第14卷　第4期强激光与粒子束Vol.14,No.4　　2002年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2002　

文章编号:100124322(2002)0420516205

光参量啁啾脉冲放大增益特性研究①

黄小军,　张树葵,　袁晓东,　王晓东,　唐　军,　曾小明,　魏晓峰(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘　要:　通过对非线性三波耦合方程组进行数值求解,研究了光参量放大(OPA)

的增益特性及饱和放

大特性。给出了泵浦光、信号光参数对参量增益的影响及其与晶体饱和长度的关系。结果表明:OPA具有传统啁啾脉冲放大(CPA)系统所不具有的优点,将有可能取代传统的CPA系统而作为超短超强激光系统的新型前

端。 关键词:　啁啾脉冲;光参量放大;增益;饱和放大 中图分类号:TN24 文献标识码:A

近年来,超短超强脉冲激光技术的飞速发展,不但为X光激光、强场物理等研究领域提供了全新的实验工具,还为惯性约束聚变开辟了新的“快点火”途径[1]。啁啾脉冲放大(CPA)

技术是产生超短超强激光脉冲有效的

且是成熟的方法。世界上许多实验室都建立了多TW的CPA台面系统,有的甚至建立了大型(>100TW

)的

CPA超短脉冲激光装置。但是传统的CPA系统有自身难以克服的弱点,即放大后脉冲的本底强,信噪比低,这与强场物理研究中高信噪比打靶脉冲的需求相矛盾。 光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术[2]是先将飞秒脉冲展宽至几百ps甚至ns以上,利用光波在非线性介质中的相互耦合提供增益而使种子光得到放大,它作为一种全新的超短脉冲放大途径,以其独特的优势引起了人们的广泛关注和研究。首先,OPCPA有很高的增益,且有非常宽的增益谱(>100nm

)

;OPA

仅在泵浦光的脉

冲宽度内有增益,故放大后脉冲本底很小,放大脉冲的信噪比可比传统的CPA系统大大提高;OPA由光波间的耦合来提供增益,放大介质的热效应很小,放大光束基本没有热相位畸变等等。基于上述优点,OPCPA将可能是发展下一代超短超强脉冲激光装置的可选技术途径之一。 本文着重研究光参量放大过程的增益特性和饱和放大特性,研究了泵浦光和信号光初始参数对放大过程影响的定量关系,并给出了一个OPCPA的设计实例。

1　基本理论 光参量放大过程是三波在非线性介质中的耦合作用,通常是将一个强的泵浦光和一个弱的信号光同时入射到非线性晶体中,在满足相位匹配条件时,它们相互耦合产生一个差频光(空闲光),同时弱的信号光在此过程被放大,这就是所谓的光参量放大(OpticalParametricAmplification)

。

光参量放大过程可用三波耦合波方程组来描述[2～5]

(55z+1vg155t+Α1)E1(z,t)=-iΞ1deffn1cE32(z,t)E3(z,t)exp(-i∃kz)(1)

(55z+1vg255t+Α2)E2(z,t)=-iΞ2deffn2cE31(z,t)E3(z,t)exp(-i∃kz)(2)(55z+1vg355t+Α3)E3(z,t)=-iΞ3deffn3c1cos2ΒE1(z,t)E2(z,t)exp(i∃kz)(3)以上各式中:下标j=1,2,3分别代表信号光、空闲光和泵浦光;E,n,Α,Ξ分别代表三波的电场、折射率、损耗系数和光波频率;c是真空光速;z是光的传播方向;deff代表有效非线性系数;Β是Poyting矢量的走离角;∃k=

k

3

-k1-k

2

代表相位失配。

OPCPA中的信号光被展宽到ns或亚ns,泵浦光是ns脉冲,因此可认为各耦合波的群速度基本相等,即vg1≈vg2≈vg3。对方程(1)～(3)作如下的坐标变换,Φ=z,Σ=t-z󰃗vg

,且在不考虑损耗情况下,可得如下的归一

①收稿日期:2001210224;　修订日期:20022022

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基金项目:中国工程物理研究院重大基金资助课题(YJ201)

作者简介:黄小军(19742),男,硕士,主要从事超短脉冲激光放大及相关技术研究;绵阳9192988信箱。

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.化方程组du1dΦ=-u2u3sinΗ,　du2dΦ=-u1u3sinΗ,　du3dΦ=u1u2sinΗ,　dΗdΦ=∃kdzdΦ+cosΗdln(u1u2u3)dΦ(4)

其中W=I1(0)+I2(0)+I3

(0)cos

2

Β(5)

u1=I1󰃗Ξ1W,　u2=I2󰃗Ξ2W,　u3=I3cos

2Β󰃗Ξ

3W(6)

Η=∃k+52-53-52(7)

Φ=

4deffΠ(ΠW)1󰃗2z

(Ε0n1n2n3Κ1Κ2Κ

3cos

2Β)1󰃗2

(8)

式中:I

1

(0),I2(0),I3(0)分别代表信号光、空闲光和泵浦光的初始光强度;52,52,53分别表示三波的初始位

相。 忽略泵浦光的衰减,可获得OPA过程的参量增益(强度增益)的解析解[2,5～7]

G=g20g20-(∃k󰃗2)2sinh2[g20-(∃k󰃗2)2lc](9

)

g0=Πdeff8I30󰃗ΕcΚ1Κ2n1n2n3

(10)

