基于光‑光同步放大的时域整形方法及装置与流程

本发明涉及激光脉冲时域整形方法，特别是一种补偿高能激光脉冲放大过程中由于增益饱和效应引入的时域畸变的方法。具体讲,涉及基于光-光同步放大的时域整形方法。

背景技术：

啁啾脉冲放大(CPA)技术的发明为超短超强激光开辟了新的道路，光学参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)是除了CPA技术之外，又一种实现超强超短激光脉冲放大的重要技术。1992，A.Dubietis等人提出OPCPA概念后，OPCPA技术得到了迅速的发展，迄今为止，世界上很多国家建立起了基于OPCPA技术的超强超短激光装置。由于在OPCPA中只有泵浦光和信号光在晶体中满足相位匹配条件匹配，并且时域重叠时才产生放大。因此，在OPCPA技术中，泵浦光对整个放大过程至关重要。研究表明，泵浦光决定了放大后的种子光光谱，转换效率，光束质量等。只有泵浦光时域分布为平顶分布时，OPCPA的放大过程才能工作在最佳的状态。因此，实验中如何获得时域平顶分布的泵浦光是必须研究的内容。然而，在高能量的OPCPA过程中，通常泵浦光在放大过程中，随着脉冲能量的增加，泵浦光会受到增益饱和效应的影响，使得泵浦光的时域分布发生畸变，导致脉冲前沿的光强高于脉冲后沿。因此，为了补偿增益饱和效应导致的时域畸变，对泵浦光脉冲进行时域的预整形对OPCPA非常重要。

目前，对激光脉冲进行时域整形的方法主要是基于集成电光波导调制的激光脉冲整形,由于其驱动电压仅为几伏,加上配套的高稳定LD抽运的单纵模振荡器和任意整形电脉冲源,可以有效地对数纳秒级宽度的脉冲进行预整形。然而，该方法中采用的电学器件都非常昂贵，而且国内并不掌握这种期间的生产加工工艺。与此同时，受限于电子器件的精度，该方法通常只适用于数纳秒量级激光脉冲的预整形，并且会引入一定的时域抖动。因此，研究发展新的时域整形技术是非常必要的。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出补偿高能激光脉冲放大过程中由于增益饱和效应引入的时域畸变的方法，得到最终时域平顶分布的激光脉冲。本发明采用的技术方案是，基于光-光同步放大的时域整形方法，所采用的器件包括激光器、激光放大器、分束镜、延时线、双色镜、倍频晶体、激光晶体，具体步骤如下：

①利用激光器输出一个时域平顶分布的种子激光脉冲，种子激光脉冲投射到所述的分束镜；

②经过所述的分束镜透射的部分激光脉冲经过所述的激光放大器进行放大，放大后的激光脉冲经过所述的倍频晶体后产生倍频后的激光脉冲；倍频后的激光脉冲经过所述的双色镜注入至所述的激光晶体中；

③经过所述的分束镜反射的部分激光脉冲经过所述的延时线和所述的双色镜入射至所述的激光晶体中。

激光晶体为Nd:YLF晶体或钛宝石晶体。

倍频后激光脉冲的脉冲宽度大于等于种子激光脉冲的脉冲宽度；倍频后激光脉冲和种子激光脉冲之间的时间延时采用可调方式。

基于光-光同步放大的时域整形装置，由激光器、激光放大器、分束镜、延时线、双色镜、倍频晶体、激光晶体构成，其中：利用激光器输出一个时域平顶分布的种子激光脉冲，种子激光脉冲投射到所述的分束镜；经过所述的分束镜透射的部分激光脉冲经过所述的激光放大器进行放大，放大后的激光脉冲经过所述的倍频晶体后产生倍频后的激光脉冲；倍频后的激光脉冲经过所述的双色镜注入至所述的激光晶体中；经所述的分束镜反射的部分激光脉冲经过所述的延时线和所述的双色镜入射至所述的激光晶体中。

激光晶体为Nd:YLF晶体或钛宝石晶体。

本发明的特点及有益效果是：

由于该方法采用的是光-光同步放大的技术，不涉及电子元件，因此与先方法相比，本发明具有以下显著的特点：

1.该方法对入射的激光脉冲宽度没有要求，可以支持亚纳秒甚至更短的激光脉冲整形。

2.该方法没有采用电子器件，可以避免时序抖动的问题。

3.该方法中采用的元器件都非常容易获得，相对传统方法，操作简单，成本低廉。

附图说明：

图1基于光光同步放大的时域整形方法的光路图。

图2 Nd:YLF晶体的吸收光谱和增益光谱图。

图3钛宝石晶体的吸收光谱和增益光谱图。

图4种子光(虚线所示)经过泵浦光(点画线所示)放大后的时域波形图(实线所示)。

具体实施方式

参阅图1，本发明的技术方案是，图1是本发明基于光光同步放大的时域整形方法的光路图，本发明是一种基于光光同步放大的时域整形方法，由图可见，所采用的器件包括1053nm激光器、1053nm激光放大器、分束镜、延时线、双色镜、倍频晶体、Nd:YLF晶体。该方法包括下列步骤：

