（光学工程专业论文）光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究.pdf

光参量啊啾脉冲放人的增益稳定性研究 论文摘要 本论文对光参量啁瞅脉冲放大( o p c p a ) 输出的增益稳定性问题及其相关技术进行 了深入研究，主要内容如下： 1 综述了超短超强脉冲激光技术的进展，比较了钛宝石、钕玻璃啁啾脉冲放大( c p a ) 系统和o p c p a 系统的各自特点。 2 建立了用于o p c p a 的理论计算模型，分析了o p c p a 中的相位匹配理论，总结了 b b o 、l b o 和k d p 晶体光参量放大的增益特性。 3 完成了光参量放大增益输出稳定性的理论分析和模拟计算，得出通过优化泵浦光 和信号光强度，选择合适的晶体及晶体长度，使光参量放大工作在深度增益饱和状态， 可以在很大程度上改善光参量放大输出稳定性的重要结论。 4 提出和优化设计了多种改善o p c p a 输出稳定性的方法：首先，提出利用周期极 化晶体来实现前级光参量饱和放大，理论分析可以获得1 0 5 以上的饱和放大增益和大于 2 0 的能量转换效率；其次，针对光参量放大技术中泵浦光和信号光同步抖动将严重影 响光参量放大的增益输出稳定性，设计了两种可能实现零延时同步的方法；最后，针对 泵浦光强度不稳定也是影响参量放大增益稳定性的一个主要因素，设计了一种利用参景 放大技术整型泵浦光的新方法，并利用该技术结合s i l e x 1 装置前端进行了优化设计， 模拟计算表明信号光经光参量放大后输出脉冲峰值抖动可控制在3 范围内。 5 设计了基于超连续谱注入产生及放大1 0 5 3 n m 宽带飞秒脉冲光的光参量放大实验 方案，该技术不仅克服了1 0 5 3 n m 在前端小能量放大时的增益窄化现象，而且可以提供 极高飞秒量级的脉冲对比度，实现了宽带8 0 0 r i m 波长激光和宽带1 0 5 3 n m 波长激光的零 时间同步；在实验中利用超连续谱注入提高了光参量放大的能量转换效率，特别重要的 是利用超连续谱注入改善了信号光的发散角和能量输出稳定性，利用两块l n 晶体，获 得了中心波长1 0 5 3 r i m 、最大光谱带宽6 5 n m 、最大能量4 6 m j 、转换效率接近15 和能 量稳定性为1 1 9 ( r m s ) 的实验结果。 关键词：超短超强激光，光参量啁啾脉冲放大，增益稳定性，增益饱和，时间同步，光 参量产生，超连续谱 垄耋苎堡坠坠堡垒查竺丝耋矍至篁塑圣 a b s t r a c t t 1 1 i st h e s i sp r e s e n t sd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so ng a i ns t a b i l i t yo f 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 ( o p c p a ) s y s t e mt h em a i na c h i e v e m e n ta r e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h eh i s t o r i e so fu l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s i t yp u l s el a s e rd e v e l o p m e n ta r er e v i e w e d d i s c u s s i o n sa b o u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo p c p a ，t i ：s a p p h i r ea n dn d ：g l a s s s y s t e m sa r ep r e s e n t e d 2ad e t a i l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo fo p c p aa r e e s t a b l i s h e ds o m eb a s i ct h e o r i e so f o p c p a ，s u c ha s ，g a i ns t a b i l i t yp r o p e r t i e s ，p h a s em a t c h i n g ， w a l k - o f fi ns p a c ea n dt i m e ，e t a i ，a r ee l a b o r a t e dt h eg a i np r o p e r t yo fo p c p ai nb b o ，l b o a n dk d pc r y s t a li sc o n c l u d e da n dc o m p a r e d 3t h eg a i ns t a b i l i t yo f o