基于单个BBO晶体载波包络相位稳定的高效率光参量放大器.pdf

物 理 学 报Ac t a P h y s S i n Vo 1 6 3 No 2 1 2 0 1 4 2 1 4 2 0 3 基于单个BBO晶体载波包络相位稳定的高效率光 参量放大器冰 爹重放大嵛 尤 良芳 2 令维军 2 十 李可 张明霞 左银燕 王屹山2 1 天水师范学院激光技术研究所 天水 7 4 1 0 0 1 2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室 西安 7 1 0 1 1 9 2 0 1 4 年3 月 1 7日收到 2 0 1 4 年 5 月 1 7 日收到修改稿 基于单个 BBO非线性晶体 利用非共线光参量放大技术 研究了载波包络相位稳定的高效率可调谐近红 外脉冲产生 以载波包络相位稳定的飞秒激光放大系统产生的白光作为种子光 注入一个二类匹配的二级光 参量放大器 在 1 3 5 0 n m波段获得抽运 一 信号光 3 4 的转换效率 利用 I厂 一2 厂 光谱相干测量技术 放大脉冲载 波包络相位 的抖动 3 0 mi n内小于 1 3 7 mr a d 该方法提供了一种简单高效的载波包络相位稳定的红外脉冲产 生技术 关键词 光参量放大 载波包络相位 阿秒脉冲 P ACS 4 2 6 5 R e 4 2 6 5 Yj 4 2 6 0 B y DOI 1 0 7 4 9 8 a p s 6 3 2 1 4 2 0 3 1 引 言 载波包络相位 c a r r i e r e n v e l o p e p h a s e C E P 稳 定 的飞 秒脉 冲在 高次 谐波 和单 个阿 秒脉 冲 的 产 生 以及 超 快 时域 分 辨 中具 有重 要 的作 用 1 2 由于 电子 振荡 的有 质动 力 能正 比于驱 动脉 冲波 长 的平 方 红 外波 段 的周 期 量 级 脉冲 将 是 最理 想 的驱 动 源 3 掺 钛 蓝 宝 石 啁啾 脉 冲 放 大 系 统输 出脉 冲 波长 在 8 0 0 n m 附近 为 获 得红 外波 段 的脉 冲必须 借助光 参量放 大 f o p t i c a l p a r a me t r i c a mp l i fi c a t i o n OP A 技术 目前最 常用 的两种 方案是采用 一 B a B 2 O 4 B B O 晶体非共线参量放 大技术 f n o n c o l l i n e a r o p t i c a l p a r a me t r i c a mp l i fi c a t i o n NOP A 5 s 和 B i B3 06 BI BO 晶体共线参量 放 大 技 术 f c o l l i n e a r o p t i c a l p a r a me t r i c a mp l i fi c a t io n C O P A 9 1 0 为了获得一个C E P稳定的宽带 放 大飞秒脉冲 种 子光通常采 用 以下三种办法 获 得 1 利用 飞秒脉冲聚焦蓝宝石 晶体获得单 丝超 连续白光 5 2 1 利用O P A技术获得载波包络相位 稳定的宽带飞秒闲频光脉冲 7 3 将中空光纤或者 蓝宝石 晶体产生的超连续 白光波长红端和蓝端进 行差频获得载波包络相位稳定宽带飞秒脉冲 I s 0 1 最后将种子光脉冲进行两级或者三 级能量放大获 得高能量的近红外脉冲 C E P的控 制在 单个 阿秒脉冲 的产生 光谱合 成 及阿秒 光谱学 等领域 是必不 可少 的 1 1 1 3 通 常有主动控制和被动控制两种方法实现 C E P的控 制 1 4 1 5 总 体来说 主动控制方法产生高能量的 CE P稳定的脉冲通过慢环反馈 可以长时间的控制 脉冲 的CE P 但输 出波长在 8 0 0 a m附近 被动控 制方法可 以产生高能量的CE P稳定的近红外脉冲 但是 C E P随时 间漂移越来越大 不利 于实验 的进 行 由于被动过程是一个随机 的非线性过程 因此 在被动控制方案中通过慢环控制放大脉冲的 C E P 十分 困难 目前还没有相关的报道 因此寻求更为 合理可靠的 C E P控制方案也是研究的课题之一 国家 自 然科学基金 批准号 6 0 8 7 8 0 2 0 6 1 4 6 5 0 1 2 瞬态光学与光子技术国家重点实验室开放基金 批准号 S K L S T 2 0 1 3 0 7 和天水 师范学院青蓝工程项目资助的课题 t通讯作者 E ma i l 州 l i n g t s s i n a c o m 2 0 1 4中国 物理学 会Ch i n e s e P h y s i c a l S o c i e t y h t t p w u l i w b h y a c c n 21 42 03 1 物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n V o 1 6 3 No 2 1 2 0 1 4 2 1 4 2 0 3 本 文采 用了 C E P混合控制新方案 即 白光种 子脉冲直接 由主动控制 C E P的掺钛蓝宝石放大系 统产生 放 大过程采用 被动参量 放大技术 在 3 0 mi n的时间内测得 C E