光參量啁啾脈沖飽和放大的增益穩(wěn)定性

1、第16卷第12期2004年12月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.12Dec.,2004文章編號(hào):100124322(2004)1221540205光參量啁啾脈沖飽和放大的增益穩(wěn)定性魏曉峰1,2,呂志偉1,曾小明2,黃曉軍2,朱啟華2王曉東2,劉蘭琴2,周凱南2,王逍2,郭儀2X(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電系,黑龍江哈爾濱150001;2.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽(yáng)621900)摘要:光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)在飽和放大區(qū)存在一個(gè)增益穩(wěn)定點(diǎn),據(jù)此設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出穩(wěn)定的三級(jí)OPCPA系統(tǒng);第一、二、三級(jí)分別選用準(zhǔn)相位匹

2、配的周期極化鈦氧磷酸鉀(PPKTP)晶體、LBO晶體和KDP晶體作為增益介質(zhì)。飽和放大時(shí),增益隨泵浦光強(qiáng)度變化時(shí)的增益輸出穩(wěn)定性明顯改善,在泵浦光強(qiáng)度抖動(dòng)低于6%的情況下,各級(jí)光參量放大器OPA輸出的增益抖動(dòng)小于1%。前級(jí)采用準(zhǔn)相位匹配的PPKTP晶體作為增益介質(zhì),在遠(yuǎn)低于破壞閾值的30MW/cm2的泵浦功率密度下,可得到2×105的飽和放大增益和20%的能量轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵詞:光參量啁啾脈沖放大(OPCPA);增益穩(wěn)定性;飽和放大中圖分類(lèi)號(hào):TN241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A現(xiàn)今的啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的峰值功率已能達(dá)到幾百TW(1012W)至PW(1015W)。這些激光系統(tǒng)能產(chǎn)生高功率超短脈沖

3、主要依靠?jī)蓚€(gè)方面:一是鈦寶石的寬增益譜帶;二是釹玻璃所能承受的高能量。超短超強(qiáng)脈沖激光技術(shù)的突破性進(jìn)展不但為超高能量密度物理、激光等離子體物理、強(qiáng)場(chǎng)物理、等離子體加速器及X射線激光等研究領(lǐng)域提供了全新的實(shí)驗(yàn)手段,而且也為慣性約束聚變開(kāi)辟了新的“快點(diǎn)火”技術(shù)途徑1。為了進(jìn)一步提高激光器的輸出峰值功率和脈沖能量,抑制光譜窄化效應(yīng)和提高信噪比,用OPCPA系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的再生和預(yù)放系統(tǒng)是一種非常有效的方法。1997年英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的Ross等人26,為了提高激光脈沖的信噪比,提出了一種新的放大激光脈沖的方法即光學(xué)啁啾脈沖參量放大技術(shù),它利用非線性晶體作為增益介質(zhì)的光參量放大器(OPA)取代了傳統(tǒng)的激

4、光放大器。其基本思想是:參量放大過(guò)程中,使泵浦光工作在高強(qiáng)度的窄譜帶狀態(tài),而信號(hào)光則是寬譜帶的啁啾脈沖,經(jīng)過(guò)非線性晶體的耦合放大后,再壓縮回飛秒脈沖。由于在光學(xué)啁啾脈沖參量放大中只有泵浦光和信號(hào)光同時(shí)在晶體中得到匹配時(shí)才能產(chǎn)生放大,因此在主脈沖之外的噪聲得到了很好的抑制。同時(shí)因?yàn)楣鈱W(xué)參量放大的高增益,使得系統(tǒng)中的光學(xué)介質(zhì)減少,由此降低了色散,避免了傳統(tǒng)CPA激光的B積分問(wèn)題;另外晶體對(duì)抽運(yùn)光和信號(hào)光都是透明的,可以防止熱效應(yīng)。這些都有助于光束質(zhì)量的提高。以前人們對(duì)光參量放大的研究,很少關(guān)心OPA系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性。然而OPA系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性在器件的實(shí)際運(yùn)行中有著至關(guān)重要的作用,尤其是用高增益(大