p c p a s y s t e mi ss t u d i e di ns m a l ls i g n a lg a i na n dg a i ns a t u r a t i o n b a s e do no u ra n a l y s i s ，b e t t e ro u t p u tg a i ns t a b i l i t yi nt h ec a s eo fs t r o n gs a t u r a t e da m p l i f i c a t i o n c a nb ea c h i e v e db ye l a b o r a t i v e l ys e l e c t i n gt h ep u m pi n t e n s i t y , s i g n a li n t e n s i t ya n dc r y s t a l l e n g t h 4 i no r d e rt oi m p r o v eo u t p u tg a i ns t a b i l i t y , s e v e r a lm e t h o d sa r ed e m o n s t r a t e da s f o l l o w i n gf i r s t l y , t h ep p k t pc r y s t a li sd e s i g n e dt oa c h i e v es a t u r a t e do 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 ni nt h ec a s eo fs m a l ls i g n a l s e c o n d l nt w on o v e ls c h e m e sa r ep r o p o s e da n d i n t r o d u c e dt or e a l i z et h ep r e c i s et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o no ft h ep u m pa n ds i g n a lp u l s ei n o p c p as u c ha st h ei n j e c t e dr e g e n e r a t i o na m p l i f i e ra n ds p e c t r u mt i m ee x p a n d e dt e l e s c o p e t h i r d l y , an o v e lp a r a m e t r i ca m p l i f i e rt e c h n i q u ei sp r o p o s e dt os h a p et h ep u m pp u l s ew i t h b e r e rp u l s ec u r v ea n de n e r g ys t a b i l i t y b a s e do nt h eo p c p a t e c h n i q u e ，an e ws c h e m ei n s t e a d o f t h ef i r s ts t a g ea m p l i f i e ro fs i l e x 一1l a s e rf a c i l i t yw a sp r o p o s e da n dd e s i g n e d ，t h r o u g ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h eo u t p u te n e r g yv a r i a t i o no fs i l e x 一1c a l lb ec o n t r o l l e d i nt h er a n g eo f 3 5 i nt h ec a s eo fc o m b i n i n gt h et e c h n i q u e so fo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e rw i t h s u p e r - c o n t i n u u ms p e c t r u mg e n e r a t i o n ，an o v e lc o n c e p tt od e v e l o pt h eh i g hs t a b l eo p as y s t e m i sd e m o n s t r a t e da tt h ef i r s tt i m et h e r ea r em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ，s e v e r a lm i l l i - j o u l e s i g n a le n e r g ya t1 0 5 3 u m ，e x t r e m e l yh i g hc