P j i t t e r 为 1 3 7 mr a d 表明该 方案对产生 C E P稳定的高能量红外脉冲是可行的 同时 方案 中仅用了一个 BB O晶体 通过对光路的 创新设计 在 4 0 7 J 抽运下获得 了1 3 8 J的放大 信号光 对应的抽运光到信号光的转换效率为 3 4 据我们所知 这是 B BO晶体 目前最高的OP A转换 效 率 2 实验装置 图 1 是整个放大系统实验光路示意图 一个商 业化 C E P主动控制的 3 k Hz 的掺钛蓝宝石啁啾脉 冲放大系统作 为 O P A的抽运源 输出脉冲 宽度为 2 5 f s 输 出能量为 5 1 0 J 中心波长为 8 0 0 a m 通 过 2 个分束镜 1 和分束镜 2 将能量分为三部分 大 约 3 J的能量聚焦到 2 mm厚的钛宝石片上 通过 微调光阑 大约 1 J 的抽运光通过透镜 l f 1 0 0 mm1 聚焦 到钛宝石 上产 生了单丝 的环状 白光 由 于 白光直接来 自钛宝石放大系统 所 以白光 C EP 是 自动控制 的 这种 C E P稳定的高光束质量的超 连续 白光为宽带 NOP A提供 了优质 的种子源 通 过 反射率近 2 0 的分束镜 2 大约 1 0 0 J的能量 用来抽运第一级N O P A N O P A 1 一个二类匹配 的BB O晶体作为 NOP A1 的非线性 晶体 晶体厚 3 mm 口径为 1 7 mm 1 7 mm 具有相位 匹配角为 0 2 8 3 0 我们引入的信号光和抽运光问 的夹角为 1 7 为了避免抽运光损伤晶体和抑制超 连续荧光 我们将 晶体中的抽运光 的直径控制在 4 mm以内 对应的抽运强度为2 6 0 G W c m 通过 NOP A1 我们获得 了3 J的放大信号光 由N0P A1 输 出 的 放 大 信 号光 进 入 第 二 级 N O P A N O P A2 之前 为了与晶体中的抽运光大 小实现匹配 我们采用了一个 1 3的开普勒望远镜 系统对信 号光进行 了扩束和准直 经过扩束准直 后 的一级放大信号光通过 2 个反射镜使光折返回来 并且保持与N0P A1 输 出的信号光平行后再次进入 同一个 B BO晶体 通 过N0P A2 进 一步放 大能量 通过分束镜 2 约4 0 7 J的能量用来抽运 NOP A2 通过延迟系统 2 调节抽运光保持与 NOP A1 抽运 光平 行 这样 只用 一 块BB O晶体就 实现 了两级 NOP A 如 图1 所示 这种光路结构的优 点是晶体 旋转在任何位置时 NOP A1 和 NOP A2 的光谱增益 峰值都是一致 的 相对于两块 晶体组成的 N0 P A 为实现调谐波长输 出 必须精确的同步旋转两块晶 体 这些很难通过手动去操作 需要将两块 晶体放 在 同步驱动的精密旋转 台上进行 而这种单晶体方 案大大的简化 了调谐 的麻烦 仅 需手动旋转 B BO 晶体就可 以实现整个范围的调谐输出 我们通过调 节透镜3 f 5 0 0 mm 到B B O晶体的距离 实现 晶体中信 号光和抽运光 的空间上有效匹配 通过 NO P A2 在 1 3 5 0 a m处获得最大的信 号光能量为 1 3 8 u J 对应抽运光到信号光的转换效率为 3 4 凹面反射镜1 图 1 载波包络相位稳定的光参量放大 系统光路示意 图 罡 昌 帕 皤 波长 n m 图 2 l 1 0 0 1 7 0 0 a m可调谐输 出波长 3 结果与讨论 通 过 旋 转 BB O晶 体 获 得 了 波 长 在 1 1 0 0 1 7 0 0 n m波 段 的调 谐输 出 见 图 2 在 这 个调谐范围内 对二类匹配 的B B O晶体 其信号光 的相对群速度 相对于抽运光 的符号与闲频光的 物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n V o 1 6 3 No 2 1 2 0 1 4 2 1 4 2 0 3 控制 放大过程采 用 OP A被动 C E P控制技 术 是 完全可行的 在阿秒产生实验 中 往往 需要红外脉 冲的C E P控制达到几个小时 在许多C E P 被动控 制方案中 随着时 间的增加相位漂移越来越大 而 C EP被动控制是一个随机的参量过程 很难引入慢 环反馈去有 效控制 C E P的漂移 而这种方案可 以 很容 易地 引入一个慢环反馈 得到长期 C E P稳定 的红外脉冲 这也是这种方案的优点之一 3 1 4 1 5 7 0 1 5 7 3 1 4 1 3 7 m r a d 一 I I I 一 一 一 一 一一 一 一 I 0 1 0 2 0 3 0 测量时间 rai n 图 6 3 0 mi n内测量的系统输 出放大脉冲 的 CE P j e t t e r 4 结 论 基于 CE P混合控制方案 结合高 效率光参量 放大技术 我们 己经实现 了可调谐相位稳定的红外 飞秒脉冲输 出 整个系统仅用 了一个 B BO晶体就 实现了两级参量放大 大大简化了调谐难度 整个 系统输 出调谐波长为 1 1 0 0 1 7 0 0 n m 在第二级参 量放大过程 中抽运光到信号光 的转换效率达到 了 3 4 为 了实现 C E P的长期稳定 下一步将 引入一 个慢反馈环 这种 CE P长期稳定的近 