專利名稱：遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大(以下簡稱為OPCPA)
激
背景技術(shù)：
飛秒激光放大技術(shù)在過去的幾年時間里的得到了快速發(fā)展，為人類充分探索微觀 超快現(xiàn)象及研究強場物理提供了前所未見的實用手段和發(fā)展機遇。尤其是超強超短 的飛秒激光出現(xiàn)，由于它具有超高的峰值功率和超短的脈沖寬度，因而在ICF快點 火，高能物理，高強度X射線輻照源，粒子加速，產(chǎn)生X射線激光，產(chǎn)生激光高次 諧波，產(chǎn)生中子等物理學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，給科學(xué)家們帶來了未曾預(yù)料 到的一些新奇物理現(xiàn)象。
為了獲得超強超短的飛秒激光，1992年由Dubietis提出，并由Ross等人在1997 年對其進(jìn)行發(fā)展的光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)，綜合了啁啾脈沖放大 (Chirped pulse amplification, CPA)技術(shù)和參量放大(OPA)技術(shù)的各自優(yōu)點，成為 了現(xiàn)代激光放大技術(shù)的研究熱點。但是，OPCPA放大技術(shù)是基于非線性效應(yīng)的 參量放大過程，它對泵浦光脈沖的時間和空間均勻性以及穩(wěn)定性要求很高，而且泵 浦光和信號光的遠(yuǎn)程精確同步也是OPCPA技術(shù)的一大難題。因此，研究高穩(wěn)定性 高精度遠(yuǎn)程全光同步的光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)激光系統(tǒng)成為了當(dāng)今最前
沿的研究問題之一。
C.Y.Teisset等人于2005年在文章"Soliton-based pump-seed synchronization for few-cycle OPCPA" (Optics Express, Vol. 13 Issue 17， pp.6550-6557 (2005))中，利用光 子晶體光纖(PCF)實現(xiàn)了全光同步的OPCPA系統(tǒng)，但是作為OPCPA系統(tǒng)的種子源， 由于鈦寶石振蕩器腔長的漂移和強度噪聲，種子光頻率穩(wěn)定性較差，這既影響了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性，也導(dǎo)致泵浦光和種子光之間產(chǎn)生較大的時間抖動，惡化了全光同步。 而且該系統(tǒng)和其它現(xiàn)有的OPCPA激光放大系統(tǒng)一樣，都只是局限于應(yīng)用在實驗室內(nèi) 近距離激光放大，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程OPCPA放大和操作。
目前，光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)激光系統(tǒng)的種子脈沖基本上都是采用振 蕩器來提供，圖2為已有的光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。在圖2中，泵浦源1產(chǎn)生的532nrn的連續(xù)光用來泵浦鈦寶石振蕩器2，從而獲得800nrn的飛秒 激光，該飛秒激光經(jīng)過啁啾鏡CM1和CM2后，入射到分束鏡BS上將光束分成兩路 光， 一路光經(jīng)過高反射鏡M1,M2和M3后，進(jìn)入到自由空間脈沖展寬器PS上，自 由空間脈沖展寬器PS將飛秒激光脈沖展寬到皮秒量級，展寬后的光脈沖直接注入到 OPA放大器上，作為信號光。來自分束鏡BS的另一路光依次經(jīng)過高反射鏡M4， M5和半波片HI后，由物鏡LI耦合到光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)中， 獲得的1064nm的頻移光，該頻移光再依次經(jīng)過第二個物鏡L2，高反射鏡M6和 M7，半波片H2，光隔離器FIl，半波片H3，高反射鏡M8，偏振片TFP1，半波片 H4和光隔離器FI2后，進(jìn)入到再生放大腔中進(jìn)行放大，再生放大腔由曲面高反射鏡 M9，普克爾盒PC，四分之一波片Ql,偏振片TFP2， Nd:YAG增益棒(Nd:YAGl)， 標(biāo)準(zhǔn)具El和高反射鏡M10組成。從再生放大腔中輸出的放大脈沖最后由偏振片TFP2 導(dǎo)出，并通過光隔離器FI2和半波片H4原路返回，然后通過偏振片TFP1和半波片 H5進(jìn)入到雙通放大器中，雙通放大器由偏振片TFP3， Nd:YAG增益棒(Nd:YAG2)， 光隔離器FI3和高反射鏡Mil組成，來回兩次通過Nd:YAG增益棒(Nd:YAG2)后的 放大光脈沖最后由偏振片TFP3導(dǎo)出，再依次經(jīng)過倍頻晶體SHG倍頻，高反射鏡M13 和M14后，直接注入到OPA放大器上作為泵浦光。這樣，來自自由空間脈沖展寬器 PS的信號光和來自高反射鏡M14的泵浦光在OPA放大器上進(jìn)行參量放大，便得到 高能量的800nm的皮秒量級脈沖。
