光参量啁啾脉冲放大 Optical parametric chirped-pulse amplification

2022-11-04 10:30:43 浏览:245

定义

啁啾超短脉冲的参数放大。

啁啾脉冲放大的概念最初是为使用激光放大器放大超短脉冲而开发的,但很快意识到它也非常适合另一种超快放大器光参量放大器(OPA)。 在高脉冲能量下,这些设备还通过放大时间拉伸(啁啾)脉冲来大幅降低峰值强度。 拉伸到大约 1 ns 的啁啾信号脉冲持续时间可以应用更高的泵浦能量,从而获得更高的放大脉冲能量。

此外,人们不再需要超短泵浦脉冲,而是可以求助于强大且相对简单的Q开关激光器作为纳秒范围内的泵浦源。 (请注意,与激光放大器相比,参数放大器需要的泵浦脉冲持续时间与信号脉冲相似,因为增益介质中没有能量存储。)

OPCPA概念的优点

与基于激光增益介质的经典啁啾脉冲放大相比,OPCPA具有许多重要优势:

  • 通过非线性晶体的单次通过的参数增益可以是几十分贝,因此OPCPA系统需要更少的放大级(通常只有一个),通常不涉及复杂的多通道几何形状,因此可以使用更简单,更紧凑的设置来构建。
  • 参数放大可在很宽的波长范围内进行。 (但请注意,超宽增益带宽只能在某些相位匹配条件下实现。
  • 在优化的相位匹配条件下,增益带宽可以非常大,从而可以产生非常短(几飞秒)的高能量脉冲。
  • 放大器晶体中的热效应(例如热透镜)比激光放大器中的热效应弱得多,因为由于寄生吸收较弱,只有少量的热量。 这与非常高的量子效率相结合,可以缩放到非常高的能量和峰值功率水平,以及放大脉冲的高光束质量。
  • 生成的惰轮波有时也可以使用。
  • 由于参数增益仅在泵浦脉冲持续时间内发生,因此避免了高增益激光放大器中放大自发发射的功率损耗问题。 此外,人们可以很容易地产生具有非常高强度对比度的高能量脉冲,即在实际脉冲之前具有非常低的功率水平。

另一方面,OPCPA概念的缺点(与带有激光放大器的经典CPA相比)是

  • 要求匹配泵浦和信号脉冲持续时间,并同步种子和泵浦激光器
  • 对高泵浦梁质量的要求
  • 大多数可用非线性晶体的有限孔径
  • 相位匹配问题的复杂细节

太瓦和佩瓦峰值功率

一些大型激光设施最初从更传统的啁啾脉冲放大开始,已经采用了OPCPA技术来实现极高的峰值功率[6,7,14-16]。 这种系统采用至少两个放大级,前置放大器通常基于硼酸盐晶体(BBO或LBO),而KDP用于最终放大器级,因为可以制造具有非常大有用孔径的KDP晶体。 钛蓝宝石激光器可以作为种子源,高能倍频Q开关激光器产生泵浦脉冲。 在某些情况下,激光放大器(具有中等增益)用于最后一个放大器级,但也在研究中研究全参数系统。 后者已经达到数百太瓦的峰值功率[17],预计很快就会达到多太瓦的峰值功率。

小周期脉冲放大

某些非共线相位匹配方案可以达到最大的放大带宽,例如,基于来自倍频锁模钛蓝宝石激光器的几皮秒脉冲泵浦的BBO放大器晶体。 术语非共线光参量放大器(NOPA)已被创造出来。 与上述高能系统相比,NOPA通常以相对较短的相互作用长度,更短的泵浦脉冲和相应的较低放大脉冲能量运行,但在低至4-5飞秒的少数周期状态下达到压缩脉冲持续时间≈。 为简单起见,种子脉冲可以取自泵浦激光器本身的超连续体,无需将单独的种子激光器与泵浦激光器同步。

在这个领域可以利用一系列有趣的概念。 例如,可以通过角度分散信号波束来实现宽带相位匹配(“消色差相位匹配”),使信号的每个频率分量都正确相位匹配。 通过倾斜放大器晶体中的脉冲前沿(脉冲前沿匹配的几何形状)可以实现类似的效果;即使在共线几何中,这也允许非常大的相位匹配带宽[2,5]。波长调谐使此类系统对各种科学应用非常有趣,有时可以在相对较宽的范围内进行。 另一个重要问题是担架/压缩机设置的精确优化[9]

紧凑型系统

使用高度非线性准相位匹配的晶体允许以中等的泵浦脉冲能量获得非常高的增益。 尽管此类系统通常产生持续时间为数百飞秒且能量为微焦耳或高达几毫焦耳的脉冲,但这些性能值足以满足广泛的应用,并且此类系统可以非常紧凑和高效。

参考文献

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