 4 ) i nt h es y s t e mo fo p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o np u m p e dw i t h n o n - h o m o c h r o m a t i cl i g h t , i m p a c to ft h eb a n d w i d t ha n dt h ea n g u l a r l yd i s p e r s i o no f p u m pl i g h to nt h eg a i na n dt h eg a i nb a n d w i d t ho ft h eo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n a r et h e o r e t i c a l l ys t u d i e d w ed e c o m p o s et h ep u m pw h i c hi sn o th o m o c h r o m a t i ci n t o s p e c t r a lc o m p o n e n t sb yu s eo ft h em e t h o do ff o u r i e rt r a n s f o r m ，t h e ns e tan u m e r i c a l m o d e lt or e s o l v et h et h r e ew a v ec o u p l e df u n c t i o n f r o mt h en u m e r i c a lm o d e la n d r e s u l to ft h et h r e ew a v e sc o u p l e df u n c t i o nw ec a na n a l y z ei m p a c to ft h eb a n d w i d t ho f p u m pl i g h to nt h eg a i na n dt h eg a i nb a n d w i d t ho ft h eo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tb r o a d b a n dp u m pl i g h tc a na l s oi m p r o v et h eg a i nb a n d w i d t ho f t h eo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o no b v i o u s l y k e yw o r d s ：n o n l i n e a ro p t i c s ，o p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ， g a i nb a n d w i d t h ，d i v e r g e n c ea n g l e ，g a u s s i a nb e a m ，u l t r a - s h o r tp u l s el a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：参) 冬，a 1 )签字日期：工9 。7 年；月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：引辱钠 签字日期：砂印7 r 年岁月日 新签名：专甍蚨 气， 一 、 导师签名：弋萝妥砌k 叶“- z 、 签字日期：b 年1 月1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超短脉冲激光技术及应用 激光又称“镭射刀，译自英文。l a s e r 一，它是英语词组l i g h ta m p l i f i c a t i o nb y s t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n 的缩写，该词形象地描述了激光产生于受激辐射 这一物理本质。 