光脈沖的傳輸則是通過光學(xué)鏡片來改變光脈沖在空氣中的傳輸方向來實現(xiàn)。針對 種子源而言，振蕩器由于具有體積較大，頻率穩(wěn)定性差，時間抖動較大等缺點，往 往給光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全光同步帶來巨大危害。而且，當(dāng) 種子脈沖在空間傳輸時，因光學(xué)鏡架的穩(wěn)定性差以及環(huán)境的影響，會引起光脈沖的 形狀發(fā)生改變，同時伴隨著較大的時間抖動等，這些不利因素既嚴(yán)重影響著光學(xué)參 量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的光學(xué)同步和系統(tǒng)穩(wěn)定性，又限制了 OPCPA放大系統(tǒng)可適 用環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，獲得高精度遠(yuǎn)程全光同步以及實現(xiàn)遠(yuǎn)程OPCPA控制和 操作，本發(fā)明提出了一種遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)不 僅能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括頻率穩(wěn)定性，而且保證了泵浦光和種子光的亞10飛秒 量級高精度遠(yuǎn)程全光同步，還實現(xiàn)了 OPCPA放大系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由飛秒光纖激光器、光纖 耦合器、第一傳光光纖與光纖連接器、光纖頻率轉(zhuǎn)換器、再生放大器、倍頻晶體、 反射鏡、第二傳光光纖與光纖連接器、光纖展寬器、第三傳光光纖與光纖連接器、 OPA放大器和壓縮器組成，光路走向和元器件的位置如下飛秒光纖激光器、產(chǎn)生 的飛秒鎖模脈沖系列經(jīng)光纖耦合器分成兩路光，其中一路光經(jīng)過第一光纖與光纖連 接器(3)注入到光纖頻率轉(zhuǎn)換器中，獲得注入到再生放大器中的種子脈沖，再生放大 器輸出的放大脈沖經(jīng)過倍頻晶體倍頻，得到的倍頻光用于OPA放大器的泵浦光，從 光纖耦合器中輸出的另一路光經(jīng)過第二光纖與光纖連接器連接到光纖展寬器后展
寬，展寬后的脈沖系列再經(jīng)過第三光纖與光纖連接器將光束引入到0PA放大器中， 作為信號脈沖，該信號光脈沖與來自反射鏡的泵浦光脈沖在OPA放大器中通過參量 放大，從OPA放大器輸出的放大信號脈沖最后經(jīng)過壓縮器壓縮，得到高峰值功率的中 紅外飛秒脈沖。
所述的飛秒光纖激光器)的中心波長為1550nm，脈沖寬度為100飛秒。
所述的光纖耦合器是1x2的保偏光纖耦合器，功率分配比為30/70，輸入到光 纖頻率轉(zhuǎn)換器(4)的一路光功率占70%,輸入到光纖展寬器(9)中另 一路光功率占30%。
所述的第三光纖與光纖連接器的入射端是帶有傳光光纖的光纖連接頭，輸出端 是帶有傳光光纖的光纖準(zhǔn)直輸出頭，而第一光纖與光纖連接器和第二光纖與光纖連 接器的兩端都是帶有傳光光纖的光纖連接頭，所用的傳光光纖都是單模保偏光纖。
所述的光纖頻率轉(zhuǎn)換器是光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器，其入射端是光子晶體光纖 連接頭，輸出端是光子晶體光纖準(zhǔn)直輸出頭。
所述的倍頻晶體是溫控的三硼酸鋰(LBO)晶體。
所述的OPA放大器為一級或者多級放大器。
所述的光源采用1550nm的飛秒光纖激光器，系統(tǒng)穩(wěn)頻效果好，時間抖動小， 易于系統(tǒng)集成，以及大范圍遠(yuǎn)距離的高精度光同步，可以在幾十米乃至百米的范圍 內(nèi)達(dá)到亞10飛秒的同步精度。
所述的1550nm飛秒激光的倍頻光正好處于鈦寶石(Ti:sapphire)激光器的工作范 圍，可以同步鈦寶石激光器，作為種子源。