5、于1010)多級(jí)OPA來(lái)放大弱信號(hào)光時(shí),更需要很好的輸出穩(wěn)定性。影響OPCPA增益輸出穩(wěn)定性的因素很多7,主要有泵浦光的強(qiáng)度變化、泵浦光和信號(hào)光的時(shí)間同步抖動(dòng)、三波耦合時(shí)的相位失配量k的大小變化等。本文先分析了增益隨泵浦光和信號(hào)光強(qiáng)度變化時(shí)的增益輸出穩(wěn)定性,并仔細(xì)分析了光參量在飽和放大時(shí)的增益特性,對(duì)OPCPA在飽和放大時(shí)的增益輸出穩(wěn)定性進(jìn)行了理論計(jì)算和分析,并利用該結(jié)論進(jìn)行了三級(jí)OPCPA系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。1OPCPA的增益穩(wěn)定性分析OPA屬于典型的三波混頻過(guò)程,如果僅考慮時(shí)間域,不計(jì)橫向空間變化等,耦合波方程為:22effE3E23exp(-izk)閑頻光(+1)E1(z,t)=225zvg

6、15t21c5tk1c22effE3E13exp(-izk)信號(hào)光(+2)E2(z,t)=225zvg25t22c5tk2c2D2effE1E2exp(-izk)泵浦光(+3)E3(z,t)=225zvg35t23c5tk3cX收稿日期:2004206207;修訂日期:2004208212(1)基金項(xiàng)目:高溫高密度等離子體物理國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助課題(51480040204JW0701),男,研究員,博士生,主要從事強(qiáng)激光技術(shù)研究;E2mail:zxm7311。作者簡(jiǎn)介:魏曉峰(1961© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,

7、Ltd. All rights reserved.第12期魏曉峰等:光參量啁啾脈沖飽和放大的增益穩(wěn)定性1541式中:Ei,i,ki,頻率、波矢、群速度、色散系數(shù)、損耗系數(shù);effgi,Di,i(i=1,2,3)分別是三個(gè)波的復(fù)振幅、k=k3-k1-k2。為非線性耦合系數(shù);k是三個(gè)波之間的相位失配,如果泵浦光的衰減很小,我們可以從三波耦合方程出發(fā),當(dāng)耦合光在時(shí)間和空間上均為平頂光束,在慢變化近似下求解以上方程組可得信號(hào)光增益的解析解8221/2(2)G=0.25exp20-(k/2)lcdeffIp/2s)cos(-),為參量光束的離散角,和分別是泵浦光和信式中:0=40npninscicos(

8、-號(hào)光與閑頻光之間的夾角;kl=(kp-ks-ki)l。當(dāng)泵浦光強(qiáng)烈衰減時(shí),放大達(dá)到飽和狀態(tài),能量從信號(hào)光和閑頻光重新回流到泵浦光上,可以利用Runge2Kutta法對(duì)方程組(1)進(jìn)行數(shù)值求解。圖1表示了參量增益的數(shù)值解和解析解,在小信號(hào)增益下參量增益的數(shù)值解和解析解二者符合很好,在接近飽和及飽和放大后就有明顯的不同。這表明:一旦泵浦光和信號(hào)光的參數(shù)給定,就必須仔細(xì)選擇晶體的長(zhǎng)度。OPA放大的增益與泵浦光、信號(hào)光的強(qiáng)度及非線性晶體長(zhǎng)度密切相關(guān)。當(dāng)晶體長(zhǎng)度一定時(shí),我們分析了小信號(hào)放大和飽和放大時(shí)分別改變?nèi)肷湫盘?hào)光強(qiáng)度和泵浦激光強(qiáng)度條件下的增益變化。小信號(hào)放大時(shí),可直接利用公式(2)求解。在保持泵