19 6 0 年，美国科学家梅曼( t h e o d o r eh m a i m a n ) 先生成功研制了世界上第 一台红宝石固态激光器i l j ，产生了如理论所预期的，也正是人们所梦寐以求的单 色相干光源，从此开启了激光技术及其应用的新时代。四十余年来，激光以其独 特的单色性、相干性、方向性和超高强度获得了广泛的应用和发展，迄今几乎渗 透到所有的自然科学领域，已经而且必将继续深刻地影响着当代科学技术的发展 和变革。而激光产业也将因其强大的生命力和巨大的发展潜力成为二十一世纪的 一项重要产业。 激光器按其工作方式来划分，可分为连续激光器和脉冲激光器两大类。脉冲 激光由于具有脉冲宽度窄、峰值功率高的特性，在许多领域有着广泛的应用。在 激光器出现不久，人们就开始寻求脉宽更短、峰值功率更大的脉冲激光光源。而 飞秒( f s ) 激光则是一种脉冲宽度极窄( 达到f s 量级，l f s = 1 0 。1 5 s ) 、而峰值功率 可达t w ( 1 0 1 2 w ) 甚至p w ( 1 0 1 5 w ) 量级的超短脉冲激光。1 9 8 1 年，美国贝尔 实验室的福克( r l f o r k ) 等人利用被动锁模机制研制出了碰撞脉冲锁模( c p m ) 染料激光器，首次获得了飞秒量级的激光脉冲【2 】，此后随着锁模技术和新型激光 材料的应用，飞秒激光技术获得了空前的发展和应用。 飞秒激光因为其持续时间极短，只有几十个f s 甚至几个f s 的时间，它的最直 接应用领域就是超快光谱学，用飞秒激光脉冲来探测物理、化学以及生物等学科 中的一些超快现象和超快过程，这种短至几个飞秒的时间分辨率是用其他方法无 法达到的。飞秒激光虽然平均功率不大，但因为它的能量可以集中在极短的时间 内，则可以形成超强的峰值功率，进而可以创造一些极端的物理条件，这使得飞 秒激光在强场与物质相互作用等研究领域发挥着不可替代的作用。随着人们对飞 秒激光研究的深入和发展，飞秒激光的应用也越来越广泛。例如高能量的飞秒脉 冲激光与等离子体相互作用产生高次谐波及x 射线，可用于惯性约束核聚变，实 现快速点火；利用飞秒激光作超精细微加工，加工尺度可以突破受波长限制的瑞 利衍射极限；高功率飞秒激光还可以击穿大气，制造放电通道，实现人工引雷， 第一章绪论 避免飞机、火箭、发电厂等因天然雷击而造成的灾难性破坏；利用飞秒脉冲激光 还可以产生波长极长的光脉冲，如根据光导激发机制或光整流效应，利用飞秒脉 冲激光作泵浦源可以产生波长在远红外波段的太赫兹光波，可用于探测和成像等 等。所有的这些应用或与人们的生活密切相关，或为人们探索大自然的奥秘提供 更有力的工具，也成为飞秒激光技术发展和前进的动力。 飞秒激光的应用依赖于其技术的发展，下面让我们简短回顾一下飞秒激光 的发展历程：飞秒激光产生以前，采用调q 技术可以获得纳秒( 1 0 。9 s ) 量级的脉 冲激光，随后锁模技术的发展和应用，使脉冲激光迅速进入皮秒( 1 0 。1 2 s ) 时代【3 1 。 1 9 8 1 年，福克等人利用碰撞脉冲锁模( c p m ) 染料激光器输出第一束飞秒量级的 激光脉冲1 2 l ，19 8 5 年v a l d m a n i s 等人在c p m 环形染料激光器中引入低损耗的布儒斯 特棱镜组进行腔内色散补偿，获得- 2 7 f s 的超短脉冲【4 】。1 9 8 7 年，福克等人又运 用光纤棱镜光栅对压缩技术把染料激光器输出的脉冲宽度压缩到6 f s ，这种 6 2 0 n m 为中心波长的波包大致相当于三个光学周期，也是当时所能获得的最短脉 冲，这一最短记录也维持了达十年之久。以上的飞秒激光器仅限于碰撞脉冲锁模 染料激光器，由于染料激光器的增益介质是液体，需要采用喷流形式，结构复杂， 难以调试，不利于使用和携带，难以小型化和实用化。但是当时的固体激光增益 介质如n d ：y a g ，n d ：g l a s s 等荧光带宽窄，无法支持更窄的飞秒激光脉冲。 1 9 8 2 年，m o u l t o n 第一次实现了以一种新型的固体激光材料，即掺钛蓝宝石 晶体( t i ：s a p p h i r e ) 为工作物质的激光器 5 】，为飞秒激光技术的发展开辟了全 新的发展空间。这种钛宝石晶体具有很宽的增益带宽( 6 5 0 n m 1 2 0 0 n m ) ，很高的 非线性折射率，在高峰值光强下可以对高斯脉冲产生自聚焦，导致克尔透镜锁模 效应( k e r rl e n sm o d e - l o c k i n g 1 l m ) 的产生。