采用1x2的光纖耦合器代替自由空間分束鏡作為分束器，功率分配比為30〃0， 輸入到光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器的一路光功率占70%，輸入到光纖展寬器中另一路光纖耦合器獲得的兩路光脈沖，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 而且有利于實現(xiàn)遠(yuǎn)程OPCPA控制，易于系統(tǒng)集成。
利用光纖展寬器代替自由空間展寬器來展寬飛秒脈沖，克服了體積大，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，穩(wěn)定性差和調(diào)節(jié)困難等缺點，具有體積小，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活， 便于遠(yuǎn)程操作和易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點。
所述的飛秒光纖激光器輸出的中心波長位于光子晶體光纖的負(fù)色散區(qū)，且靠近 它的零色散點。利用光子晶體光纖進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換來獲得1064nm的孤子脈沖，簡單方 便，穩(wěn)定性高，易于系統(tǒng)集成。
用光子晶體光纖輸出的光孤子作為再生放大器的種子源，具有光束質(zhì)量好和遠(yuǎn) 程操作靈活等優(yōu)點。
用低損耗傳光光纖與光纖器件代替光在空氣中傳輸，既減少了空間白噪聲和環(huán) 境抖動對光傳輸穩(wěn)定性的影響，又保證了高精度遠(yuǎn)程全光同步飛秒量級的OPCPA控 制，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保證了高質(zhì)量的光束結(jié)構(gòu)，易于系統(tǒng)集成。
根據(jù)實際要求，可靈活的選擇傳光光纖的長度，使得系統(tǒng)中1550nm飛秒光纖激 光器、光纖耦合器、第一光纖與光纖連接器、光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器、第二光纖 與光纖連接器、光纖展寬器、第三光纖與光纖連接器的組合能有效的實現(xiàn)高精度遠(yuǎn) 程全光同步和遠(yuǎn)程控制的OPCPA放大，而且由于這些器件之間采用光纖連接，系統(tǒng) 的穩(wěn)定性好。
通過在光路中引入傳光光纖及光纖器件來減少了光學(xué)鏡架的不穩(wěn)定性及環(huán)境對 光傳輸?shù)挠绊?，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程激光傳輸和遠(yuǎn)程OPCPA放大控制， 保證了信號光脈沖與泵浦光脈沖亞IO飛秒量級的高精度全光同步，而且獲得了光束 結(jié)構(gòu)的高精度控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，靈活，易于操作和集成到遠(yuǎn)程的OPCPA 放大系統(tǒng)中。
本發(fā)明的最大優(yōu)點是
本發(fā)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，遠(yuǎn)程全光同步精度達(dá)到亞10飛秒量級，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程 OPCPA控制，結(jié)構(gòu)簡單，靈活，便于集成，為高功率激光放大系統(tǒng)提供穩(wěn)定的、高 對比度的種子光源以及集成到遠(yuǎn)程的OPCPA放大系統(tǒng)中。


圖1為本發(fā)明遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為已有技術(shù)的光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
