光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種采用空間啁啾修飾的注入光束實(shí)現(xiàn)光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除的方法，該方法主要由空間啁啾修飾的注入光束產(chǎn)生、光參量放大、時空啁啾卸載和空間濾波四個步驟組成：通過引入空間啁啾對注入信號光束進(jìn)行修飾，使得信號和光參量放大過程產(chǎn)生的各種噪聲在輸出端具有不同的時空分布特性；噪聲光場的時空分布發(fā)生耦合，因而可由空間濾波器件等效時域?yàn)V波窗口，實(shí)現(xiàn)噪聲的有效濾除。本方法對于光參量啁啾脈沖放大過程中的常見噪聲，包括參量超熒光、泵浦噪聲轉(zhuǎn)移以及光學(xué)元件端面反射引起的預(yù)脈沖等，均具有良好的濾除效果；且空間濾波屬于線性濾波，該濾波過程不損失主脈沖能量，可用于超高信噪比高功率超短激光脈沖系統(tǒng)。
【專利說明】光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除方法及
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)系統(tǒng)中注入種子信號僅含時間啁啾,在放大過程疊加到信號上的多種噪聲，主要包括參量超熒光(以下簡稱為PSF)、泵浦噪聲轉(zhuǎn)移(以下簡稱TON)以及光學(xué)元件端面反射引起的預(yù)脈沖(以下簡稱SRP)三類，由于不具有壓縮性，經(jīng)過脈沖壓縮器后形成納秒、皮秒級襯底或前后沿小脈沖，導(dǎo)致輸出脈沖信噪比被限制在18-1O9的水平。信噪比提升是超短超強(qiáng)激光領(lǐng)域發(fā)展的核心難題之一。影響信噪比的機(jī)制來自三個環(huán)節(jié)，包括注入種子光、放大過程以及展寬壓縮過程?，F(xiàn)有的信噪比提升技術(shù)(包括可飽和吸收體、交叉極化波產(chǎn)生等)都僅針對注入種子進(jìn)行凈化，針對放大過程引入的信噪比問題的技術(shù)則幾乎完全空白。
[0003]要對放大過程中引入的噪聲進(jìn)行濾除或控制，其難點(diǎn)在于信號脈沖和各種噪聲在放大單元其時間、空間與光譜域分布幾乎完全交疊，無法進(jìn)行濾波；在脈沖壓縮器輸出端，盡管信號(主脈沖)和噪聲在時間分布上可分辨，但目前尚沒有直接的、線性的時域?yàn)V波技術(shù)。被廣泛用于種子脈沖凈化的非線性時域?yàn)V波技術(shù)(如交叉極化波產(chǎn)生)也由于其能量轉(zhuǎn)換效率低(~10%)而無法用于放大級。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對高功率超短脈沖信噪比差、非線性時域?yàn)V波能量轉(zhuǎn)換效率低和光參量啁啾脈沖放大過程產(chǎn)生的各種噪聲難以濾除等難題，提供一種高效率、線性的光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除方法，可支持超高信噪比高功率超短脈沖輸出。
[0005]本發(fā)明原理如下:
