[发明专利]级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法

说明书

技术领域

本发明是一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，将空心光纤脉冲压缩装置运用于光参量放大系统第一级泵浦光，属于激光技术领域。其特征在于利用充惰性气体的空心光纤压缩系统，将级联OPA中的第一级的泵浦光压缩，最终使OPA系统获得与第一级的泵浦光脉冲宽度相当激光脉冲输出。本装置将对于红外压缩的需求转化为对于可见光压缩的需求，优化OPA系统的输出脉冲，使其脉宽短至周期量级，能量高损耗极低，位高次谐波实验，阿秒脉冲产生等物理实验提供了有力的支持。

背景技术

飞秒激光光源的飞速发展，为人类充分探索微观超快现象及研究强场物理提供了前所未见的实用手段和发展机遇。峰值能量极高的飞秒量级激光脉冲与物质相互作用可以产生几十甚至几百阶的高次谐波。当脉冲宽度进一步减小到周期量级时，高次谐波可以被连续输出，压缩后可以得到单个阿秒(10^-18s)脉冲。这对探测更快的物质动力学过程，如原子内部电子的运动有着重要的意义；阿秒脉冲是开拓阿秒光谱学、阿秒物理学及阿秒科学技术等新学科的重要工具。

为了获得优质的阿秒脉冲驱动光源，人们做出了很多的努力。1996年，Nisoli等人首次发展了利用充惰性气体的空心光纤展宽光谱再进行色散补偿的方式将10fs，能量超过200μJ的周期量级激光脉冲。近10年来，这一技术不断发展，脉冲宽度被压缩到近单周期，能量也提高到1mJ以上。然而，激光脉冲在惰性气体中的电离效应以及光在空心波导中的泄露和高阶模耦合的强烈损耗，极大的限制了脉冲能量的进一步提高。除此之外，在产生高次谐波的实验中，驱动光源的中心波长越长，越有利于获得更短脉宽的阿秒脉冲。但是钛宝石激光器出射的脉冲的中心波长处于800附近，单纯的空心光纤压缩技术不会明显改变入射脉冲的中心频率，这迫使人们寻找向红外波段发展的技术。光学参量放大技术(OPA)是目前将可见光波段的飞秒激光转换为红外波段激光脉冲的主要手段。改变OPA放大过程中泵浦光和信号光与晶体的角度，可以获得波长可调谐的红外脉冲。而且，运用差频技术(different frequencygeneration：DFG)，可以使OPA出射的脉冲载波包络相位(CEP)自稳定，这对于高次谐波的实验有着十分重要的意义。不足之处在于这种技术不具备脉冲压缩的功能，不能将钛宝石激光器出射的30fs到40fs的激光脉冲压缩的单阿秒脉冲产生实验所需要的周期量级。因此，近几年，将这两种技术结合，以获得高能量周期量级波长的红外可调谐OPA光源是目前激光技术领域研究的一个重要发展方向。2006年，意大利的实验小组将空心光纤置于OPA系统的前端，使钛宝石激光器出射的25fs，0.8mJ的激光脉冲先利用空心光纤压缩到5fs，300μm，再入射到两级OPA系统，获得了20μJ，光谱可支持11fs的可调谐红外光源。这种方法虽然可以获得短至十几个飞秒的红外脉冲，但是由于空心光纤本身对最高输出能量的限制，使入射到OPA系统的脉冲能量很难高于1mJ，再加上OPA系统的效率一般只有20％到30％，这使出射OPA系统的脉冲能量很难高于300μJ。第二年，这个小组又发展了一种新的方法。用空心光纤压缩技术压缩第一级信号光，将光谱展宽到能够支持6fs脉冲。但是由于后续的BBO晶体中严重的色散，最后出射OPA系统的脉冲会被展宽到15fs以上。2009年，加拿大的实验小组空心光纤压缩装置至于OPA系统的后端，将OPA系统获得的1425nm中心波长，1.2mJ，50fs的出射脉冲注入空心光纤，得到了1425nm中心波长，400μJ，13.1fs的激光脉冲。利用这种方式，出射脉冲能量有所提高，但是仍然只有几百个微焦，另外，这种方式需要对1425nm中心波长的脉冲进行色散补偿，但是目前，红外压缩技术目前还不成熟，适用于此区域补偿色散的啁啾镜还处于研发阶段，而且价格及其昂贵，不能得到普遍应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的OPA技术和空心光纤技术结合的不足，提供一种级联光学参量放大系统脉冲压缩的方法，将空心光纤技术引入OPA系统的第一级泵浦光，有效降低由于空心光纤对高能量限制所带来的能量损耗，使OPA系统可以获得高能量的周期量级(10fs以下)可调谐的红外激光脉冲的，使其更好地应用于阿秒科学研究。

本发明的具体技术解决方案是：