請參閱圖1，圖1為本發(fā)明遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖。也是本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可見，本發(fā)明遠(yuǎn)程全光同 步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由1550nm飛秒激光光纖激光器l、光纖耦合器 2、第一光纖與光纖連接器3、光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器4、再生放大器5、倍頻晶體 6、反射鏡7、第二光纖與光纖連接器8、光纖展寬器9、第三光纖與光纖連接器10、 OPA放大器11和壓縮器12組成，上述元器件的位置如下所述的1550nm的飛秒 光纖激光器1產(chǎn)生的飛秒鎖模脈沖系列經(jīng)所述的光纖耦合器2分成兩路，其中一路 光經(jīng)過第一光纖與光纖連接器3注入到光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器4中，獲得注入到 再生放大器5中的1064nm種子脈沖，再生放大器5放大輸出的1064nm放大脈沖經(jīng) 過倍頻晶體6倍頻，得到的532nm的倍頻光用作OPA放大器11的泵浦光，從所述 的光纖耦合器2輸出的另一路光經(jīng)過第二光纖與光纖連接器8輸入到光纖展寬器9 中展寬，展寬后的脈沖系列再經(jīng)過第三光纖與光纖連接器10將光束引入到OPA放 大器11中，作為信號光脈沖，該信號光脈沖在OPA放大器ll中與泵浦光脈沖一起 通過參量放大，從0PA放大器11輸出的放大信號脈沖最后經(jīng)過壓縮器12壓縮，得 到高峰值功率的中紅外飛秒激光脈沖。
本實施例用飛秒的光纖激光器1產(chǎn)生中心波長為1550nm，脈寬為100飛秒的飛 秒脈沖，該飛秒脈沖通過1x2光纖耦合器2后分成兩路光， 一路光(能量為70%)通過 第一傳光光纖與光纖連接器3進(jìn)入到光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器4，由于非線性效應(yīng)， 產(chǎn)生1064nm的孤子光脈沖，該孤子光脈沖然后依次經(jīng)過再生放大器5放大和 BBO/LBO倍頻晶體6倍頻后，得到高能量的532nm的光源，該光源經(jīng)過532nm高 反射鏡7后，進(jìn)入到OPA放大器11作為它的泵浦光。來自光纖耦合器2的另一路光 (能量為30%)通過第二傳光光纖與光纖連接器8進(jìn)入到光纖展寬器9中，光纖展寬器 9將飛秒脈沖展寬到皮秒或者納秒量級，使之與注入到OPA放大器11中的532nm 的泵浦光脈沖寬度相匹配，展寬后的1550nm的激光脈沖再經(jīng)過第三傳光光纖與光纖 連接器10將其引入到OPA放大器11中，作為OPA放大器11的信號光。接著，532nm 的泵浦光和1550nm的信號光在OPA中，通過光學(xué)參量放大作用，便獲得高能量的 1550nm的光源，該放大光源脈沖寬度為皮秒或者納秒量級，這樣的光源再經(jīng)過壓縮器12后就可獲高峰值功率的飛秒光源。
本實施例與圖2現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
(1) 種子光脈沖是用光纖激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的振蕩器來提供，穩(wěn)頻效果好，時間抖 動小，體積小，易于系統(tǒng)集成和實現(xiàn)高精度全光同步。
(2) 用光纖耦合器來代替分束鏡，既提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，又便于系統(tǒng)集成和用于 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中。
(3) 用光纖傳輸光脈沖代替光在空氣中傳輸，既實現(xiàn)了光束結(jié)構(gòu)的高精度控制， 又保證了高精度遠(yuǎn)程全光同步飛秒量級的OPCPA控制，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保證 了高質(zhì)量的光束結(jié)構(gòu)，易于系統(tǒng)集成和遠(yuǎn)程操作。
(4) 用光纖展寬器代替自由空間展寬器，體積小，穩(wěn)定性高，便于遠(yuǎn)程操作和集成。
(5) 與圖2相比，圖l中需要的光學(xué)器件少，連接容易，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高， 易于集成和遠(yuǎn)程操作。
(6) 利用圖2的激光系統(tǒng)得到是800nm的近紅外超短超強激光光源，而利用圖1 發(fā)明的激光系統(tǒng)得到是1550nm的中紅外超短超強激光光源，該中紅外超短超強激光 的倍頻光正好處于鈦寶石(Ti:sapphire)激光器的工作范圍，可以同步鈦寶石激光器， 作為種子源。
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權(quán)利要求
