[发明专利]飞秒光学参量放大器

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光，特别是一种飞秒光学参量放大器。

背景技术

高峰值功率、波长可调谐的激光光源在科学、环境、军事等诸多领域有着重要的应用价值。然而，受限于有限种类的激光增益介质，当前的飞秒激光光源仅分布于若干个有限且孤立的波段，如800纳米、1030纳米、1057纳米、1064纳米等。光学参量放大是目前最为有效的获得高峰值功率、波长可调谐的激光光源的频率变换技术，其原理是利用非线性晶体的二阶非线性极化效应，将入射的泵浦光的能量转移到待放大的信号光中，对信号光进行光学参量放大，同时产生另一频率的闲置光。在光学参量放大过程中，相互作用的泵浦光、信号光、闲置光必须满足能量守恒条件。即泵浦光的频率ω_p、信号光的频率ω_s、闲置光的频率ω_i必须满足：

ω_p=ω_s+ω_i

为了获得最大的转换效率，泵浦光的波矢信号光的波矢闲置光的波矢还必须满足相位匹配条件：

通常相位匹配条件是利用非线性晶体的双折射效应和色散效应来实现的。即通过选择合适的晶体角度实现相位匹配，并通过改变晶体角度选择对不同波长的信号光进行放大，实现波长调谐。按照参量光的偏振态可将相位匹配方式分为I类和II类相位匹配。若信号光和闲置光具有相同的偏振态，称为I类相位匹配；若信号光和闲置光具有垂直的偏振态，称为II类相位匹配。

一个典型的飞秒光学参量放大器的光路布置如图1所示。驱动激光1经由第一分束片10、第二分束片11、第三分束片12被分为四束激光：信号光驱动光2、第一泵浦光4、第二泵浦光5、第三泵浦光6。信号光驱动光2先经过第十一反射镜40反射，然后穿过半波片13和能量衰减器14，再通过第一聚焦镜15聚焦至光学介质片16产生超连续白光3。该超连续白光3经第二聚焦镜17准直或聚焦后入射至第一非线性晶体18，作为第一级光学参量放大的信号光。第一泵浦光4经过第一反射镜23、第二反射镜24、第三聚焦镜26、第五反射镜27、第六反射镜28之后入射至第一非线性晶体18对超连续白光3进行第一级光学参量放大，同时产生第一闲置光7。通过调节由第一反射镜23和第二反射镜24组成的第一延迟线25实现第一泵浦光4与超连续白光3的时间重合。经过第一级光学参量放大的超连续白光3经过第一扩束器19扩束并准直后入射至第二非线性晶体20，作为第二级光学参量放大的信号光。第二泵浦光5经过第三反射镜29、第四反射镜30、第七反射镜32、第三扩束器33、第八反射镜34反射之后入射至第二非线性晶体20对经过第一级光学参量放大的超连续白光3进行第二级光学参量放大，同时产生第二闲置光8。通过调节由第三反射镜29和第四反射镜30组成的第二延迟线31实现第二泵浦光5与超连续白光3的时间重合。经过第二级光学参量放大的超连续白光3经过第二扩束器21扩束并准直后入射至第三非线性晶体22，作为第三级光学参量放大的信号光。第三泵浦光6经过第五反射镜35、第六反射镜36、第九反射镜38、第十反射镜39反射之后入射至第三非线性晶体22对经过第二级光学参量放大的超连续白光3进行第三级光学参量放大，同时产生第三闲置光9。通过调节由第五反射镜35和第六反射镜36组成的第三延迟线37实现第三泵浦光6与超连续白光3的时间重合。经过第三级光学参量放大的超连续白光3输出整个光学参量放大器。

在上述装置中，如果将第一级光学参量放大的第一泵浦光4和超连续白光3设置为完全共线结构，则由于经过第一级光学参量放大的超连续白光3和第一级光学参量放大产生的第一闲置光7在时间和空间上重合，并且传播方向一致，两者均会在第二级光学参量放大中被放大。为了避免这一问题，一般会在第一泵浦光4和超连续白光3之间引入一个很小的非共线角（如1°），使得产生的第一闲置光7与被放大的超连续白光3不在同一光路，仅选择被放大的超连续白光3作为第二级光学参量放大的信号光。同理，在第二级光学参量放大中，第二泵浦光5和超连续白光3也不能工作在完全共线的条件。由于飞秒激光脉冲的超短时间特性，其空间形状是一个很薄的“薄片”。例如，对于一个口径5毫米，脉冲宽度30飞秒的激光脉冲，其“厚度”与口径的比例约为1：500。因此即便是很小（如1°）的非共线角，也会导致很严重的波面失配，如图2所示。这不仅会导致转换效率的大幅度下降，更为严重的是会在被放大的信号激光脉冲中引入空间啁啾，降低被放大激光的可聚焦能力。

发明内容