此外，钛宝石还具有其作为基 质的材料优势，如具有较高的热导率和熔点，硬度大，化学性质稳定等，钛宝石 以其优良的特性成为飞秒激光器的最理想的增益介质。以钛宝石为增益介质的 固体飞秒激光器最早是由英国的斯潘塞( d e s p e n c e ) 等人研制成功的，他们利 用s f l 4 棱镜插入谐振腔，补偿钛宝石激光器的腔内色散，获得了6 0 f s 的激光脉 冲【6 】。随后h a u s 等人提出了光克尔透镜锁模理论，揭示了钛宝石飞秒激光器的 克尔透镜锁模机制1 7 j 。此后，采用不同的色散补偿技术和脉冲压缩技术，世界上 多个实验室在缩短激光脉冲宽度上展开了一场激烈的竞赛，飞秒激光脉冲宽度最 小记录也一次次被改写。表1 1 大致记录了钛宝石固体激光器的发展历程。 当然，除钛宝石之外，人们还开发出许多飞秒激光增益介质材料，如 c r ：l i s g a f 、c r ：l i s a f 、c r ：f o r s t e r i t e 、c r ：y a g 等，以这些材料为增益介质的k l m 激光器拓宽了固体飞秒激光器的波长范围。此外半导体可饱和吸收镜 ( s e s a m - - s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l em i r r o r ) 的使用实现了k l m 激光器的自启 第一章绪论 动，使固体飞秒激光器可以获得更加稳定的锁模输出【8 1 。 表1 1 钛宝石飞秒激光器的发展历程 输出激光脉 参考文献年份采用技术 冲宽度 d e s p e n c ee ta 1 ，【7 】 1 9 9 16 0 f ss f l 4 玻璃棱镜对进行腔内色散补偿 9 m m 长钛宝石晶体l a k l 2 1 玻璃棱镜 c p h u a n ge ta 1 ，【9 】 1 9 9 21 7 f s 对进行腔内色散补偿 4 5 r a m 长高掺杂钛宝石晶体 m t a s a k ie l ：a 1 ， 1 0 】1 9 9 31 l & 石英棱镜对腔内色散补偿 2 m m 长钛宝石晶体 j p z h o ue ta 1 ，【1i 】 1 9 9 48 5 f s 石英棱镜对腔内色散补偿 用啁啾镜作为反射腔镜，同时作为色散补 a s t i n g te ta 1 ，【1 2 】 1 9 9 58 f s 偿元件 四镜环行腔，同时利用啁啾镜进行腔内色 l x ue ta 1 ，【1 3 】1 9 9 67 5 f s 散补偿 i d j u n ge ta 1 ，【1 4 】 1 9 9 76 5 f s 石英棱镜对和双啁啾镜联合补偿腔内色散 先用单模光纤展宽光谱，再用棱镜光栅 a b a l t u g k ae ta 1 ， 15 】 1 9 9 74 9 f s 压缩器进行腔外压缩 用填充氪气的石英中空光纤展宽光谱，用 m n i s o l ie ta 1 ，【1 6 1 9 9 74 5 f s 小顶角的双石英棱镜对和啁啾镜进行腔外 色散补偿 低色散的c a f 2 棱镜对和双啁啾镜联合进 u m o r g n e re ta 1 ，【1 7 】 1 9 9 95 4 6 行腔内色散补偿 用b k 7 玻璃片的自相位调制效展宽光谱， r e l ie t a l ，【1 8 】2 0 0 l5 6并且利用c a f 2 棱镜对和啁啾镜对进行腔 内色散补偿 中间带有啁啾镜压缩器的两根填充氩气的 b s c h e n k e le ta 1 ， 19 】2 0 0 33 8 6 中空光纤展宽光谱，利用s p i d e r 测量位 相并反馈给s l m 进行位相补偿 利用填充氩气的中空光纤展宽光谱，利用 k y a m a n ee ta 1 ，【2 0 】2 0 0 33 4 f s改进的m s p i d e r 测量位相，结合s l m 进行位相补偿，经过两次位相反馈 k y a m a n ee ta 1 ，【2 1 】2 0 0 42 8 f s对上一实验进行改进 3 - 第一章绪论 在国内，建立于19 8 2 年的天津大学超快激光研究室是最早从事飞秒激光技 术研究的实验室。二十余年来，该研究室一直紧跟国际发展趋势，在国内最早开 展了该方面的研究工作。