o n t r a s tr a t i ow i t h i nf e m t o s e c o n d ，z e r oj i t t e rt i m e d e l a ys y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e n8 0 0 - n ma n d1 0 5 3 - n mp u l s ec a nb eo b t a i nd i r e c t l y i no u r e x p e r i m e n t ，t w o l i n b 0 3c r y s t a l so f 6 0 6 0 1 5 r a ms i z e w e r eu s e d ，w h i c h w a s p u m p e db ya 1 2 0 一f sa t8 0 0 一n ml a s e rp u l s e t h em a x i m u ms i g n a lo u t p u te n e r g yr e a c h e d4 6 - m jw i t h1 1 9 e n e r g ys t a b i l i t y ( r m s la t1 0 5 3 一n i n t h ec o r r e s p o n d i n ge n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw a s1 5 t h ee x p e r i m e n ta l s od e m o n s t r a t e dt h es p e c t r u mb a n d w i d t ho f6 5 - m nc o u l db ea t t a i n e d 兰童苎堡坠壁堡墼奎墼堡苎丝塞兰堑塞 k e yw o r d s ：u l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s i t yp u l s el a s e r ；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 e a m p l i f i c a t i o n ；g a i ns t a b i l 时；g a i ns a t u r a t i o n ；t i m es y n c h r o n i z a t i o n ；o p t i c a lp a r a m e t r i c g e n e r a t i o n ；s u p e r - c o n t i n u u ms p e c t n m l ； l 独创性声明 矿8 0 9 9 4 4 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二r _ 作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他 教育机构的学位或证忙使用过的材料。与我一刷丁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谢意。 学位硷文作者签名 膨一棚 签字日期：铷0 名咱百 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使 用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授 权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名 依瓜 签字日期：撼咱刊j 导师签名 签字日期 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 第一章绪论 1 1 超短超强脉冲激光技术的进展 超高峰值功率输出一直是激光技术发展所追求的目标之一【l - 6 。自1 9 6 0 年激光发明 以来，激光峰值功率通过一系列的新技术被不断提耐”。六十年代调q 技术和锁模技术 的发展，分别将激光的脉冲宽度缩短了三个量级，与此同时，激光脉冲的峰值功率分别 相应地提高了约三个量级。激光脉冲宽度和峰值功率分别达到了皮秒量级和吉瓦水平。 其后二十年内激光的峰值功率未能显著提高，此时主要靠增加光束工作口径和束数来提 高脉冲总的峰值功率。这是因为当激光强度达到g w c m 2 时，光学介质的非线性折射率 系数n 2 引起的b 积分将起到显著作用。当b 积分值达到兀值时，将导致激光发生全口径 自聚焦和小尺度自聚焦，并最终破坏光学介质，从而阻碍了激光峰值功率被放大至更高 的水平。 针对上述问题，gm o u r o u 及其合作者于8 0 年代中后期提出了啁啾脉冲放大( c p a ) 的概念 ”，这是超短超强脉冲激光发展的一个重要里程碑。c p a 技术的基本思想是将非 常窄的种子光脉冲在时域上展宽，然后进行充分放大，以便提高放大器的能量抽取效率 和克服放大过程中非线性效应的影响，脉冲获得足够的能量后，再将脉宽压缩以获得高 峰值功率的激光脉冲。