红外飞秒光参量放大器及其大口径高能量化拓展

《红外飞秒光参量放大器及其大口径高能量化拓展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外飞秒光参量放大器及其大口径高能量化拓展（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、红外飞秒光参量放大器及其大口径高能量化拓展红外飞秒光参量放大器及其大口径高能量化拓展 钱列加 （复旦大学光科系 上海 200433） 摘 要：摘 要：红外飞秒光参量放大器(OPA)是重要的红外飞秒激光源，为了改善红外飞秒 OPA 的性 能，达到使装置高效、稳定、紧凑的目标，我们在红外飞秒光参量放大器领域发展了一系列新颖技 术，包括连续波注入的红外飞秒 OPA；混合注入的红外飞秒 OPA；色散补偿的红外飞秒 OPA；大口 径高能量的红外飞秒 OPA。 关键词：关键词：红外；飞秒光参数放大器；连续波注入式；混合注入式；色散补偿式；大口径高能量 1. 引引 言言 超快红外飞秒激光因其能具有超强的峰值

2、光强和超快的时间分辨能力，为物理，化学，生物等 学科新研究领域的开创提供了有力工具。红外光谱学技术的发展有赖于红外飞秒激光光源的性能的 改进，其主要方面在于，一方面更短的时间脉冲以提高更加精细的时间分辨力，一方面更广泛的飞 秒激光光源波长调谐能力以激发各种不同的物质。近十多年来超快飞秒光学取得了长足进展，利用 啁啾脉冲放大技术的克尔透镜锁模钛宝石激光器已经发展相当成熟，但其波长调谐范围相当有限， 仅仅局限于基频 800nm 或其倍频 400nm 的附近， 使可调谐的飞秒光源波长向红外波段扩展的主要手 段依靠光参量放大技术1，也即红外光参量放大器。 本文报道我们在红外光参量放大器上的一系列新技术

3、，包括（1）为了降低泵浦光阈值，使装置 简易和紧凑化，采用连续波激光作为红外飞秒 OPA 的注入源； （2）针对窄带激光注入的红外飞秒 OPA，为了分离窄带注入激光，输出光谱纯净的宽带飞秒信号光，采取信号光波长和闲置光波长混 合注入的红外飞秒 OPA 装置设计方案； （3）对泵浦光的色散效应补偿技术用于优化红外飞秒 OPA 的转换效率； （4）大口径高能量红外飞秒 OPA。 2. 连续波注入的连续波注入的 1m 波段飞秒光学参量放大器波段飞秒光学参量放大器 从飞秒光学参量放大器的构成形式来看主要有： （1） 光学参量产生/光学参量放大(OPG/OPA) 组 合2 ，3。 由于 OPG 这一非线

4、性过程起始于参量荧光， 不同波长产生于不同角度而形成锥形光谱分布， 导致所产生的光脉冲的光谱质量和光束空间质量并不理想；对产生如信号光波长在 1m 附近，闲频 光波长在 3 4m 所要求的抽运光阈值强度较高， 甚至已接近晶体的损伤阈值， 且往往伴有超连续的 产生，必然影响到运转的稳定性和安全性。 （2）飞秒超连续注入的 OPA4。超连续的产生涉及到一 些复杂的高阶非线性过程，不具有可控性，其强烈的时间啁啾特征严重影响所产生光脉冲的时域质 量；另外，高强度聚焦光束对产生超连续介质的局域损伤，必定影响输出光束的质量和稳定性。 （3） 外部脉冲光源同步注入的飞秒 OPA。 同步抽运 OPO5纳秒窄带

5、 OPO6调 QNd:YLF 激光器7和脉冲半 导体激光器8等都已被成功地应用于外部注入式飞秒 OPA 中。 这类 OPA 的主要优点在于它降低了抽 运阈值，因为它的起始机制实际上是一个差频过程，它有效地抑制了在不同角度产生不同波长的竞 争效应，从而提高了所产生光脉冲的光谱质量。但是，这类 OPA 的调谐较复杂，并且抽运光源和种 子光源之间需用同步触发电路控制以产生相同重复频率的光脉冲输出， 严格地讲两者并不是独立的。 尽管如此， 外部注入式飞秒 OPA 仍然是目前被较多采用的产生中红外 （闲频光） 飞秒光脉冲的方案。 此处主要侧重于 1m 波段飞秒光脉冲的产生。我们采用外部注入式 OPA 方