[0006]基于空間啁啾修飾的注入光束實(shí)現(xiàn)光參量啁啾脈沖放大器噪聲的線性濾除；與一般光參量啁啾脈沖放大器中采用時域啁啾脈沖注入不同，本發(fā)明創(chuàng)新性地在注入啁啾脈沖中引入適量空間啁啾對其進(jìn)行修飾，即光參量放大的信號光場同時具有時間和空間啁啾，而光參量放大過程產(chǎn)生的各種噪聲由于未經(jīng)過光柵衍射不會具有時間和空間啁啾；在光參量放大單元之后通過一個平行放置的光柵對引入適量時域色散和空域色散以卸載信號中的時間和空間啁啾，而原本不含有時間和空間啁啾的噪聲光場經(jīng)過該光柵對后被加載了時間和空間啁啾特征，導(dǎo)致輸出光場中噪聲光強(qiáng)的時空分布發(fā)生耦合，在時間軸上遠(yuǎn)離信號脈沖的噪聲在空間分布上也遠(yuǎn)離信號光束中心；可通過在光束近場增加狹縫或光闌等空間濾波器件進(jìn)行濾除。光參量放大過程產(chǎn)生的噪聲主要包括參量超熒光(PSF)、泵浦噪聲轉(zhuǎn)移(PDN)以及光學(xué)元件端面反射引起的預(yù)脈沖(SRP)三類。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除方法主要由空間啁啾修飾的注入光束產(chǎn)生、光參量放大、時空啁啾卸載和空間濾波四個步驟組成，其中:
[0009]①空間啁啾修飾的注入光束產(chǎn)生，由一個光柵對和一個成像透鏡組實(shí)現(xiàn)，兼具啁啾脈沖展寬和引入空間啁啾修飾的功能；與一般光參量啁啾脈沖放大系統(tǒng)中啁啾脈沖展寬器的區(qū)別在于注入光束兩次經(jīng)過光柵后不需要通過反射鏡將光束折回光柵對以消除空間啁嗽，而是將光束引出，將空間啁嗽保留在展覽后的啁嗽脈沖中從而達(dá)到修飾注入光束的目的；
[0010]②光參量放大，由光參量放大非線性光學(xué)晶體實(shí)現(xiàn)，可以是單塊非線性光學(xué)晶體也可以是多塊非線性晶體串聯(lián)，步驟①產(chǎn)生的空間啁啾修飾的光束注入到該非線性光學(xué)晶體作為參量放大信號光；
[0011]③時空啁啾卸載，由一個平行放置的光柵對實(shí)現(xiàn)，是步驟①的逆單元，引入的時間與空間色散量與步驟①引入的色散量大小相等符號相反，放大后的信號脈沖經(jīng)過該光柵對后時間啁啾和空間啁啾被同時卸載，信號脈沖被壓縮，從而獲得高功率超短脈沖輸出；
[0012]④空間濾波，由一維狹縫或光闌實(shí)現(xiàn)；置于步驟③的輸出端，狹縫或光闌中心與壓縮后信號光束中心一致；縫寬或闌孔大小為:在步驟③提供空間色散的維度上透過寬度等于壓縮后信號光束的寬度；在另一橫向維度上透過寬度等于或大于壓縮后信號光束在該維度的覽度。
[0013]實(shí)施上述方法的裝置，其特點(diǎn)在于該裝置由種子脈沖激光源、空間啁啾修飾光束產(chǎn)生器、光參量放大晶體、時空啁啾卸載器和空間濾波器件組成；所述的空間啁啾修飾光束產(chǎn)生器沿光束方向包括依次的第一反射鏡、第一光柵、第一成像透鏡和第一成像透鏡、第二光柵與和第二反射鏡；所述的時空啁啾卸載器由依次的第三反射鏡、第三光柵、第四光柵組成；所述的第一塊光柵(4)和第二光柵(8)以鏡面對稱的角度放置，第三光柵(14)和第四光柵(16)平行相對放置。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過采用空間啁啾修飾的注入光束，使得光參量放大系統(tǒng)最終輸出的信號光場和噪聲光場具有不同的時空分布特性；對噪聲的濾除不再需要使用能量轉(zhuǎn)換效率偏低的非線性時域?yàn)V波方式實(shí)現(xiàn)，而可以使用對信號脈沖無損耗的線性的空間濾波方式實(shí)現(xiàn)，所需要的濾波執(zhí)行器件為光闌或狹縫，易于獲得且成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除方法對應(yīng)的光路組成。