八十年代后期掺钛蓝宝石晶体的问世和九十年代初k l m 掺钛蓝 宝石飞秒激光器的研制成功【9 】，并与c p a 技术紧密结合，使得超短脉冲激光的峰值功率 大幅提高，可以在很小的台面激光装置上获得太瓦( 1 0 “w ) 量级峰值功率输出。近几 年，随着激光脉冲脉宽的进一步缩短和能量的进一步提高，超高峰值功率的激光技术得 到了进一步发展 1 。1 “，峰值功率己能达到百太瓦和拍瓦以上，聚焦功率密度可达到 1 0 2 1 w c m 2 。c p a 技术是产生这类超短超强脉冲峰值功率激光器的革命性技术，它在调 q 和锁模技术的基础上，大幅度地提高了激光器的输出峰值功率。 c p a 技术按放大介质不同来分类，目前主要有钕玻璃和钛宝石两类。它们都具有各 自的特点及其局限性。基于钕玻璃的高储能和大口径，啁瞅脉冲放大的钕玻璃激光器在 世界上首先实现了太瓦级功率输出 1 。但受钕玻璃增益带宽较小的限制，啁啾脉冲放大 的钕玻璃激光器只能输出亚皮秒( - - 0 5 p s ) 的激光脉冲，并且大能量输出时，对应地还 需要使用大口径的压缩光栅。l l n l 实验室利用n o v a 装置的一路，建立了1 5 拍瓦 ( 6 6 0 j 4 4 0 f s ) 功率输出的p e t a w a t t 装置【1 ”。啁啾脉冲放大的钛宝石激光器是当前商品化程 度最高，实现太瓦至百太瓦级功率输出的飞秒脉冲激光装置中最为普遍的一类。钛宝石 具有极宽的增益谱宽( 2 3 0 n t o ) ，可以支持极窄的激光脉宽输出( 3 啦) ， 因此相对较小 的钛宝石激光装置就可以输出极高峰值功率脉冲，适合于各类规模的实验室使用。日本 原子能研究所于1 9 9 8 年研制成一台1 0 h z 重复率工作的超强超短脉冲激光装置( j a e r i ) 光参量啁瞅脉冲放大的增益稳定性研究 “，其输出激光功率为1 0 0 t w ，脉冲宽度为1 9 f s ，聚焦功率密度达1 0 2 0 w c m 2 。该装置 于2 0 0 3 年已升级到8 5 0 t w 3 2 9 f s l l “。钛宝石c p a 系统的最终峰值功率将取决于绿光激 光的泵浦能量、钛宝石晶体的研制口径以及大口径钛宝石晶体中放大自发辐射的抑制技 术等。 随着超短脉冲激光技术发展的日趋成熟，峰值功率已能达到拍瓦以上，聚焦功率密 度可达到1 0 ”w c m 2 ，如此高强度的激光脉冲，可以创造极端的物态条件，用来研究相 对论领域的光与物质相互作用、超快x 光激光产生 1 6 、超高次谐波产生 1 7 】、激光尾波 场粒子加速、实验室天体物理学【1 9 】及快点火机制 2 明研究等领域。近年来，各科技大 国均纷纷进行研制大型的超短脉冲激光装置 1 0 - 3 1 ，主要装置如表1 1 所示。 表1 1 世界各国具有代表性的高功率超短脉冲激光装置 实验室输出能 脉冲宽度 输出功 激光强度建设或完成 序号国家装置名称 名称量( j )f 6 1 率( t w )( w c 一1 时间 0 1l l n lp e t e w a t t 6 8 04 4 01 5 0 06 x 1 0 2 01 9 9 6 1 9 9 9 l l n l j a n u s p 1 5 7 5 8 02 0 02 1 0 2 12 0 0 0 u s a c u o s矗王 a6 2 5 3 0 0 c a l i f o r n i au 3122 3 56 0 0 2i l ep w m 4 57 0 0 8 0 06 0 1 0 05 1 0 1 91 9 9 8 i l em i i 3 05 0 06 01 9 9 9 j a p a nj a e r i21 8 91 0 01 1 0 2 01 9 9 8 j a e r i2 8 43 298 5 038 1 0 2 12 0 0 3 j a e r j2 02 01 0 0 0u n d e rc o n s l l 0 3r a lv u l c a np w 3 07 0 04 05 x 1 0 1 91 9 9 8 e n 西a n d r a lv u l c a np w +5 0 05 0 01 0 0 02 0 0 2 7 0 4l u l il u l i3 03 0 01 0 01 9 9 8 l u l i p h y b u s + 5 0 05 0 01 0 0 0u n d e rc o i l s 打 f r a n c e l i m e i lp 1 0 2 1 03 0 01 0 0 e n s t al o a0 82 53 5 1 0 1 9 0 5g c r m a n yg s ip h e l i x 5 0 0 5 0 0 1 0 0 0 u n d e rc o n s 廿 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 m b l07 53 02 5 0 6s w e d e nl l cl u n d15 0 2 0 0 7c z e c hv a s c rp a l s 1 0 02 05 0 0 01 俨p 1 柚 0 8 s i o m q g - c 4 07 83 3 ，9 2 32 0 0 2 c ：h i n a l f r cs n e x8 63 02 8 01 0 2 02 0 0 4 注：表1 1 中装置名称后标注“”的是以钕玻璃为放大介质的超短脉冲激光装置，其它的是以钛宝 石为放大介质的超短脉冲激光装置 过去十多年里，尽管c p a 技术使超短超强脉冲激光技术的发展取得了显著进步， 脉冲峰值功率达到拍瓦量级，但c p a 技术还是存在有一定的局限性。