红外参量放 大器将应用于阿秒脉冲产生的实验 中 其中一个重 要方 向是利用双色场产生单个孤立的阿秒脉冲实 验 1 8 1 9 I 感谢魏志义 教授有 益的讨论 和指导 感谢 韩 国浦 项工 大金东恩教授提供了良好的实验条件 参考文献 1 K i e n b e r g e r R G o u l i e l ma k i s E Ui b e r a c k e r M B a l t u s k a A Ya k o vl e v V Ba mme r F Sc r i nz i A W e s t e r wa l be s l oh T K l e i ne be r g U H e i n z m a nn U D r e s c h e r M Kr a u s z F 2 0 04 0t ur e 427 81 7 2 S a n s o n e G B e n e d e t t i E C a l e g a r i F V o z z i C A v a l d i L Fl a mmi ni R Pol e t t o L Vi l l o r e s i P Al t uc c i C Ve l o t t a R St a gi r a S De Si l v e s t r i S Ni s ol i M 2 0 0 6 Sc i e nc e 314 4 4 3 3 V o z z i C C i r mi G Ma n z o n i C B e n e d e t t i E C a l e g a r i F Sa n s o ne G S t a g i r a S S v e l t o O De Si l ve s t r i S Ni s o l i M Ce r ul l o G 2 0 0 6 Opt i c s Ex p r e s s 14 1 0 1 0 9 4 C a l e g a r i F V o z z i C N e g r o M S a n s o n e G F r a s s e t t o F Pol e t t o L L Vi l l or e s i P Ni s o l i M De S i l v e s t r i S S t ag i r a S 2 0 0 9 Opt i c s Le t t e r s 34 3 1 2 5 5 L i u H J C h e nG F Z h a o W Wa n gY S 2 0 0 4A c t aP h y s Si n 53 1 05 6 Z h a n g J i n g Z h a n g Q L Ma n J Z h a n g D X F e n B H Zha ng J Y 2 01 2 C 饥 P B 21 0 8 42 11 7 7 Z h a n g C We i P H u a n g Y L e n g Y Z h e n g Y Z e n g Z Li R Xu Z 2 0 0 9 Op t i c s Le t t e r s 34 2 7 3 0 8 V o z z i C C a l e g a r i F B e n e d e t t i E Ga s i l o v S S a n s o n e G Ce r u l l o G Ni s o l i M De S i l v e s t r i S S t a g i r a S 2 0 07 Opt i c s Le t t e r s 32 2 9 5 7 9 S i l v a F B a t e s P K E s t e b a n Ma r t i n A E b r a h i m Z a d e h M Bi e g e r t J 2 01 2 Opt i c s Le t t e r s 37 9 33 1 0 Gh o t b i M B e u t l e r M P e t r o v V Ga y d a r d z h i e v A N o a c k F 2 00 9 Opt i c s Le t t e r s 34 68 9 1 1 B a l t u k a A U d e m T U i b e r a c k e r M H e n t s c h e l M Gou l i e l m a ki s E G o hl e C K r a us z F 2 0 03 N a t u r e 421 61 l 1 2 H a n H N We i Z Y C a n g Y Z h a n g J 2 0 0 3 P h y s i c s 3 2 7 6 2 i n C h i n e s e 韩海年 魏志义 苍宇 张杰 2 0 0 3物理 3 2 7 6 2 1 3 S o n g L W L i C Wa n g D Xu C H L e n Y X L i R X 2 0 1 1 A c t a P h y s S i n 6 0 0 5 4 2 0 6 i n C h i n e s e 宋立伟 李 闯 王 丁 许灿 华 冷 雨欣 李儒 新 2 0 1 1物 理 学报 6 0 0 5 4 2 0 6 1 4 F