1 9 9 2 年该室在国内首次实现了掺钛蓝宝石自聚焦锁模 运转，获得脉冲宽度为l8 4 f s 的飞秒激光【2 2 1 。第二年，该室又降低了钛宝石激光 器自锁模运转的泵浦阈值，在3 8 w 泵浦水平时获得1 8 0 f s 的锁模脉冲1 2 3 1 。1 9 9 7 年又采用小曲率半径球面镜组成谐振腔，获得脉宽为1 5 f s ，光谱宽度为4 7 5 n m ， 输出平均功率为4 2 m w 的稳定自锁模运转【2 4 1 。2 0 0 5 年利用宽带啁啾镜( c m ) 与 熔石英棱镜对结合优化色散补偿，从掺钛蓝宝石振荡器中获得具有带宽大于 1 0 0 n m 、光谱结构光滑的亚4 个光学周期脉冲。该激光器输出脉冲的中心波长在 7 8 0 r i m 处，最短脉冲宽度为8 f s ，最宽的光谱半宽度为l8 0 n m 2 5 1 。同时该研究室 在用其他固体材料为增益介质的飞秒激光技术研究方面也有新的进展，1 9 9 7 年 利用国产c r ：l i s a f 晶体，在9 0 0 m w 的4 8 8 n m 的单谱线氩离子激光的泵浦下， 在腔内不加任何主动锁模和被动锁模器件的情况下，获得了平均功率为4 5 m w 、 脉冲宽度为4 0 f s 的稳定的自锁模运转 2 6 1 。国内其他单位如上海光学精密机械研 究所在1 9 9 3 年也实现了钛宝石飞秒激光器的锁模运转，输出脉冲宽度为9 2 f s ， 光谱宽度是8 5 n m ，平均功率是2 0 0 m w 27 | 。西安光学精密机械研究所也成功研 制了可调谐自锁模钛宝石激光器，脉冲宽度为8 9 f s ，而后又获得4 8 f s ，平均功率 为7 0 m w 的稳定锁模脉冲序列1 2 8 - 3 0 。1 9 9 4 年中山大学亦实现了钛宝石激光器的 自锁模运转，他们采用熔融石英棱镜对进行色散补偿获得了2 6 f s ，平均功率为 5 6 0 m w 的锁模脉冲序列 3 。2 0 0 2 年他们又采用软光阑实现增益调制锁模的方法， 获得最宽谱宽为1 4 4 n m ，并在中心波长7 1 0 n m 附近得到了8 5 f s 的飞秒激光p 引。 从1 9 8 1 年至今，飞秒激光技术已走过了二十余年的发展历程，但这二十年 仅仅是飞秒激光技术及其应用的开端，更窄、更强的飞秒激光以及其更加广阔的 应用前景正等待着我们去开发和探索。 1 2 啁瞅脉冲放大及光参量啁啾脉冲放大技术概述 飞秒脉冲激光振荡器直接输出的平均功率一般只有几毫瓦到几百毫瓦，重复 频率为1 0 0 m h z 左右，单脉冲能量约为几皮焦到几十皮焦。这样的输出参数往往 不能满足许多实际的需要，如强场物理的研究。因此需要对振荡器输出的脉冲进 行放大，以获得极高的峰值功率，满足科研以及实际应用的需要。 但是，飞秒激光脉冲由于它极高的峰值功率，不能象连续激光和一般的脉冲 激光那样直接放大，因为放大过程中，高的光强会产生各种非线性效应，影响激 光脉冲质量，而且过高的峰值功率还会对放大器中的光学器件和增益介质造成不 第一章绪论 可逆转的破坏。借助于啁啾雷达技术的思想，人们发明了啁啾脉冲放大技术 ( c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n - - c p a ) 【3 3 1 。提出这种啁啾脉冲放大系统的出发点 就是为避免高峰值功率的不利影响，将振荡器输出的飞秒激光脉冲在时域上展宽 到皮秒甚至纳秒量级。首先使用色散元件使脉冲产生一定的啁啾，然后再通过放 大器吸取足够的能量，其放大器就是一段处于集居数反转状态的工作物质，当光 通过时，因受激辐射占优势而被放大，最后激光脉冲再由一个能提供相反色散的 压缩器将脉冲压缩到原来的脉宽量级。由此可见，一个啁啾脉冲放大系统应由以 下四个基本单元组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器，经过这四个部分的先 后作用后，脉冲峰值功率通常可以提高几个数量级，最高可达几百太瓦( t w ) 甚至拍瓦( p w ) 量级。 上述介绍的c p a 系统中激光放大的物理机制是激光通过处于粒子数反转的 增益介质，经受激辐射而放大，然而由强光与非线性介质作用的二阶非线性效应 引起的三波混频也可以实现光的放大，这就是光参量放大( o p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o n - - - o p a ) 。