光学参量啁啾脉冲放大

2021-02-23 11:25:19 浏览:340

定义

啁啾脉冲的参量放大。

啁啾脉冲放大的概念最初是为超短脉冲的放大器提出的,但人们很快也就发现这种方法非常适合光学参量放大器(OPA)。当脉冲能量很高时,这种方法通过在时域上展宽脉冲使得脉冲峰值功率降低了很多。将脉宽拉宽到1ns量级时,使得我们可以使用更多的泵浦能量,因此可以得到更高的放大后脉冲能量。此外,OPCPA中不再需要超短的泵浦脉冲,而可以使用简单而又高功率的纳秒量级的调Q激光器作为泵浦源。(相比于激光放大器,在参量放大器中,泵浦的脉冲持续时间需要与信号脉冲的脉宽相近,因为增益介质并不能像激光放大一中一样储存能量。)

OPCPA的优点

用基于激光增益介质的传统啁啾脉冲放大相比,OPCPA具有许多重要的优点:

1、单次通过非线性晶体的参量增益可达数十dB,因此OPCPA系统需要较少的放大级(通常只是1),从而并不需要复杂的多次通过的结构,因此其结构更为简单和紧凑。
2、参量放大可以在很宽的波长范围内实现。(需要注意的是,宽带的增益带宽仅在特定的相位匹配条件下才能实现。)
3、通过设计相位匹配的条件,可以实现很宽的增益带宽,从而可以产生非常短的(几fs)的高能量脉冲。
4、该放大器晶体中的热效应,例如热透镜效应,比激光放大器中弱很多。同时OPCPA还可以在非常高的能量和峰值功率水平上提供高的量子效率和高的光束质量。
5、有时伴随生成的闲散波也是有用的。
6、参量增益仅在泵浦脉冲的持续时间内存在,从而可以避免放大自发辐射导致的功率损耗,因此可以很容易地产生高信噪比的高能量的脉冲。

当然OPCPA相比于传统的基于CPA的激光放大器也存在着以下的缺点:

1、需要匹配泵浦光和信号光的脉宽,并对泵浦光和信号光进行同步。
2、需要高光束质量的泵浦光。
3、受限的非线性晶体的有限孔径。
4、相对复杂的相位匹配。

太瓦特(TW)瓦和拍瓦特(PW)峰值功率的放大

一些大型激光系统,最初的时候都是利用传统的啁啾脉冲放大(CPA),而现在都采用OPCPA技术从而获得了极高的峰值功率[6,7,14-16]。这种系统通常至少需要两级放大,包括一个基于硼酸盐晶体(BBO或LBO)的前置放大器,和一个基于KDP晶体的主放大器(由于KDP晶体具有非常大的有效孔径)。钛蓝宝石激光器作为种子源,而高能量的倍频的调Q激光器产生泵浦脉冲。在某些情况下,会使用激光放大器作为最后的放大器,但也有针对全参量放大器系统的研发。后者已经可以达到几百太瓦(TW)[17]的峰值功率,在将来预计可事项几拍瓦(PW)的峰值功率。

短脉冲放大

通过某些非共线的相位匹配方法可以实现极大的放大带宽,例如利用几ps的光在基于BBO晶体的放大器中对倍频后的锁模钛蓝宝石激光进行放大。非共线光学参量放大器(NOPA)的概念在一些场合中已经被利用。与上述的高能量系统相比,NOPA通常具有相对短的相互作用长度,短得多的泵浦脉冲脉宽和相对较低放大后的脉冲能量,但NOPA系统可以产生几个周期的脉冲,相应的脉宽约为4~5飞秒。为简单起见,种子脉冲可以源自泵浦光产生的超连续谱,从而避免了种子激光器和泵浦激光器之间的同步问题。

目前在这一领域还有一些有趣的现象。例如,宽带相位匹配(“消色差的相位匹配”)中利用角色散来发散信号光束,使得信号光的每个频率分量都满足相位匹配。在放大器晶体中倾斜脉冲前沿的倾斜也可以实现类似的现象;即使是利用共线的结构也可以实现一个非常大的相位匹配带宽[2,5]。还可以在一个相对较宽的范围内实现波长调谐,这使得这样的系统可以被应用到各种科学应用中。另一个重要的问题是对拉伸/压缩器的设计[9]的优化。

紧凑型系统

使用高非线性的准相位匹配晶体可以在中度的泵浦脉冲能量下提供非常高的增益。这样的系统通常会产生数百飞秒、微焦乃至纳焦的脉冲,这种脉冲可以广泛的应用与许多应用之中,并且这样的系统可以做得非常紧凑和高效率。

参考文献

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[23] C. Caucheteur et al., “Experimental demonstration of optical parametric chirped pulse amplification in optical fiber”, Opt. Lett. 35 (11), 1786 (2010)
[24] S. Witte and K. S. E. Eikema, “Ultrafast optical parametric chirped-pulse amplification”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 18 (1), 296 (2012)

参阅:啁啾脉冲放大、光学参量放大器、放大器、色散、非线性、超短脉冲、脉冲压缩

脉冲

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