u j i T I s h i i N T e i s s e t C Y Gu X Me t z g e r T B a l t u s k a A Fo r g e t N K a p l a n D G a l v an au s k a s A Kr a u s z F 2 0 06 Op t i c s Le t t e r s 31 1 1 0 3 1 5 C h a n g Z H 2 0 0 6 A p p 1 O p t 4 5 8 3 5 0 f 1 6 1 Da n i e l i u s R Pi s k a r s k a s A S t a b i n i s A Ba n ti G P Di Tr a pa ni P Ri gh i ni R 1 9 93 JOSA B 10 2 22 2 1 7 Wa n g P Wa n g Z H We i Z Y Z h e n J A S o n g J H Zha ng J 2 00 5 Ac t a Ph y s S i n 54 3 0 0 4 1 8 Ki m B A n J Y u Y C h e n g Y X u Z Ki m D E 2 0 0 8 Opt i c s Exp r e s s 16 1 0 3 31 1 9 L i W Wa n g G L Z h o u X X 2 0 1 1 A c t a P h y s S i n 6 0 2 3 2 0 21 42 03 4 8目 褪 着 物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n Vo 1 6 3 No 2 1 2 0 1 4 2 1 4 2 0 3 H i gh e ffi c i e nt CEP s t abi l i z e d i nf r ar e d opt i c a l pa r a m e t r i c pl i fie r m ade f r om a BBO gl e ys t alam l l 1 1 e r m a e om s i n l e c r ys t al 木 Yo u La ng F a n g Li ng W e i J un 十 Li Ke Zha ng Mi n g Xi a Z uo Yi n Ya n W a ng Yi S h a n 1 I n s t i t u t e o f L a s e r t e c h n o l o g y T i a n s h u i No r ma l U n i v e r s i t y T i a n s h u i 7 4 1 0 0 1 C h i n a 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f T r a n s i e n t O p t i c s a n d P h o t o n i c s C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s Xi a n 7 1 0 1 1 9 C h i n a R e c e i v e d 1 7 Ma r c h 2 0 1 4 r e v i s e d ma n u s c r i p t r e c e i v e d 1 7 Ma y 2 0 1 4 A bs t r act We d e mo n s t r a t e a n e ffic i e n t t u n a b l e p h a s e s t a b i l i z e d n e a r i n f r a r e d o p t i c a l p a r a m e t r i c a mp l i fi e r O P A ma d e f r o m a B B O B a B 2 0 4 s i n g l e c r y s t a l i n t h i s p a p e r B y u s i n g t h e s e e d e d w h i t e l i g h t c o n t i n u u m p r o d u c e d b y C E P c a r r i e r e n v e l o p p h a s e 一 s t a b i l i z e d f e m t o s e c o n d l a s e r a m p l i fi e r s y s t e m w h i c h i s s e e d e d i n t o t h e t w o s t a g e s o f a t y p e I I O P A s y s t e m t h e p u mp t o s i g n a l c o n v e r s i o n e ffic i e n c y o f 3 4 c a n b e a c h i e v e d a t 1 3 5 0 a m Th e C E P j i t t e r o f a mp l i fi e d p u l s e s me a s u r e d b y a n 一2 i n t e r f