9、浦激光的強(qiáng)度不變時(shí)OPA的Fig.1Comparisonbetweensimulationresultsandanalyticalsolutionofparametricgain圖1參量增益的數(shù)值解和解析解的比較增益G不變,由Iout=G×Iin知,輸出信號(hào)光隨入射信號(hào)光同幅度改變;保持入射信號(hào)光強(qiáng)度不變,在LBO晶體中,取泵浦光波長(zhǎng)為527nm,泵浦強(qiáng)度為2GW/cm2進(jìn)行模擬計(jì)算,在泵浦激光強(qiáng)度改變?yōu)?#177;10%時(shí),信號(hào)光的輸出強(qiáng)度改變很大,達(dá)到±120%,是泵浦激光強(qiáng)度改變幅度的12倍,增益變化很大。飽和放大時(shí),我們利用PPKTP晶體進(jìn)行了模擬計(jì)算,如圖2所示。

10、圖2(a)是光參量飽和放大時(shí)信號(hào)光輸出隨輸入的變化趨勢(shì),從中可以看出:輸入信號(hào)光在相當(dāng)大的范圍內(nèi)改變時(shí),信號(hào)光輸出強(qiáng)度幾乎不變,如當(dāng)信號(hào)光從0.45MW/cm2變化到0.55MW/cm2時(shí)輸出信號(hào)光的強(qiáng)度只起伏了1%。圖2(b)是光參量在深度飽和放大時(shí)增益穩(wěn)定性與泵浦光變化的關(guān)系,泵浦光幅度漂移6%時(shí),OPA增益只變化了1%左右。Fig.2GaincurvesofsaturationamplificationinOPAsystemswithdifferentinputsignalandpumpingintensity圖2光參量飽和放大時(shí)信號(hào)光輸出隨輸入的變化(a)及增益穩(wěn)定性與泵浦光變化的關(guān)系

11、(b)從前面的分析可知:小信號(hào)放大時(shí)不如飽和放大情況下的狀態(tài)穩(wěn)定,泵浦激光強(qiáng)度的改變對(duì)OPCPA穩(wěn)定性的影響較信號(hào)光入射強(qiáng)度的改變對(duì)穩(wěn)定性的影響大。這是由于在非線性光學(xué)晶體中,光強(qiáng)越強(qiáng),非線性相互作用也越強(qiáng),能量轉(zhuǎn)換過(guò)程就越快。泵浦光強(qiáng)度的非均勻分布(脈沖能量本身的起伏及脈沖波形的非平頂分布)會(huì)造成不同時(shí)間位置和空間位置處參量光的成長(zhǎng)速度不同。又由于參量過(guò)程的逆過(guò)程和頻過(guò)程的存© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1542強(qiáng)激光與粒子束第16卷在,使得能量回流。如果人為增加晶體

12、長(zhǎng)度,能量增長(zhǎng)較快的部分有一部分能量又將從信號(hào)光回流到泵浦光,使能量增長(zhǎng)較慢的部分充分增長(zhǎng)放大,從而可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)泵浦光和輸入信號(hào)光強(qiáng)度在相當(dāng)大的范圍內(nèi)抖動(dòng)時(shí)還能保持系統(tǒng)能量的輸出穩(wěn)定。因此,利用光參量飽和放大時(shí)的增益特性,合理平衡泵浦光強(qiáng)度、信號(hào)光強(qiáng)度和晶體長(zhǎng)度的變化,可以確定一個(gè)增益穩(wěn)定點(diǎn)(最佳晶體長(zhǎng)度),即在此增益穩(wěn)定點(diǎn)附近,當(dāng)泵浦光和入射信號(hào)光的強(qiáng)度抖動(dòng)時(shí),對(duì)OPCPA系統(tǒng)的能量輸出影響最少,從而可以實(shí)現(xiàn)OPCPA系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。所以,要使系統(tǒng)的放大狀態(tài)穩(wěn)定,首先要盡量保證泵浦激光強(qiáng)度穩(wěn)定,并且最好使OPA工作在飽和放大狀態(tài)。另一方面,飽和放大也可以降低系統(tǒng)對(duì)泵浦光在時(shí)間脈沖波形方面的要求

