[发明专利]准参量啁啾脉冲放大器

说明书

技术领域

本发明涉及激光放大器，特别是一种高效率的准参量啁啾脉冲放大器。

背景技术

啁啾脉冲放大(chirped-pulseamplification,以下简称为CPA)是产生超短超强激光脉冲最常用也是最有效的一种技术。它先将超短脉冲展宽成长脉宽的啁啾脉冲，然后利用放大器给啁啾脉冲补充能量，最后利用压缩器将其压回初始宽度，从而获得强的超短脉冲。CPA技术可有效降低放大器中的脉冲峰值功率，从而可以避免高阶非线性效应和放大介质的破坏。目前CPA主要依赖于两类放大器：能级型激光放大器和光参量放大器(opticalparametricamplifier,简称为OPA)。激光放大器的优点是皮实、效率高，缺点是增益带宽很小，无法支持周期量级超宽带脉冲的放大。在增益带宽方面，OPA要优于普通的激光放大器，它和CPA的结合是产生超高峰值功率激光最有前景的一种技术，目前已经可以实现拍瓦级峰值功率输出和数十毫焦耳的周期量级脉冲。然而所有的参量过程有一个共性问题：倒流效应。所谓倒流效应是指：在饱和放大域，能量会从信号光和闲频光重新流向泵浦光。这种倒流效应限制了光参量啁啾脉冲放大器的极限性能。首先，倒流会降低放大效率。人们常用的方法是通过各种优化设计使得在倒流发生之前尽量实现较高的能量转换，但是无法实现理论极限的转换效率(泵浦完全消耗)。使用复杂的空时脉冲整形技术可以实现目前最高的34％的能量转换效率，但是一般系统的效率普遍在20％左右，远低于理论极限效率。另一个方面，倒流使得光参量装置对位相匹配条件和泵浦强度均匀性非常敏感，从而对泵浦源的光束质量提出了非常严格的要求。由于目前的高能泵浦激光通常远离衍射极限，因此这个特性阻碍了光参量啁啾脉冲放大装置峰值功率的进一步提升。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种高效率的准参量啁啾脉冲放大器(quasi-parametricamplification,简称为QPA)，本发明的核心原理是吸收放大过程新产生的闲频光，阻止信号光能量的回流；具体途径为在非线性晶体放大器中掺杂一定量的稀土离子，稀土离子用于吸收闲频光。这种QPA在小信号放大阶段仍然是一个OPA，而在饱和放大阶段呈现了非参量激光放大器的特征，可以支持宽带高效率的放大。本发明为进一步提升脉冲峰值功率铺平了道路。

本发明的原理如下：

在普通非线性晶体放大器中发生的三波相互作用有一个本质属性：可以支持正向(泵浦光→信号光+闲频光)和反向(信号光+闲频光→泵浦光)的能量转换。在OPA饱和放大阶段，逆过程的发生(即倒流)会严重降低信号光的转换效率。倒流的过程需要闲频光的参与，如果在闲频光产生的过程中不断将其吸收，则可以抑制倒流的发生。本发明正是基于这种原理。

本发明的技术解决方案如下：

一种准参量啁啾脉冲放大器，特点在于其构成包括：信号光路、泵浦光路和放大器，所述的信号光路依次是钛宝石再生放大器、脉冲展宽器和脉冲压缩器；所述的泵浦光路依次是掺钕钒酸钇再生放大器、掺钕钇铝石榴石五级放大器、像传递系统、倍频晶体和光束收集器；所述的掺钕钒酸钇再生放大器和所述的钛宝石再生放大器由电子位相锁定环连接并控制同步工作；所述的放大器是稀土离子掺杂的非线性晶体放大器，经所述的脉冲展宽器输出的啁啾信号脉冲射向所述的非线性晶体放大器，经所述的倍频晶体输出的泵浦脉冲射向所述的非线性晶体放大器，所述的泵浦脉冲的能量不断流向所述的啁啾信号脉冲，同时产生闲频脉冲，剩余的泵浦脉冲的能量由所述的光束收集器收集，所述的闲频脉冲的能量又不断被所述的非线性晶体放大器中的稀土离子吸收，经所述的非线性晶体放大器放大的啁啾信号脉冲经所述的脉冲压缩器输出。

所述的非线性晶体放大器中掺杂可以吸收闲频光的稀土离子，比如钐或钆，掺杂浓度大于10at％。

本发明的技术效果：

本发明准参量啁啾脉冲放大器在小信号放大阶段仍然是一个参量放大器，而在饱和放大阶段类似一个非参量激光放大器。

由于抑制了倒流，所以本发明有两个明显的特点：

一是可以实现高的转换效率，原理上可以实现量子极限效率。

二是对位相失配不敏感，从而降低了对泵浦光光束质量、指向性以及环境温度的要求。

本发明兼容非共线位相匹配技术，从而可以实现宽带的放大。

本发明兼具传统激光放大器的高效率和OPA宽带宽的优点，是一款理想的、有前景的啁啾脉冲放大器。它突破现有技术的局限，将啁啾脉冲放大至更高的功率水平。

附图说明