以钕玻璃和钛宝 石为增益介质的c p a 系统在放大过程中，原理上存在有能级跃迁的局限性，会产生放 大自发辐射( a s e ) ，系统在各级线性放大过程中始终伴随有高的白发辐射放大，因此 难以得到高的脉冲信噪比。低信噪比的激光脉冲在与物质互相作用时，会在主脉冲还没 有到达物质时，脉冲前沿的较高预脉冲就有可能对物质进行了离化，严重影响了激光与 物质相互作用的物理实验2 1 l 。并且利用钛宝石晶体只能放大8 0 0 r i m 的激光，最大所能 得到的能量为几十焦耳，而钕玻璃有能力把能量放大到上于焦耳能量，却只能支持亚p s 的激光脉宽输出。要想进一步提高激光脉冲的输出功率，只能在进一步压窄脉冲宽度的 同时提高激光脉冲的输出能量，这就要求激光放大器在有大能量输出的同时还要有宽的 增益带宽，而最近发展起来的光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 技术1 2 2 j 在原理上能基本同 时满足上述条件。 1 2 光参量啁啾脉冲放大技术及进展 以光参量放大( o v a ) 为基础的o p c p a 的概念最早在1 9 8 6 年被a p i s k a r s k a s 等人提 2 3 】，而英国卢瑟福实验室的i r r o s s 等人在1 9 9 7 年5 月 2 2 1 为了提高超短脉冲的信 噪比和避免c p a 系统的增益窄化效应，综合了c p a 和o p a 技术的优点，在a d u d i e t i s 等人的基础上【2 4 1 ，对o p c p a 技术进行了进一步完善，使这一技术在思想上更趋于成熟， 认为o p c p a 技术有望在超短超强脉冲激光领域创造更高的脉冲峰值功率输出，为超短 超强高功率激光脉冲放大提供了又一个重要的发展方向。图1 _ 1 给出了光参量啁啾脉冲 放大的原理图，其基本思想是：在光参量啁啾脉冲放大过程中，泵浦光工作在窄谱带状 态，而信号光则是宽谱带的啁瞅脉冲，信号光经过非线性晶体的耦合放大后，再压缩回 短脉冲。o p c p a 利用非线性晶体取代了激光放大器中的传统增益介质，是一种非线性 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 的参量耦合放大过程，该技术主要具有以下显著特点：一是o p c p a 能显著提高激光脉 冲的信噪比；因为光参量啁啾脉冲放大中只有当泵浦光和信号光同步入射到非线性晶体 中，满足相位匹配情况下才能产生有效放大，并且信号光放大增益倍数与泵浦光的强度 成非线性的对应关系，且在主脉冲之外的噪声只有损耗，根本得不到增益，这种非线性 增益过程有选择的放大了信号光、并在一定程度上抑制了噪声增益；因此相比前述的钕 玻璃和钛宝石激光器，o p c p a 技术能够显著提高输出脉冲的信噪比。二是o p c p a 同时 具有高增益和宽增益带宽，并且增益越大，带宽越大；高增益使得系统中的光学介质减 少，介质引起的色散降低，避免了传统c p a 激光器中的光谱窄化和b 积分问题，并且光 参量放大使用的非线性晶体口径可达3 0 c m 以上；因此，利用o p c p a 技术有能力同时 获得窄脉宽和大能量，即可能获得更高的脉冲峰值功率。三是参量放大的非线性晶体对 泵浦光和信号光都是透明的，这样可以防止热效应，这些都有助于光束质量的提高。因 此利用o p c p a 技术可以极大的提高超短脉冲系统的性能指标，特别是可以获得高信噪 比的超高功率脉冲。 图1 1 光参量暇啾脉冲放大的原理圈 自o p c p a 的概念提出以来，以其显著的优点已引起了越来越多人的研究兴趣，并 取得了一系列显著进展。如1 9 9 9 年8 月，英国卢瑟福实验室( r a l ) 已做出了两级o p a 系统【25 1 ，把1 2 0 f s ，1 0 5 4 r i m 的信号光展宽后，利用一级2 0 m m 长的l b o 晶体和一级3 0 m m 长的k d p 晶体，实现了大于1 0 1 0 增益的饱和放大，并获得了5 0 0 m j 、3 0 0 f s 的太瓦级脉 冲输出，其转换效率也达到了百分之二十，这代表了当时世界上o p c p a 技术发展获得 的最好实验结果。并且它们己设计出基于v u l c a n 泵浦产生拍瓦脉冲的o p c p a 系统 和基于p a l s 装置三倍频光泵浦产生拍瓦脉冲输出的o p c p a 系统“，如其设计基于 p a l s 装置三倍频光泵浦产生拍瓦脉冲输出的o p c p a 系统的光路和优化参数分别如图 1 2 和表1 2 所示。 