13、。2三級(jí)光參量飽和放大的優(yōu)化設(shè)計(jì)目前用于光參量放大的非線性晶體主要有BBO,LBO和KDP,但是,利用上述非線性晶體,很難在前級(jí)放大中實(shí)現(xiàn)高增益的飽和放大9,10。因此,我們選用準(zhǔn)相位匹配的周期極化鈦氧磷酸鉀(PPKTP)晶體11作為第一級(jí)放大介質(zhì),其相位匹配角帶寬比常用的LBO或BBO晶體大兩個(gè)量級(jí),有效非線性系數(shù)也比LBO晶體大一個(gè)量級(jí),在遠(yuǎn)低于破壞閾值的30MW/cm2的泵浦功率密度下,可得到2×105的飽和增益和大于20%的能量轉(zhuǎn)換效率,很好地解決了以前OPCPA系統(tǒng)前端增益不穩(wěn)和轉(zhuǎn)換效率不高的問(wèn)題?？紤]到LBO相對(duì)BBO晶體具有高破壞閾值、不易潮解、大的參量帶寬、大的參量允

14、許角、小的走離角、小的群速色散以及輸出光束質(zhì)量好等特點(diǎn),選擇雙軸晶體LBO作為第二級(jí)參量放大晶體。雖然KDP的有效非線性系數(shù)很小,損傷閾值也小,但它是唯一可以做得很大的非線性晶體,因而通常將它作為OPCPA系統(tǒng)的最后一級(jí)增益介質(zhì)。為了增加整個(gè)系統(tǒng)的輸出增益穩(wěn)定性,有意增加各級(jí)OPA的非線性晶體長(zhǎng)度,使其工作在飽和放大狀態(tài)。在實(shí)際情況中,從自鎖模振蕩器輸出的信號(hào)光都是相當(dāng)穩(wěn)定的,由前面的分析結(jié)果可知,其在光參量飽和放大時(shí)的影響可以忽略,因此,飽和放大時(shí),OPCPA系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性主要決定于泵浦光的強(qiáng)度起伏。我們利用數(shù)值模擬計(jì)算了信號(hào)光在三級(jí)OPA中的放大增益,圖3表示了各級(jí)OPA放大的增益曲線,

15、系統(tǒng)的三級(jí)OPA都實(shí)現(xiàn)了深度飽和放大,并且各級(jí)的泵浦強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其非線性晶體的破壞閾值,三級(jí)OPA系統(tǒng)的總增益大于1011,各級(jí)的增益在泵浦光強(qiáng)度抖動(dòng)6%時(shí),信號(hào)光輸出增益抖動(dòng)小于1%,從而實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出,其穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于泵浦光源的穩(wěn)定性,優(yōu)化結(jié)果如表1。但在實(shí)際中,由于OPCPA系統(tǒng)的增益還受其它很多因素的影響,如三波在晶體中耦合時(shí)的相位匹配及走離、泵浦光的光束空間發(fā)散及脈寬抖動(dòng)等,都會(huì)影響系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性,特別是當(dāng)OPA飽和放大、泵浦光對(duì)增益的影響弱化后,其它量對(duì)增益穩(wěn)定性的影響會(huì)變得相對(duì)突出而綜合影響OPCPA系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但當(dāng)?shù)谝患?jí)使用PPKTP晶體后,其寬的相位匹配角接收帶寬和e