6、案，但与常规脉冲 式注入不同的是，我们采用亚瓦级连续波激光器作为种子光源，在保持降低抽运阈值这一优点的同 时，无需考虑抽运光源与种子光源的同步问题。实验表明，该 OPA 方案可以获得与脉冲式注入方案 相当的转换效率，并且具有一定的直接调谐能力。 图图 1 飞秒光学参量放大器结构示意图飞秒光学参量放大器结构示意图 我们采用的光学参量放大器结构如图 1 所示。采用两级四程放大方案，每一级的第二程以不同 的角入射到晶体；用望远镜控制光斑大小和光强；各光学延迟线控制脉冲间的时间同步。L 表示 透镜，BS 表示分束镜，DC 表示双色镜，NC 表示非线性晶体。 抽运源为美国光谱物理公司的 Spitfire

7、 钛宝石飞秒再生放大器，输出波长 800nm，单脉冲能量 500mJ，脉冲宽度 80fs，重复频率 1kHz。采 用两级四程放大方案，每一级的第二程在位相匹配不敏感的平面内，以与第一程不同的角度入射到 晶体内，使光束偏离来实现每级的输出。非线性晶体为 I 类匹配的 7% MgO:LiNbO3，切割角度为 q=46.5，=30。第一级晶体长度为 8mm，抽运强度约 70GW/cm2；第二级晶体长度 6mm，抽运 强度约 40GW/cm2。种子光源为小型 Nd:YAG 连续波激光器，波长 1064nm，输出功率可调，最大为 500mW。 就透明波段而言，KNbO3，MgO:LiNbO3 和 KTP

8、 晶体均可用作 1m 波段的光学参量放 大，但对于飞秒光学参量放大器，不仅要求非 线性晶体有较大的非线性系数， 而且更重要的 是要求晶体在所涉及的波长之间(抽运光信号 光闲频光)有较小的群速度失配量 （GVM） 。 综 合考虑这些因素， 我们认为 MgO:LiNbO3晶体 在 1m 波段更优于 KNbO3和 KTP 晶体。图 2 给出了800nm抽运信号光在1m波段的GVM 情况，实线表示 1/vs-1/vp，虚线表示 1/vi-1/vp， 其中 vs，vi 和 vp分别表示信号光闲频光和抽 运光的群速度。横坐标以信号光波长表示，相 应的闲频光波长范围为 42.933m，显示信号 光脉冲与抽运

9、光脉冲之间闲频光脉冲与抽运光脉冲之间的群速度失配是较小的。另外，通过计算得 到，该切割角度下 MgO:LiNbO3晶体的空间走离角（walk-off angle）约为 1.6，对于我们实验中所 采用的抽运光斑尺寸，该走离效应对转换效率的影响是微弱的。 Ti:Sapphire femtosecond amplifier CW Nd: YAG Laser Delay NC1 Output Delay NC2 BS1 L1 L2 L3 L4 L5 L6 800nm 1.064m 1.001.021.041.061.081.101.12 -100 -50 0 50 100 GVM (fs/mm) Si

10、gnal wavelength (m) 图图 2 800nm 抽运、抽运、 I 类匹配情形下的群速失配类匹配情形下的群速失配(GVM) GVM/fs/mm Signal wavelength/m 图 3 给出了在抽运条件不变的情况下，OPA 系统输出的信号光脉冲能量随注入种子光功率变化 和趋于饱和的情况。当注入功率达到约 100mW 时，放大已进入饱和状态，最大信号光脉冲能量为 30mJ。据我们所知，在已经报道的注入式飞秒 OPA 中，均采用相同重复频率的脉冲光源作为种子光 源，且大多采用注入种子脉冲的峰值功率达 102103W 量级7 ，8。然而，这类强注入飞秒 OPA 的调 谐较为复杂，一

11、般都是采用改变种子光波长6 或抽运光波长8，并结合非线性晶体的角度调整来实 现。在我们构建的注入式飞秒 OPA 中，注入种子为连续光，其峰值功率（实际上就等于平均功率） 最大为 500mW，比常规情形低 23 个量级，但通过适当增加放大级数（我们采用两级四程放大）仍 可以达到饱和状态。图 3 中插图给出了饱和放大状态下的输出信号光脉冲序列，其脉冲脉冲稳定性 优于 5%，接近于再生放大器输出脉冲的稳定度。更为重要的是，在实验上我们发现，这样的弱注入 飞秒 OPA 本身就具有直接调谐能力，也就是说，虽然注入种子的波长固定为 1064nm，但通过改变 非线性晶体的匹配角度，可以在一定范围内改变输出信