光参量放大是将一束强的泵浦光和一束弱的信号光同时入 射到非线性晶体中，在满足一定的条件时，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。这种放大过程与光的受激辐射放大有本 质的不同，它是泵浦光子分裂成信号光子和闲频光子将能量转移到信号光，实现 信号光的放大，并且在这个耦合作用中，三波的能量和动量保持守恒。在激光器 出现不久，光参量放大因其在非线性光学频率变换和调谐技术上的应用，就一直 是激光和非线性光学领域的热点研究方向。 随着飞秒激光技术和非线性介质材料的发展和应用，光参量放大技术显示出 其在飞秒激光放大方面的优势，它具有很高的单程增益，很大的调谐范围和极宽 的增益带宽，还可以获得高质量的激光光束和高的能量转换效率，另外光参量放 大还不受放大自发辐射( a s e ) 的影响，放大信号信噪比高。结合啁啾脉冲放大 和光参量放大技术，一种新型的超短脉冲激光放大方式就应运而生了，这种技术 被称为光参量啁啾脉冲放大( o p t i c a l p a r a m e t r i c c h i r p e d p u l s e a m p l i f i c a t i o n - - - o p c p a ) ，是由d u b i e t i s 等人于1 9 9 2 年最先提出的【川。其后在 r o s s ，w i l h e l m 等人的推动下光参量放大技术迅速发展起来。尤以19 9 7 年r o s s 等人提出了几种十个拍瓦( 1 0 p w ) 量级峰值功率的o p c p a 的设计方案【3 5 1 ，o p c p a 在超短脉冲放大方面的潜力和优势获得了广泛的认同，也促使光参量啁啾脉冲放 大技术很快成为获得超强超短脉冲激光的一种重要途径。 光参量啁啾脉冲放大系统与啁啾脉冲放大具有相同的基本原理，只是用光参 量放大器代替了通常使用的激光放大器，正是这样有效地避免了受激辐射放大的 缺点，发挥了光参量放大在飞秒激光放大方面的优势。如钕玻璃( n d ：g l a s s ) c p a 第一章绪论 系统可以实现大功率脉冲激光的放大，但由于受自身荧光带宽的限制，钕玻璃所 能放大的脉冲的波段和带宽受到严格的限制，最短也只适合于支持亚皮秒脉冲的 放大。钛宝石晶体虽然可以提供超宽带的激光放大，但受限于较小的晶体尺寸， 不适合进行高峰值功率的脉冲放大。因此，光参量啁啾脉冲放大技术一提出就获 得了广泛的关注，随着非共线光参量放大( n o n c o l l i n e a ro p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o n - - n o p a ) 技术的发展【3 6 - 弱j ，更加显示了光参量放大在超宽带激光放 大技术方面的潜力。 目前，从光参量啁啾脉冲放大器的发展现状和趋势上看，有三个主要的发展 方向：一是朝超大功率方向发展，利用多级放大和大块的k d p 和l b o 晶体，获 得拍瓦级的峰值功率。超高峰值功率( t w 到p w ) 的激光放大通常采用纳秒或 亚纳秒的n d ：g l a s s 、n d ：y a g 脉冲激光泵浦，种子光取自于一个同步的钛宝石飞 秒激光器。光参量放大器采用多级放大形式，通常最后一级采用能够生长成很大 块的晶体材料，如k d p 或l b o 。最后通过压缩可获得极高峰值功率的脉冲激光， 但一般脉宽不会压缩得太窄，大约几百个f s 。因为要吸收足够大的能量，这种高 峰值功率的激光脉冲的重复频率不会很高，一般1 0 个h z 左右。1 9 9 2 年这种光 参量啁啾脉冲放大系统采用b b o 晶体获得最高0 9 g w 的峰值功率【3 4 】，脉宽宽度 为7 0 r s ，直到2 0 0 0 年由r o s s 等人首次获得太瓦量级的峰值功率，达1 3 t w ”】。 最近o p c p a 系统已进入百太瓦量级，可以获得脉宽8 5 f s 、单脉冲能量3 5 j 、峰 值功率达3 5 0 t w l 4 0 1 ，以及脉宽4 5 f s 、单脉冲能量1 4 5 j 、峰值功率达2 0 0 t w 的 飞秒激光脉冲1 4 ，距离突破p w 量级仅有一步之遥。