16、+ee的準(zhǔn)相位匹配方式,都會(huì)降低泵浦光光束發(fā)散度和波矢走離對(duì)增益的影響。在各級(jí)放大中,為了進(jìn)一步保證信號(hào)光和泵浦光在空間重合及減少OPA系統(tǒng)的調(diào)整準(zhǔn)直難度,泵浦光光斑大于信號(hào)光光斑。表1三級(jí)OPCPA系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)Table1OptimizationdesignofthreestageOPCPAsystemamplificationstagecrystalcrystalsizepumplaserdiameterpumplaserenergypumplaserintensitysignallaserdiameterpumppulsewidthinputsignalenergyinputsigna

17、lintensityoutputsignalenergygainOPA1PPKTP1mm×1mm×15mmOPA2LBOOPA3KDP<1mm0.5mJ32MW/cm20.8mm2ns0.5nJ100W/cm2100J5<10mm×14mm<8mm2J2GW/cm26mm2ns<80mm×30mm<52mm60J1.4GW/cm248mm2ns300mJ8.3MW/cm220J6750J8.8×104W/cm2400mJ33結(jié)論OPCPA具有高增益、寬增益譜和好的光束質(zhì)量的特點(diǎn),但由于泵浦光的光束質(zhì)量及強(qiáng)度起伏、輸

18、入信號(hào)光© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第12期魏曉峰等:光參量啁啾脈沖飽和放大的增益穩(wěn)定性1543Fig.3ThreegroupsofgainstabilitycurvesofsaturationamplificationinOPAsystemwithdifferentpumpingintensities圖3各級(jí)OPA放大的增益曲線的強(qiáng)度抖動(dòng)、泵浦光和信號(hào)光的時(shí)間同步抖動(dòng)、三波耦合時(shí)的相位失配量k等因素都會(huì)影響OPA系統(tǒng)的增益穩(wěn)定性,其中對(duì)OPA增益影響最大的是泵浦光強(qiáng)

19、度的起伏,在小信號(hào)放大時(shí),泵浦光的強(qiáng)度起伏將引起12倍于其起伏的信號(hào)光輸出。本文分析了光參量在飽和放大時(shí)的增益穩(wěn)定性,飽和放大時(shí),增益隨泵浦光強(qiáng)度變化時(shí)的增益輸出穩(wěn)定性明顯改善,在泵浦光強(qiáng)度抖動(dòng)少于6%的情況下,各級(jí)OPA輸出的增益抖動(dòng)小于1%,信號(hào)光的輸入起伏在飽和放大時(shí)可以忽略不計(jì)。采用準(zhǔn)相位匹配的PPKTP晶體作為其第一級(jí)OPA的增益介質(zhì),在遠(yuǎn)低于破壞閾值的30MW/cm2的泵浦功率密度下,可得到2×105的飽和增益和大于20%的能量轉(zhuǎn)換效率,很好地解決了以前OPCPA系統(tǒng)前端增益不穩(wěn)(小信號(hào)放大)和轉(zhuǎn)換效率不高的問(wèn)題。并進(jìn)行了三級(jí)飽和放大的OPCPA系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),為進(jìn)一步的

20、實(shí)驗(yàn)研究提供了理論上的依據(jù)。參考文獻(xiàn):1彭翰生.高功率超短脈沖激光與新奇物理現(xiàn)象J.強(qiáng)激光與粒子束,2000,12(4):386391.(PengHS.High2powerultrashort2pulselasersandamazingphenomenaofphysics.HighPowerLaserandParticleBeams,2000,12(4):386391)2RossIN,CollierJL.ImprovedcontrastpowerfromachirpedpulseamplificationlasersystemR.CentralLaserFacilityAnnualReport

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26、icalparametricchirped2pulseamplificationsystemWEIXiao2feng1,2,LaZhi2wei1,ZENGXiao2ming2,HUANGXiao2jun,ZHUQi2hua2,WANGXiao2dong2,LIULan2qin2,ZHOUKai2nan2,WANGXiao2,GUOYi2(1.DepartmentofOpto2Electronics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.ResearchCenterofLaserFusion,CAEP,P.O.Box9192988,Mianyang621900,China