式中lc代表三波在晶体中的互作用长度。 为了对光参量放大过程有全面的了解,我们利用龙格2库塔法对上述耦合方程组其进行数值求解,并与解析解作了比较,发现在小信号情况下它们吻合很好,但是如果泵浦光强烈衰减,即饱和放大时必须用数值解,才能真实反映光参量放大过程中三波的变化情况。

2　数值模拟及分析 由于入射的信号光和泵浦光脉冲各部分(时间)有不同的强度分布,信号光各部分对应的增益也各不相同,

在本文中我们只关心光参量增益随着三波在晶体中相互作用长度的变化,故没有考虑脉冲的时间波形,而将入射波作为一个整体来考虑,取其平均强度。 下面的数值模拟结果(没有特殊说明)均是在∃k=0时获得的,因为只有在满足相位匹配条件∃k=0时,

信号光才能获得最大的增益。我们用自己的程序模拟了BBO晶体在I类相位匹配条件(Κp=532nm,Κs=

780nm,相位匹配角为22.09°)下的增益,并与小信号情况下的解析解作了比较,如图1所示。

Fig.1　Comparisonofnumericalsolutionandanalyticalsolution图1　数值模拟解和解析解对比Fig.2　Amplifiedsignalintensityandpumpdepletion图2　信号光放大及泵浦光衰减过程示意 从图1可以看出,无论是解析解还是数值模拟解,在小信号增益条件下弱信号光按指数迅速增长,二者吻合很好。随着放大过程的深入,泵浦光将逐渐衰减,信号光的增长将趋于缓慢,直至达到饱和状态,如图中的数值解所示。解析解由于没有考虑泵浦光的衰减,信号光的增益仍按指数增长。这就是图中看到的两条曲线逐渐发生分离。如果继续在晶体中放大,能量将从信号光和空闲光回流到泵浦光上,这就是过饱和状态。 图2给出了光参量放大过程中三波相互耦合的全过程。当三波刚开始作用时,信号光和空闲光迅速增长,

715第4期黄小军等:光参量啁啾脉冲放大增益特性研究

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.泵浦光基本不衰减,这就是小信号放大阶段。随着放大过程的深入,泵浦光逐渐衰减,放大趋于饱和,如图2中晶体的15mm附近,如果在此输出,信号光将获得最大的能量转换效率。这表明,一旦泵浦光和信号光的参数给定,信号光达到饱和放大所对应的晶体长度是一定的。因此,在设计光参量放大器时,应根据泵浦光和信号光初始参数,仔细选择晶体的最佳长度,使信号光刚好放大至饱和点就从OPA中输出,获得最大的能量提取效率。 下面我们研究在不同初始信号光强度条件下光参量放大的增益变化。在图3泵浦光强是一定的,Ip=1×1013W󰃗m2。图3(a)中给出了在泵浦光一定的情况下,不同信号光强对应的光参量增益值。从图3(a)中可以看

出,信号光强越小,它获得的饱和增益越大,相应的晶体饱和长度越长。图3

(

b)

给出了信号光在不同初始光强

下的变化情况。从图3

(

b)中可以看出,信号光的初始光强越强,达到饱和增益越快,晶体的饱和长度越短;初始

光强小,所需的晶体饱和长度越长。我们还可以看到一个有趣的现象,那就是只要泵浦光强一定,不同的初始信号光强最终都将获得相同的饱和放大光强,如图3

(

b)

所示。

Fig.3　Gainvariation(a)andamplifiedsignal(b)withdifferentinitialsignalintensities图3　一定的泵浦光条件下,不同信号光强对应的光参量增益变化(a)和不同的初始光强的信号光放大过程(b)

Fig.4　Gainvariationwithdifferentinitialpumpintensities图4　信号光在不同泵浦光强度下的增益变化

图4给出了信号光(I

s

=1×10

10W󰃗m2)在不同泵

浦光强度情况下的增益变化。信号光的初始光强一定时,泵浦光越强,信号光所获得的饱和增益越大,且所对应的晶体饱和长度越短。因此,可以根据晶体长度和所需的增益值来选择初始泵浦光强度。

3　OPCPA前端系统的设计实例 下面给出一个OPCPA前端系统的设计实例,系统主要参数如下。 fs振荡器:300mW󰃗80fs󰃗780nm󰃗100MHz,单脉冲能量3nJ。 光栅展宽器:将fs脉冲展宽至500ps,单脉冲能量1.5nJ

。

前级预放OPA,以追求高增益为目标,其参数如下。 初始输入信号光:1.5nJ󰃗780nm󰃗0.5ns󰃗<1mm,信号光的光强为3.8×106W󰃗m2。 泵浦光:20mJ󰃗532nm󰃗1ns󰃗<1.5mm,泵浦光的光强为1.13×1013W󰃗m2。 利用上述参数计算OPA的增益,如图5所示。从图5可以看出,前级预放的增益最大能达到2×10

6

,晶体

的饱和放大长度约为17mm,输出3mJ的饱和放大信号光。由此可以看出,OPA很适合作为超短脉冲激光放大装置的高增益预放,可望取代目前CPA系统复杂的再生放大器。 为了进一步提高放大光的输出功率,再增加一个功率预放OPA,其参数如下。 输入信号光:3mJ󰃗0.5ns󰃗<4mm,光强为4.77×1011W󰃗m2。

815强激光与粒子束第14卷

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