在国内上海光机所分别于 2 0 0 2 年获得1 5 5 f s 、3 6 7 t w 的峰值功犁4 2 | ，2 0 0 3 年获得1 2 0 f s 、1 6 7 t w 的峰值 功率1 4 3 ，这些指标目前在国际上也是领先水平。图1 1 标示了近几年光参量啁啾 脉冲放大技术的发展历程。 图1 - 1 高峰值功率o p c p a 的发展历程 第一章绪论 二是利用光参量放大器极宽的增益带宽，支持脉宽极窄的超短脉冲激光的放 大，积极开发和探索新的技术和方法，近一步挖掘光参量放大器增益带宽的潜力， 使o p c p a 可以支持短至几个飞秒甚至单个光学周期的超短脉冲的放大。最初的 光参量放大采用共线形式，目前这种方式所获得的最短的脉冲宽度是1 4 5 f s j 。 随后人们又采用多通光参量放大技术，使信号光多次通过增益介质，每次分别放 大不同的光谱成分【4 5 】，或者采用多光束泵浦，每一束泵浦光分别放大不同的光谱 区1 4 6 , 4 7 1 。当然对光参量啁啾脉冲放大影响最大的技术当属非共线光参量放大【3 6 - 圳，在这种非共线相位匹配形式下，可以同时实现宽带相位匹配和群速匹配，其 后的多色相位匹配、角色散相位匹配、双光束泵浦的o p c p a 等都是在此基础上 发展起来的，具体的技术和方法将在本论文的第三章作详细的分析。超短脉冲放 大技术同时伴随着脉冲压缩或相位补偿技术的发展，1 9 9 8 年，c e r u l l o 等人采用 小顶角棱镜和啁啾镜补偿放大后脉冲的色散，获得5 3 5 n m 7 9 0 n m 连续调谐的小 于8 f s 的放大的信号光脉冲，脉宽最窄为7 2 幺，单脉冲能量为2 1 4 8 。同年， s h i r a k a w a 等人采用波前匹配技术( p u l s ef r o n tm a t c h e d ) ，并使用棱镜光栅对或 棱镜啁啾镜补偿色散，得到了脉宽为6 1 f s 的脉冲【4 9 1 ，并且实现在可见光谱区 ( 5 5 0 7 0 0 n m ) 的连续调谐。次年同一科研小组采用类似的放大系统，采用啁啾 镜预压缩超连续种子白光，又进一步将脉宽压缩到4 7 f s 5 0 】。目前所知通过非共 线光参量放大技术所能获得的最短脉冲宽度是3 9 f s l 5 1 】，同时实现了带宽达 2 5 0 t h z 的相位匹配，其中采用了种子光预压缩、泵浦光展宽、波前匹配、群速 匹配、自适应反射镜补偿色散等多种技术。 第三，小型化、低功率的o p c p a 系统也是当前的研究热点，这种o p c p a 系 统的特点是结构小巧，功率中等( 一般达太瓦或亚太瓦) ，输出稳定，转换效率 高，可以设计成实验室桌面激光系统。在激光放大介质方面，除了通常采用的 b b o 晶体外，现在采用准相位匹配技术的周期性极化晶体材料( p e r i o d i c a l l yp o l e d c r y s t a l s ) 倍受青睐，包括周期极化l i n b 0 3 凹l n ) 、周期极化k t i o p 0 4 晶体 ( p p k t p ) 等。这些周期性极化晶体材料因为其高的增益系数和放大光束质量， 较低的角度敏感性以及很方便实现频率调谐，使之成为小型化、全固态o p c p a 系统发展过程中比较有前景的激光增益介质【5 2 】。 光参量啁啾脉冲放大技术因可以获得极高峰值功率，短至几个光学周期的超 短激光脉冲，使其成为一种可以产生高性能飞秒激光脉冲的重要途径。随着非线 性晶体材料、超宽带相位匹配技术的发展以及各种实验条件和水平的改进，相信 未来它在推动飞秒激光技术的发展和应用方面必将发挥更大的作用。 第一章绪论 1 3 本论文的主要工作与创新 本篇论文对光参量啁啾脉冲放大系统的超短脉冲激光放大技术进行了系统 的理论研究，主要针对其支持超宽带飞秒激光放大的方式、方法以及原理作了深 入而细致的研究。考察了前人所提出的各种提高光参量放大带宽的方法，包括非 共线光参量放大、双光束泵浦光参量放大、角色散相位匹配等，在此基础上提出 了可以提高光参量放大增益带宽的新的方式并给出了严格的理论上的验证和计 算。 