[发明专利]环形腔结构光参量放大装置

说明书

一种环形腔结构光参量放大装置，包括第一导光镜、N块腔镜、N块非线性晶体、N块群速补偿薄片、由两块反射镜构成的反射导光镜和色分离镜，本发明一方面因采用消闲置光原理，较传统参量放大过程，单块晶体短，匹配带宽更大；另一方面因采用逐级群速补偿，大大提高转换效率。本发明适用于纳秒域、皮秒域以及飞秒域的超短脉冲参量放大。

技术领域

本发明涉及光参量放大，特别是一种组合利用消闲置光思想与群速失配补偿思想的超短激光脉冲参量放大装置，可在飞秒到纳秒时域范围内，用于高转换效率、高增益倍率、高稳定的小型化光参量放大器。

背景技术

光参量放大(简称为OPA)作为当前超短脉冲放大技术的主要途径之一，在宽带脉冲激光装置中应用广泛，潜力巨大。特别是结合啁啾脉冲放大技术(CPA)的光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)，具备高增益、低热沉积、高信噪比、高增益带宽等优点。在脉宽数个光学周期量级的超短脉冲或者谱宽百纳米量级的啁啾长脉冲装置中，存在的主要问题包括：在实现>10⁶增益(晶体较长)条件下匹配带宽降低；转换效率与稳定性有待进一步提高；对于皮秒量级以及更短脉冲的OPA，群速失配问题严重，制约增益倍率与匹配带宽。

文献[Optica.2015,2(11):1006-1009]提出的准参量放大技术(Quasi-Parametric Amplification，简称为QPA)的主要思想是通过在参量放大晶体中掺杂，使得放大过程中产生的闲置光因被掺杂粒子大量吸收而维持在低强度水平上，从而抑制参量放大中能量逆转换以提高能量转换效率。但文通过掺杂方法的QPA方法存在三点不足：其一，实现同等增益倍率要求晶体更长，导致匹配带宽下降；其二，闲置光是在晶体内部被吸收而转换为热量，其热效应可导致相位失配或传输波前畸变；其三，对于非共线结构的OPA，晶体越长导致三波空间耦合偏移越大，走离效应影响严重。

发明内容

本发明提供一种环形腔结构光参量放大装置，解决的OPA中的问题主要包括以下四个方面：其一，高增益OPA增益带宽降低问题；其二，输出能量稳定性问题；其三，OPA转换效率偏低问题；其四，脉宽皮秒域以内的超短脉冲OPA中的群速失配(简称为GVM)问题。

为实现上述目标，本发明的技术解决方案如下：

一种环形腔结构光参量放大装置，其特点在于，包括第一导光镜、N块腔镜、N块非线性晶体、N块群速补偿薄片、由两块反射镜构成的反射导光镜和色分离镜，所述的N块腔镜的间距相等构成等边多边形环形腔，相邻两块腔镜之间为一级光参量放大级，包含一块非线性晶体和一块群速补偿薄片，该非线性晶体与群速补偿薄片在信号光脉冲中心波长与泵浦光波长处实现群速度失配补偿；激光注入端第一腔镜的位置可向等多边形外接圆的圆心移动，以改变放大通数；该环形腔的最后一块腔镜后是反射导光镜，以在竖直方向上实现信号光与泵浦光空间落点下移，并逆向回传，实现放大通数的倍增；信号光与泵浦光以共线方式在腔内传输；在非线性晶体内，实现共线结构的光参量放大，沿激光注入方向依次是所述的色分离镜、第一导光镜、第一腔镜，所述的N≥3。

所述的腔镜为镀膜的二向色镜，膜层对信号光与泵浦光为高反射率，对于闲置光为高透射率，实现放大级间闲置光全消；所述的二向色镜的宽带镀膜反射角为90°(N-2)/N，N为腔镜数量。

所述的非线性晶体的切割方向为实现信号光与泵浦光中心波长匹配方向，晶体长度的选择以能够将三波中心波长群速失配量控制在允许范围内为宜；对于N为偶数多边形腔，相邻两块非线性晶体为绕传输方向旋转180°放置，对于N为奇数多边形腔，最后一块非线性晶体由两块等长度的相互倒置的晶体组合代替，以实现全系统非寻常光走离效应完全补偿。

所述的群速补偿材料薄片的特性与长度，需实现对信号光中心波长与泵浦光波长传输的群速失配量为定值，且该值与所述的非线性晶体内信号光中心波长与泵浦光波长群速失配量大小相等符号相反，从而实现各级参量放大器群速失配量的静态补偿。