[0016]圖1中標(biāo)號:1為種子脈沖激光源,2為超短種子脈沖,3為第一反射鏡,4為用于產(chǎn)生空間啁啾修飾光束的第一光柵，5為第一成像透鏡,6為第二成像透鏡,7為帶角色散、時間啁啾(正啁啾)和空間啁啾的激光光束；8為用于產(chǎn)生空間啁啾修飾光束的第二光柵；9為不帶角色散的時空啁啾光束(即本發(fā)明提出的空間啁啾修飾的注入光束)；10為第二反射鏡；11為用于光參量放大的非線性光學(xué)晶體；12為放大后的信號激光(含放大過程引入的噪聲)；13為第三反射鏡；14為用于時空啁啾卸載的第三塊光柵；15為帶角色散的激光光束；16為用于時空啁啾卸載的第四光柵；17為不帶角色散的壓縮后的信號激光脈沖(含放大過程引入的噪聲)；18為空間濾波器件；19為噪聲濾除后的高信噪比超短脈沖。
[0017]圖2為光參量放大單兀輸出光場的光譜空間分布(放大過程存在PSF噪聲)。
[0018]圖3為時空啁啾卸載單元輸出光場的光譜空間分布。
[0019]圖4為傳統(tǒng)的不采用空間啁啾修飾注入光束的OPCPA與本發(fā)明提供的基于空間啁啾修飾注入光束的OPCPA輸出光場的時空分布對比:(a) (c) (e)傳統(tǒng)方法中存在PSF/TON/SRP噪聲的OPCPA對應(yīng)的輸出；(b) (d) (f)本發(fā)明方法中存在PSF/TON/SRP噪聲的OPCPA對應(yīng)的輸出。
[0020]圖5為傳統(tǒng)的不采用空間啁啾修飾注入光束的OPCPA與本發(fā)明提供的基于空間啁啾修飾注入光束的OPCPA增加空間濾波狹縫后輸出脈沖信噪比對比:(a) (c) (e)傳統(tǒng)方法中PSF/TON/SRP噪聲對應(yīng)的輸出信噪比；(b) (d) (f)本發(fā)明方法中PSF/TON/SRP噪聲對應(yīng)的輸出信噪比。
[0021]表I所示為圖2-圖5對應(yīng)的數(shù)值仿真參數(shù)設(shè)計(jì)。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面通過一組數(shù)值仿真結(jié)果并結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0023]圖1為實(shí)施本發(fā)明基于空間啁啾修飾注入光束實(shí)現(xiàn)光參量啁啾脈沖放大器噪聲濾除的方法的裝置光路圖。該光路組成主要包括空間啁啾修飾的注入光束產(chǎn)生、光參量放大、時空啁啾卸載和空間濾波四個部分。
[0024]種子脈沖激光源I出射的超短種子脈沖2經(jīng)過第一反射鏡3入射到用于空間啁啾修飾光束產(chǎn)生的第一光柵4上，脈沖的不同頻率分量以不同的角度衍射；經(jīng)過第一成像透鏡5和第二成像透鏡6后的激光光束7用于空間啁啾修飾光束產(chǎn)生的第二光柵8上，由于不同的頻率分量經(jīng)過不同的時間延遲，到達(dá)第二光柵8時，長波長分量(紅移分量)比短波長分量(藍(lán)移)提前到達(dá)，形成正啁啾脈沖，同時光束中的角色散被完全補(bǔ)償，因此出射光束9是一個同時帶有時間和空間啁啾但不帶角色散的光束，也就是本發(fā)明所提出的空間啁啾修飾的注入光束；該光束經(jīng)過第二反射鏡10入射到光參量放大晶體11中進(jìn)行放大，在此過程中多種噪聲(PSF、PDN和SRP)也得到放大并疊加到信號光束上，因此光參量放大輸出的激光場12既包含有空間啁啾修飾的啁啾信號脈沖也包含多種噪聲；該光場經(jīng)由第三反射鏡13入射到用于時空啁啾卸載的第三光柵14上，不同頻率分量以不同的角度衍射出射形成激光束15，這一不同的衍射角度使得長