近几年卢瑟福实验室又利用从l l n l 实验室的n o v a 装置上拆下来的大口径放大器 和大口径光栅，对其超短脉冲系统进行了升级改造；并成功利用o p c p a 放大器取代了 4 光参量啁瞅脉冲放大的增益稳定性研究 原有的再生放大器，使整个装置脉宽和信噪比都得到改善，并于2 0 0 2 年实现了拍瓦输 出“”，脉冲能量5 0 0 j ，脉冲宽度0 5 p s 。2 0 0 2 年我国上海光机所报道研制成功了全o p c p a 技术的1 6 7 t w ( 1 2 0 f s 、2 j ) 激光装置1 2 9 1 ，居世界领先地位。此外，美国、日本，法国等 国家也相继进行了大量的o p c p a 技术的研究1 3 0 - 3 9 1 具体情况如表1 3 所示。 另外，科学家对基于o p c p a 技术产生仄瓦( 1 0 2 1 w ) 级的高功率激光装置进行了 展望，他们利用美国n i f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ) 和法国l m j ( l a s e rm e g a j o u l e ) 进行 了初步的模拟计算。如对美国n i f 装置，脉宽3 n s ，三次谐波波长为3 5 0 r i m ，能量为2 m j ， 脉宽为1 0 2 0 n s 的二次谐波在波长为5 3 0 n m 时，能量可达5 m j 。该能量可以用来泵浦驱 动一个o p c p a 型系统，可期望得到能量1 m j 、脉宽l o f s 、聚焦焦斑l m ，功率可达1 0 2 0 w ， 在使用变形镜校正波面后可得1 0 2 8 w c m 2 的聚焦峰值功率密度。 图1 2 基于p a l s 装置泵浦输出5 p w 光参量啁啾放大脉冲的设想 表1 2 基于p a l s 装置泵浦输出5 p w 光参量啁啾脉冲的优化参数设计 第一级放大第二级放大第三级放大 l b o ( x y - o o e )l b o ( x y - o o e )k d p ( o o e ) 泵浦光能流密度2 5 j c m 22 5j c m 。0 8 7j c m 2 泵浦光功率 5 g w ，c m 5 g w c m 1 7 g w c m 。 泵浦光能量4 8 m j5 j5 0 0 j 信号光输入能量2 9 n j0 2 4 m j0 5 j 信号光光斑直径 0 5 m m1 6 m m2 7 0 m m 非线性晶体长度 1 3 5 m m1 2 m m4 5 m m 非共线角 2 1 d e g2 1 d e g 1 4 d e g 相位匹配角 2 7 8 d e g2 7 8 d e g4 3 3 d e g 对应信号光匹配波长 7 5 5 n m7 5 0 n m7 6 3 n m b 积分 0 1 6 0 1 4 n x ) 晶体，其折射率曲面方程可分别表示为 4 2 1 f 1 n 。2 ( 占) = c o s 2 ：+ s i n 2 珂； s i n 20 c o s 2 p ( n 一n ；2 ) + s i n 20 s i n 2 g , ( n 一行i 2 ) + c o s 20 ( n 一n ；2 ) = 0 联合非线性晶体的折射率曲面方程和波矢关系可求得相位匹配角与非共线角及信号 光波长的的关系式为： 臼：盯。i n ! ! ! 业一一。篓! 垄! 二堕! ! 生! ! 竺! ：坠! 垄! ! ! ! 望! l “2l r 。( 丑) c o s 口+ r 。( 五：) c o s i叩；( 如) 一7 ；( 如) 其中印。( 乃) = n ：( ) 五，i = e ，0 或x , y , z ；j = p ，i ，s 另外，由于非线性晶体本身结构存在的各向异性，此种性质在外场作用下将导致电 极化矢量的方向和电场方向之间存在着夹角，也就使得能流方向坡印廷矢量和波氏方向 不同。因此，在三波耦合的光参量放大过程中，其中e 光光波的波矢k 传播方向将与能 流5 传播方向不同而存在一夹角，即为光波走离角p 。走离角的影响使得参量作用的泵 浦光与信号光在空间相分离，降低了参量耦合效率。可以定义一个表征走离效应的有效 作用长度： 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 z m 盯2 d p ( 2 1 7 ) 上式中d 为光斑半径；在非线性晶体中，o 光的走离角为0 ，e 光的走离角可以由 下式计算出： p 咏1 悟再两叫 涵 光参量放大过程中的群速度匹配( g v m ) 要求则来自于三波混频耦合方程，只有 在群速度匹配的条件下，非线性晶体中的三光波才能共同传播，参量过程由瞬态变为稳 态，三波耦合才能达到最大效率。但在实际参量放大过程中，群速度失配还是存在的， 它是影响参量过程中获得最宽光谱带宽的一个重要因素。泵浦光与信号光、闲频光之间 的群速度延时可以表示为： t s , p 2 k 。