[發(fā)明專利]一種基于雙非線性光學(xué)過(guò)程的寬帶光參量放大裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110431643.1
• 申請(qǐng)日: 2021-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN113189824B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔子健;孫子茗;孫明營(yíng);劉德安;朱健強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G02F1/39
• 分類號(hào): G02F1/39;G02F1/37
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發(fā)明公開了一種基于雙非線性光學(xué)過(guò)程的寬帶光參量放大裝置，主要包括基頻光、信號(hào)光、分束鏡、合束鏡、倍頻晶體和光參量放大晶體等器件。基頻光通過(guò)倍頻晶體產(chǎn)生泵浦光，然后在光參量放大晶體中利用泵浦光對(duì)信號(hào)光進(jìn)行參量放大，同時(shí)再入射一束基頻光，使基頻光與參量放大過(guò)程中產(chǎn)生的閑置光進(jìn)行和頻，消耗閑置光，從而抑制光參量放大的逆轉(zhuǎn)換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)更高效率、更大帶寬的光參量放大。由于光參量放大、和頻這兩個(gè)非線性光學(xué)過(guò)程均屬于參量過(guò)程，熱積累效應(yīng)極低，并且可以在諸多晶體材料中、很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此本發(fā)明不僅能夠適用于高峰值功率、高平均功率等情況，還可以應(yīng)用于不同晶體、不同波段的光參量放大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙非線性光學(xué)過(guò)程的寬帶光參量放大裝置。

背景技術(shù)

超短超強(qiáng)激光脈沖能夠在極短的時(shí)間尺度范圍內(nèi)產(chǎn)生超高的峰值功率和超強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，在諸多前沿領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。光參量放大作為傳統(tǒng)激光放大的替代性技術(shù)，具有高轉(zhuǎn)換效率、寬增益帶寬、低熱累積效應(yīng)、高信噪比以及靈活的頻率調(diào)諧等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為獲得超短超強(qiáng)激光脈沖的重要手段。然而由于材料色散，在光參量放大過(guò)程中的逆轉(zhuǎn)換和能量回流是制約激光系統(tǒng)增益帶寬、轉(zhuǎn)換效率、脈沖壓縮寬度與峰值功率提升的關(guān)鍵因素，尤其是對(duì)于基于光參量放大技術(shù)路線獲得光周期量級(jí)脈寬、峰值功率達(dá)到拍瓦甚至更高量級(jí)的激光脈沖仍然面臨著如何實(shí)現(xiàn)更寬增益帶寬和更高能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)難題。

從非線性光學(xué)和材料特性的角度來(lái)看，上述技術(shù)難題產(chǎn)生的物理根源是由于材料自身色散這一固有特性導(dǎo)致的。因?yàn)閷拵挕⒏咴鲆妗⒏叻€(wěn)定性的光參量放大過(guò)程主要取決于相互作用的光波在非線性晶體中傳輸時(shí)在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)嚴(yán)格相位匹配條件的實(shí)現(xiàn)。但由于材料色散，在非線性晶體中、寬帶范圍內(nèi)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的相位匹配，這將導(dǎo)致光參量放大過(guò)程中難以避免逆轉(zhuǎn)換的發(fā)生，造成增益窄化、能量回流、脈沖波形畸變等問(wèn)題，因而極大地限制了整個(gè)光參量放大系統(tǒng)的增益帶寬與轉(zhuǎn)換效率以及最終脈沖的壓縮寬度與輸出的峰值功率。

為了能夠?qū)⒓す饷}沖發(fā)展至脈寬更窄、功率更高的極限，國(guó)內(nèi)外科研人員一直在不斷地努力，分別從晶體材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、準(zhǔn)相位匹配條件、寬帶泵浦光放大、信號(hào)光角色散、閑置光吸收管理等方面提出了解決方案。這些方案盡管在部分波段、一些材料中解決了傳統(tǒng)光參量放大技術(shù)中存在的問(wèn)題或在一定程度上滿足了相位匹配條件，但在材料種類選擇、晶體應(yīng)用條件、激光中心波長(zhǎng)適用范圍等方面仍有一定的局限，相關(guān)技術(shù)仍有待于進(jìn)一步的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)目前高效寬帶光參量放大過(guò)程中面臨的技術(shù)難題，提出了一種基于雙非線性光學(xué)過(guò)程的寬帶光參量放大裝置，旨在解決當(dāng)前光參量放大中逆轉(zhuǎn)換造成的增益窄化和能量回流問(wèn)題，并克服材料種類選擇、晶體應(yīng)用條件、適用激光波長(zhǎng)范圍等方面的局限性，提升光參量放大系統(tǒng)的綜合性能。

本發(fā)明原理如下：

首先通過(guò)倍頻產(chǎn)生高能泵浦光，將泵浦光與信號(hào)光合束后同時(shí)入射到非線性晶體中，并調(diào)整泵浦光與信號(hào)光的夾角和非線性晶體的角度，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的光參量放大，在這一過(guò)程中，每湮滅一個(gè)泵浦光光子將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)光光子和一個(gè)閑置光光子。然后，在傳統(tǒng)光參量放大的基礎(chǔ)上再入射一束與信號(hào)光時(shí)間同步的基頻光，并調(diào)整基頻光的入射角度，使基頻光與光參量放大過(guò)程中產(chǎn)生的閑置光進(jìn)行和頻，從而將閑置光消耗，使得光參量放大的逆轉(zhuǎn)換過(guò)程因缺乏閑置光而被抑制，正向轉(zhuǎn)換持續(xù)地進(jìn)行，從而在光參量放大晶體中實(shí)現(xiàn)更寬的增益帶寬和更高的轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于雙非線性光學(xué)過(guò)程的寬帶光參量放大裝置，其特點(diǎn)在于包括：基頻光、倍頻晶體、第一分束鏡、泵浦光反射鏡、信號(hào)光、第一合束鏡、第二合束鏡、光參量放大晶體和第二分束鏡。

上述各光學(xué)元器件位置關(guān)系如下：

沿基頻光(ω₁)出射方向依次為用于產(chǎn)生泵浦光(ω_p)的倍頻晶體、鍍有分離膜層使基頻光與泵浦光分離的第一分束鏡和泵浦光反射鏡；