波長分量和短波長分量都向光束中心靠攏，當(dāng)它們到達(dá)用于時空啁啾卸載的第四光柵16時，信號光的所有頻率分量在空間上完全重合，即用于修飾信號的空間啁啾被卸載，并且從第三光柵14到第四光柵16的過程中，不同頻率分量也經(jīng)歷了不同的時間延遲，位于正啁啾信號脈沖后沿的短波長分量經(jīng)歷的延遲要比位于前沿的長波長分量短，后沿將趕上前沿，脈沖被壓縮，另外經(jīng)過第四光柵16后光束中的角色散也被補(bǔ)償，出射光束17中的信號脈沖將是不含時間啁啾、空間啁啾和角色散的超短脈沖；激光場12中的噪聲分量中入射到第三光柵14上時不同頻率分量也以不同的角度衍射出射，在到達(dá)第四光柵16時，噪聲場在空間域被色散開，并且噪聲場的不同頻率分量經(jīng)歷了不同的延遲，即在時域也被色散開，由于同時具有空間色散和時間色散，其橫截面類似于一個拉長的橢圓，因此很大一部分噪聲不再與信號光場的橫截面交疊(在傳統(tǒng)光參量啁啾脈沖放大系統(tǒng)中，輸出噪聲光場其橫截面幾乎與信號光場橫截面完全交疊);激光場17經(jīng)過一個空間濾波器件18 (狹縫或光闌)，通過狹縫或闌孔在垂直于橢圓長軸方向上的寬度，可以完全濾除未與信號光束交疊的那部分噪聲，因此空間濾波后的激光脈沖19的信噪比將顯著優(yōu)于激光場17。
[0025]數(shù)值仿真中的參數(shù)設(shè)計(jì)參見表1。
[0026]表1:數(shù)值仿真用參數(shù)定義和取值

【權(quán)利要求】
1.一種光參量啁啾脈沖放大器中噪聲濾除的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: ①產(chǎn)生空間啁啾修飾的注入光束:由一個光柵對和一個成像透鏡組實(shí)現(xiàn)，兼具啁啾脈沖展寬和引入空間啁啾修飾的功能；將空間啁啾保留在展寬后的啁啾脈沖中從而達(dá)到修飾注入光束的目的； ②光參量放大:將所述的修飾的注入光束作為參量放大信號光輸入光參量放大非線性光學(xué)晶體進(jìn)行放大； ③時空啁啾卸載:由一個平行放置的光柵對實(shí)現(xiàn)，放大后的信號脈沖經(jīng)過該光柵對，時間啁啾和空間啁啾被同時卸載，信號脈沖被壓縮，從而獲得高功率超短脈沖輸出； ④空間濾波，由一維狹縫或光闌實(shí)現(xiàn)；置于步驟③的輸出端，狹縫或光闌中心與壓縮后信號光束中心一致；縫寬或闌孔大小為:在步驟③提供空間色散的維度上透過寬度等于壓縮后信號光束的寬度；在另一橫向維度上透過寬度等于或大于壓縮后信號光束在該維度的覽度。
2.實(shí)施權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于該裝置由種子脈沖激光源(I)、空間啁啾修飾光束產(chǎn)生器、光參量放大晶體(11)、時空啁啾卸載器和空間濾波器件(18)組成；所述的空間啁啾修飾光束產(chǎn)生器沿光束方向包括依次的第一反射鏡(3)、第一光柵(4)、第一成像透鏡(5)和第一成像透鏡(6)、第二光柵(8)和第二反射鏡(10);所述的時空啁啾卸載器由依次的第三反射鏡(13)、第三光柵(14)、第四光柵(16)組成；所述的第一塊光柵(4)和第二光柵(8)鏡面對稱，所述的第三光柵(14)和第四光柵(16)平行且相對。
【文檔編號】H01S3/102GK104051945SQ201410135997
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】錢列加, 王靜, 袁鵬, 馬金貴, 王永志, 謝國強(qiáng) 申請人:上海交通大學(xué)