我们在研究三波耦合方程的过程中，分别考虑了高斯光束的发散特性以及泵 浦光是具有一定频域宽度的脉冲光，而不是象通常的方法把它作为平面波和准单 色光来处理，理论计算表明泵浦光束的发散角和带宽都可以提高光参量放大的增 益带宽，这也正是本论文研究内容的创新之处。在具体的理论计算中，我们主要 采用的是b b o 晶体的i 类光参量放大方式，并应用傅立叶变换、龙格库塔算法、 m a t l a b 等数学工具和计算机工具求解了信号光和泵浦光为高斯光束时的三波耦 合方程组，计算了泵浦光在不同发散角和带宽下光参量放大的增益和带宽，从理 论上验证了提高光参量放大的增益带宽的可行性，这对于光参量啁啾脉冲放大系 统产生高增益，宽带的输出脉冲有着积极的意义，同时本文的结果也为分析非理 想平面波泵浦的o p a 和o p c p a 的增益和带宽提供更接近实际的理论指导。 第二章光参量放大理论基础与b b o 晶体简介 第二章光参量放大理论基础与b b 0 晶体简介 在非线性光学中，非线性介质在光的混频过程并不参与能量的净转换，沿用 电子学中的名称，将非线性光学过程中，介质本身不参与能量的净交换，但光波 频率可以发生转换的作用称为光参量转换作用。参量转换作用分为参量上转换和 参量下转换，光能量从频率较低的光波转换为频率高的光波辐射，如和频产生过 程，叫参量上转换。而对应于差频过程来说，能量从频率高的光波转换为频率低 的光波辐射，叫参量下转换。光参量放大就是属于参量下转换的一种差频过程。 本论文所讨论的光参量放大是以b b o 晶体材料为介质的非线性过程，本章将介 绍有关光参量放大的基本理论和b b o 晶体材料的特性。 2 1 非线性光学与光参量放大理论 光在介质中传播时，由于光波电磁场的作用，使介质产生极化，光场是随时 间和空间分布的，因此产生的极化强度p 也是时间和空间的函数。在弱光的作用 下，对于各向同性介质，极化强度p 和电场e 之间存在简单的线性关系： p = 6 0 z e e 公式( 2 1 ) 厄为电极化率，是与介质性质有关的系数。若入射电场强度为 e = e o c o sc o t 公式( 2 - 2 ) 则极化强度为g p = 6 0 x , e o c o s a t t 公式( 2 - 3 ) 可见，极化强度p 与入射光具有相同的频率，它所激起的辐射也只含有的频 率成分。如果有几种不同频率成分的光同时入射到介质中，这几种频率的光各自 独立转播，互相之间不会发生耦合作用，也没有新的频率成分的光出现，在光波 重叠区域，电场满足矢量叠加关系，这就是线性光学。 然而，当入射光强足够大时，p 和e 之间不再满足线性关系，极化强度将存 在非线性项： p - - e o z ( 1 ) e + 6 0 z ( 孙：e e + s o z ( 3 ) j e e e + + 占o z ( 一) ie e + 公式( 2 - 4 ) 其中第一项为线性极化项，第二、第三项、第r l 项分别为二阶、三阶、 第n 阶非线性项，n 阶极化率z 为n + l 阶张量。由于非线性极化项的存在，多 第二章光参量放大理论基础与b b o 晶体简介 个频率的光波同时入射到非线性介质中，它们产生的极化强度将是这几个光波相 互耦合的结果，不仅不同频率之间会发生能量的转换，还可以产生新的频率的光 子。这就是光混频效应，而光参量放大正是一种三波混频效应，是由二阶非线性 效应引起的。 三波混频效应包含和频和差频效应。具体地说，对于角频率为卜2 和3 的光，且满足( 1 9 3 = 1 j ) 1 - 1 - o ) 2 ，当入射光是，和2 时，在一定条件下，由于二阶非 线性效应，将产生频率为3 的非线性极化强度，这个极化强度则可以产生频率 为c 0 3 的光辐射，这就是和频产生过程。当入射光为c o ，和3 时，同理由于二阶 非线性作用，将产生频率为铆的非线性极化强度，此极化强度作为一个激励源 可以激发出频率为2 的辐射，这是差频产生过程。光参量放大正是这种差频产 生的三波混频，输入光中频率高的光波称为泵浦光，一般初始输入光强较大，频 率较低的为弱的信号光，泵浦光和信号光同时入射到非线性晶体时，由于二阶非 线性的作用，每湮灭一个泵浦光子，将产生一个信号光子和一个闲频光子，这样 泵浦光强削弱的同时，信号光和闲频光将得到放大。 当然，有效的光参量放大需要满足一定的条件，即要满足能量守恒和动量守 恒条件： p2 j + j k p = k ，+