一k g ，嘲( p - a ) k 。kg _ 形v g , , c o s ( c o ) ( 2 - 1 9 j ： t i , p 3 ) v v vc o s ( 1 4 0 ) 一必，c o s ( p 川) 1 一a k ( c o ) 兰一兰塑 式中：”s d 珊cc d 2 ，1 l r 为信号光和闲频光夹角，为泵浦光和信号光 夹角，p 为信号光与闲频光夹角。以此，我们同样可以简单定义表征色散效应的有效作 用长度( 分离距离) ： 三：三 一p ，产i ，s ， ( 2 2 0 ) 其中t 一般为泵浦光脉宽；对于脉宽为上百皮秒的啁瞅脉冲放大，分离距离l 一般 远大于非线性晶体的长度，在参量实际增益计算过程中可以忽略不及；而对于我们最后 将要介绍的飞秒光参量放大，群速度失配将不能再忽略，后面章节将进行比较详细的计 算和分析，在此从略。 p h e s em m c h l n ga n g l e 6 n 图2 3 不同非共线角时b b o 、l b o 晶体对应的相位匹配角、走离角和最佳带宽时的非共线角 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 由方程组( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 和( 2 1 8 ) 可得到最大增益带宽对应的非共线角 和在不同非共线角情况下的相位匹配角，其关系如图2 _ 3 所示。从图中可以看出，晶体 的相位匹配角随非共线角变化比较大；对于5 2 7 n m 泵浦光，信号光为8 0 0 n m 时，b b o 晶体的最大参量带宽对应的非共线角与晶体走离角比较接近，而信号光为1 0 5 3 n m 时 l b o 晶体和b b o 晶体走离角都比较小，并且l b o 晶体的最佳非共线角几乎可以完全 补偿晶体的走离角。 2 3 光参量放大的非线性晶体盯。巧2 1 光参量放大激光器的工作介质为非线性光学晶体，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 伤闽值等，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。在可 见光和近红外区，常用于光参量放大的非线性晶体有b b o 、l b o 和k d p ，本节将对此 三种晶体的有效非线性耦合系数、光致损伤阈值以及在8 0 0 n m 和1 0 5 3 n m 波长处的光参 量放大特性进行比较分析。 表2 1 几种常用参量放大晶体损伤阈值的对比 在1 0 5 3 n m 的损伤阈值 c r v s t a l e n e r g yd e n s i t y ( j c m 2 ) p o w e rd e n s i t y r a t i o ( g w c m 2 ) 6 04 6 k t p1 0 0 k d p1 0 98 41 8 3 b b o1 2 99 92 1 5 l b o2 4 61 8 9 4 1 0 表2 2 常规光参量放大晶体孵常用参量计算结果 非线相位匹配角 走离角 最大带宽对应的 小信号增益系数g 性晶非共线角 【g = e x p ( g l b “) 体8 0 0 n m1 0 5 3 n m8 0 0 n m1 0 5 3 n m 8 0 0 n m 1 0 5 3 n m8 0 0 n m1 0 5 3 n m b b o2 3 8 32 2 8 53 2 93 1 92 _ 3 90 6 6 99 4 4 61 0 0 3 4 l b o1 3 7 81 1 60 4 70 3 9 81 4 204 6 24 6 5 94 9 6 4 k d p4 3 6 54 1 31 6 11 61 6 20 4 7 31 4 3 31 4 4 4 在忽略相位失配影响的情况下，从光参量放大的小信号增益公式可以看出，光参量 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 放大的增益主要决定于非线性晶体的泵浦强度和三波耦合在非线性晶体中的一些固有 特性。表2 1 给出了用n d ：y l f 激光器在1 0 5 3 n m 、1 3 n s 脉宽时测量几种常用参量放大 晶体的损伤闽值的对比，该晶体的损伤阈值也从根本上决定了各晶体参量放大所能达到 的最高泵浦强度。参量增益除了与泵浦光强度密切相关外，还与参量放大的非线性晶体 的有效耦合系数等特性有关，为了更直观的评价各种晶体的参量增益能力，我们以 5 3 2 n m 为泵浦光，对信号光波长分别为8 0 0 n m 和1 0 5 3 n m 处的i 类相位匹配进行了模拟 计算和总结，结果如表2 2 。 其中，表2 中所有的参数都是在最大带宽对应的非共线角确定的前提下计算的，增 益计算表达式中晶体长度l 单位取c m ，光强单位取g w c m 2 。对于i 类相位匹配，表 2 2 模拟计算使用的各晶体的s e l l m e i e r 方程为( 2 2 1 ) ，其对应的相应系数如表2 3 所示。 