12、号光及闲频光的波长。实验表明，信号光波 长在 10101080nm 范围内调谐时，种子注入是有效的。在 800nm 抽运情形下，相应的闲频光调谐范 围为 3.083.85m， 这正是许多非线性光谱学研究所需要的中红外波段。 在传统的 OPG/OPA 方案中， 它有很好的直接调谐能力，但阈值抽运强度较高，存在一些负面影响；对脉冲强注入的飞秒 OPA， 它大大降低了抽运阈值，但它几乎没有直接调谐能力，调谐往往需要借助对外部光源的调谐加以实 现。而我们的弱注入 OPA 可视为上述两种方案的折衷，它一方面降低了抽运阈值，并且可通过适当 增加放大级数的方法克服相对于强注入方式的缺点；另一方面，它仍保留了

13、一定的直接调谐能力。 图 4 给出了典型的输出信号光脉冲的自相关曲线和光谱，脉冲宽度为 175fs。在可调谐范围内，脉冲 宽度均小于 250fs，主要由 GVM 和晶体长度决定。 3. 混合注入的红外飞秒光参量放大器混合注入的红外飞秒光参量放大器 如前所述，为了降低红外光参量放大器的泵浦阈值、增加输出的稳定性，广泛采用了外部注入 的方法，外部注入源通常选用与信号光同波长的窄带光源，如易于获取的连续激光。然而窄带外部 光源注入所带来的一个问题是，由于窄带注入光与飞秒信号的的波长相近，难以在光参量放大器的 输出端将它们分离开，于是窄带注入光混杂在输出的飞秒信号光当中，在飞秒信号光的宽带光谱上 造成

14、一个窄带尖峰，降低了飞秒信号光的光谱质量，影响了红外飞秒激光的测量与应用。 为此我们提出了混合注入的方案。由于在 OPA 过程当中，信号光与闲置光具有等效的作用和地 位，故它们都可以等同的作为 OPA 的注入光源。方案采用传统的红外 OPA 常用的级联结构，在其 最初放大级次仍采用与信号光同波长的窄带激光作为注入光以达到降低泵浦阈值的目的，在后面的 级次中采用前级 OPA 放大新产生的纯净的飞秒闲置光作为注入光， 由于后面级次的注入光是纯净的 1101001000 25 30 Pulse Energy (J) 图图 3 OPA 系统输出的信号光脉冲能量随注入 种子光功率变化和趋于饱和的情况 系

15、统输出的信号光脉冲能量随注入 种子光功率变化和趋于饱和的情况 图图 4 典型的输出信号光脉冲自相关 曲 典型的输出信号光脉冲自相关 曲线线和光和光谱谱 -1000-50005001000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Intensity (a.u.) Wavelength (nm) Intensity (a.u.) 90010001100 0.0 0.5 1.0 1.5 Pulse energy/J intensity/a.u 飞秒闲置光，其中不再包括信号光波长的窄带注入激光成分，故 OPA 装置输出的飞秒信号激光中有 效的去除了窄带注入激光成分。 实验采用的装置如图

16、 5 所示：第一级 OPA 中的两程光路以不同的角入射到晶体；用望远镜控 制光斑大小和光强；光学延迟用于控制脉冲间的时间同步；Ge：锗片；M1，M2：双色镜。使用美 国Spectral-Physics公司的商品化Spitfire钛宝石飞秒再生放大器作为泵浦光源， 输出中心波长800nm， 单脉冲能量 200mJ，脉冲 100fs，重复频率 1kHz。两级 OPA 均采用一类匹配的 LiNbO3晶体，切割 角度为 42。第一级 OPA 晶体长 8mm，采用双程结构。Nd:YAG 连续激光器作为注入种子光源， 波长 1064nm，输出功率可调，最大为约 500mW。第一级 OPA 输出的光波经过 3mm 厚锗片滤波， 注入第一级 OPA 的 1064nm 连续光成分以及第一级放大产生的 1064nm 波长附近飞秒信号光成分均 被锗片强烈吸收，其残余成分的透过率低于 10-9，从而确保注入到第二级 OPA 中的注入光为第一级 OPA 产生的纯净的 3m 波段的闲置光。第二级 OPA 中的