1、一種遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，包括飛秒激光纖激光器(1)，光纖耦合器(2)，第一傳光光纖與光纖連接器(3)，光纖頻率轉(zhuǎn)換器(4)，再生放大器(5)，倍頻晶體(6)，反射鏡(7)，第二傳光光纖與光纖連接器(8)，光纖展寬器(9)，第三傳光光纖與光纖連接器(10)，OPA放大器(11)和壓縮器(12)組成，光路走向和元器件的位置如下飛秒光纖激光器(1)產(chǎn)生的飛秒鎖模脈沖系列經(jīng)光纖耦合器(2)分成兩路光，其中一路光經(jīng)過第一光纖與光纖連接器(3)注入到光纖頻率轉(zhuǎn)換器(4)中，獲得注入到再生放大器(5)中的種子脈沖，再生放大器輸出的放大脈沖經(jīng)過倍頻晶體(6)倍頻，得到的倍頻光用于OPA放大器(11)的泵浦光，從光纖耦合器(2)中輸出的另一路光經(jīng)過第二光纖與光纖連接器(8)連接到光纖展寬器(9)后展寬，展寬后的脈沖系列再經(jīng)過第三光纖與光纖連接器(10)將光束引入到OPA放大器(11)中，作為信號脈沖，該信號光脈沖與來自反射鏡(7)的泵浦光脈沖在OPA放大器(11)中通過參量作用而得到放大，從OPA放大器(11)輸出的放大信號脈沖最后經(jīng)過壓縮器(12)壓縮，得到高峰值功率的中紅外飛秒脈沖。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其 特征在于所述的飛秒光纖激光器(l)的中心波長為1550 nm，脈沖寬度為100飛秒。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其 特征在于所述的光纖耦合器(2)是1x2的保偏光纖耦合器，功率分配比為3(V70，輸入 到光纖頻率轉(zhuǎn)換器(4)的一路光功率占70%，輸入到光纖展寬器(9)中另一路光功率占 30%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其 特征在于所述的第三光纖與光纖連接器(10)的入射端是帶有傳光光纖的光纖連接頭， 輸出端是帶有傳光光纖的光纖準(zhǔn)直輸出頭，而第一光纖與光纖連接器(3)和第二光纖 與光纖連接器(8)的兩端都是帶有傳光光纖的光纖連接頭，所用的傳光光纖都是單模 保偏光纖。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其 特征在于所述的光纖頻率轉(zhuǎn)換器(4)是光子晶體光纖頻率轉(zhuǎn)換器，其入射端是光子晶 體光纖連接頭，輸出端是光子晶體光纖準(zhǔn)直輸出頭。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的一種高穩(wěn)定性高精度遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放 大激光系統(tǒng)，其特征在于所述的倍頻晶體(6)是溫控的三硼酸鋰晶體。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，其 特征在于所述的OPA放大器(ll)為一級或者多級放大器。
全文摘要
一種遠(yuǎn)程全光同步光學(xué)參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，由1550nm飛秒激光纖激光器、光纖耦合器、傳光光纖與光纖連接器，光纖頻率轉(zhuǎn)換器、再生放大器、倍頻晶體、光纖展寬器，光學(xué)參量放大器和壓縮器構(gòu)成，本發(fā)明的特點是信號光和泵浦光源來自同一光纖激光器，穩(wěn)頻效果好，通過在系統(tǒng)中用光纖傳光來代替光在空氣中傳輸，既能實現(xiàn)遠(yuǎn)程激光傳輸和遠(yuǎn)程光學(xué)參量啁啾脈沖放大控制，又保證了信號光脈沖與泵浦光脈沖亞10飛秒量級的高精度時間同步，而且還實現(xiàn)了光束結(jié)構(gòu)的高精度控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，靈活，易于操作和集成到遠(yuǎn)程的OPCPA放大系統(tǒng)中。
文檔編號H01S3/02GK101557073SQ20091004935
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者冷雨欣, 徐至展, 乘 王, 王河林 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所