f h 2 ( 五) = 4 + b ( 3 , 2 一c ) 一d 2 一e 2 - 一 i , l2 ( z ) = 4 + b i ( 2 2 一c ) + f 努“彤一4 0 0 ) ( 1 ) ( 2 ，2 1 ) ( 2 ) 表2 3 常用晶体的s e l l m e i e r 方程系数 c r y s t a labc d ( f ) ed e f f b b on 2 e2 3 7 5 30 0 1 2 2 40 0 1 6 6 70 0 1 5 1 60 d e f t = d 3 1 s i n 0 + ( d 1 1 ( 1 ) n 2 02 7 3 5 9 0 0 1 8 7 80 0 1 8 2 20 0 1 3 5 40 c o s 3 q ) - d 2 2 s i n 3c p ) c o s 0 l b on 2 x2 4 5 4 1 4 00 0 1 1 2 4 90 0 1 1 3 5 0 0 0 1 4 5 9 16 6 0 e 5 ( 1 ) n 2 y 2 5 3 9 0 7 00 0 1 2 7 l l0 0 1 2 5 2 50 0 1 8 5 4 02 o o e 一4 d e f f = - d 3 2 c o s c p n 2 z 2 5 8 6 1 7 90 0 1 3 0 9 9o ，0 1 1 8 9 3o 0 1 7 9 6 92 2 6 e 4 k d pn 2 e2 1 3 2 6 6 8o 0 0 8 6 3 7 4 9 40 0 1 2 2 8 1 0 4 33 2 2 7 9 9 2 4 ( 2 ) n 2 02 2 5 9 2 7 6 0 0 1 0 0 8 9 5 60 0 1 2 9 4 2 6 2 51 3 0 0 5 2 2 d e f f = - d 3 6 s i n o s i n 2 0 另表2 2 中各晶体计算的光学非线性系数分别为： b b o ：d 1 1 = 5 8xd 3 6 ( k d p ) ，d 3 1 = 0 0 5xd 1 1 d 2 2 d 3 1 l b o ：d 3 2 = 2 6 9xd 3 6 ( k d p 、 k d p ：d 3 6 = o 3 9 p m v 。 综合表2 1 和表2 2 可知，对于b b o 、l b o 、k d p 晶体，b b o 具有较大的有效非 线性系数，约为k d p 的6 倍，相对较小的损伤闽值，在5 3 2 n m 泵浦，8 0 0 r i m 信号光时 晶体的非共线角可以基本补偿晶体的走离角；l b o 非线性系数比b b o 小，约为k d p 的3 倍，但具有大的损伤阈值，在5 3 2 n m 泵浦，1 0 5 3 n m 信号光时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 n m 光泵浦，放大8 0 0 n m 信号光时，由能量守恒知闲频光波长已位于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，表2 2 中只是为了进行比较也把其 有关参量依据s e l l m e i e r 方程进行了同样的计算，但在1 0 5 3 n m 信号光波长k d p 晶体还 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 是非常有应用价值的。依据以上的分析，在o p c p a 系统优化设计中，对于8 0 0 n m 的信 号光放大，一般应选用b b o 晶体，对于1 0 5 3 r i m 的信号光放大，前级放大可以选择双 轴晶体l b o 作为参量放大晶体，主要是考虑到l b o 具有高破坏阈值、不易潮解、大的 参量带宽、大的参量允许角、小的走离角、小的群速色散以及输出光束质量好等特点， 其相对于bb0 晶体较小的非线性系数可以通过增加晶体的长度来补偿，并且现在l b o 晶体的最大通光尺寸可达2 5 m m ，是一种合适的光学啁啾脉冲参量放大非线性材料；末级 大能量放大则可以使用大口径的k d p 晶体。 2 4 本章小节 本章首先对o p c p a 过程中的三波耦合方程进行了归一化参量变换，建立了o p c p a 的理论计算模型，并利用r u n g e k u t t a 法编程对三波耦合方程组进行了解析和数值求解， 二者在小信号放大时的参量增益曲线符合很好，而当光参量达到饱和放大和深度饱和放 大时，二者就有明显的不同，必需对参量放大的耦合方程进行数值求解。初步分析出了 影响光参量放大增益的几个主要参量。对非共线光参量放大中的相位匹配特性，时空走 离概念，常用参量放大晶体的基本特性等进行了归纳总结。该章主要为下一步工作的深 入研究准备相关理论基础。 光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 第三章光参量啁啾脉冲放大的增益稳定性研究 o p c p a 具有高增益，宽增益谱和好的光束质量等特点。利用o p