①所述的1053nm激光器(1)输出一个时域平顶分布的种子激光脉冲，激光脉冲经过所述的分束镜(2)；

②经过所述的分束镜(2)透射的部分激光脉冲经过所述的1053nm激光放大器(3)进行放大。放大后的激光脉冲经过所述的倍频晶体(6)后产生527nm的激光脉冲；527nmm的激光脉冲经过所述的双色镜(5)注入至所述的Nd:YLF晶体(6)中；

③经过所述的分束镜(2)反射的部分激光脉冲经过所述的延时线(4)和所述的双色镜(5)入射至所述的Nd:YLF晶体(7)中；

所述的1053nm激光脉冲和527nm激光脉冲以及增益晶体可以满足以下条件：

①所述的1053nm激光器可以为其他波长的脉冲激光器。

②所述的Nd:YLF晶体可以为其他激光晶体，例如钛宝石晶体，钛宝石晶体的吸收光谱和增益光谱如图3所示。

③所述的527nm激光脉冲可以由一台独立的527nm激光器产生。

所述的527nm泵浦脉冲的脉冲宽度和1053nmm泵浦光的脉冲宽度和延时最好满足以下要求：

①527nm激光脉冲的脉冲宽度大于等于1053n种子光的脉冲宽度；

②所述的527nm的激光脉冲和1053nm的激光脉冲之间的时间延时可调。

请先参阅图1，图1是本发明基于光光同步放大的时域整形方法的光路图，本发明是一种基于光光同步放大的时域整形方法，由图可见，所采用的器件包括1053nm激光器、1053nm激光放大器、分束镜、延时线、双色镜、倍频晶体、Nd:YLF晶体。该方法包括下列步骤：

①所述的1053nm激光器(1)输出一个时域平顶分布的种子激光脉冲，激光脉冲经过所述的分束镜(2)；

②经过所述的分束镜(2)透射的部分激光脉冲经过所述的1053nm激光放大器(3)进行放大。放大后的激光脉冲经过所述的倍频晶体(6)后产生527nm的激光脉冲；527nmm的激光脉冲经过所述的双色镜(5)注入至所述的Nd:YLF晶体(6)中；

③经过所述的分束镜(2)反射的部分激光脉冲经过所述的延时线(4)和所述的双色镜(5)入射至所述的Nd:YLF晶体(7)中；

所述的1053nm激光脉冲和527nm激光脉冲以及增益晶体可以满足以下条件：

①所述的1053nm激光器可以为其他波长的脉冲激光器。

②所述的Nd:YLF晶体可以为其他激光晶体，例如钛宝石晶体，钛宝石晶体的吸收光谱和增益光谱如图3所示。

③所述的527nm激光脉冲可以由一台独立的527nm激光器产生。

所述的527nm泵浦脉冲的脉冲宽度和1053nmm泵浦光的脉冲宽度和延时最好满足以下要求：

①527nm激光脉冲的脉冲宽度大于等于1053n种子光的脉冲宽度；

②所述的527nm的激光脉冲和1053nm的激光脉冲之间的时间延时可调。

参阅图1，图1是本发明基于光光同步放大的时域整形方法的光路图，本发明是一种基于光光同步放大的时域整形方法，由图可见，所采用的器件包括1053nm激光器、1053nm激光放大器、分束镜、延时线、双色镜、倍频晶体、Nd:YLF晶体。该方法包括下列步骤：

①所述的1053nm激光器(1)输出一个时域平顶分布的种子激光脉冲，激光脉冲经过所述的分束镜(2)；

②经过所述的分束镜(2)透射的部分激光脉冲经过所述的1053nm激光放大器(3)进行放大。放大后的激光脉冲经过所述的倍频晶体(6)后产生527nm的激光脉冲；527nmm的激光脉冲经过所述的双色镜(5)注入至所述的Nd:YLF晶体(6)中；

③经过所述的分束镜(2)反射的部分激光脉冲经过所述的延时线(4)和所述的双色镜(5)入射至所述的Nd:YLF晶体(7)中，Nd:YLF晶体的吸收光谱和增益光谱如图2所示；

所述的1053nm激光脉冲和527nm激光脉冲以及增益晶体可以满足以下条件：

①所述的1053nm激光器可以为其他波长的脉冲激光器。

②所述的Nd:YLF晶体可以为其他激光晶体，例如钛宝石晶体，钛宝石晶体的吸收光谱和增益光谱如图3所示。

③所述的527nm激光脉冲可以由一台独立的527nm激光器产生。

所述的527nm泵浦脉冲的脉冲宽度和1053nmm泵浦光的脉冲宽度和延时最好满足以下要求：

①527nm激光脉冲的脉冲宽度大于等于1053n种子光的脉冲宽度；

②所述的527nm的激光脉冲和1053nm的激光脉冲之间的时间延时可调。

参考图4，图4种子光是(虚线所示)经过泵浦光(点画线所示)放大后的时域波形(实线所示)。当527nm激光脉冲和1053nm的激光脉冲同时注入到激光晶体中后，随着泵浦时间的增加，晶体内的储能增加，泵浦结束时储能达到最大。此时，晶体内对应的增益同样随着泵浦的增加而上升，在泵浦结束后达到最大。由于种子光和泵浦光同时注入到增益晶体中，种子光的前沿始终与泵浦光的前沿同步，由于一直处在增益晶体上能级粒子数的初始积累阶段，因此不能获得有效增益。而种子光的后沿进入晶体时，由于在泵浦光的持续泵浦作用下，晶体内的储能已经达到最大，因此种子光后沿获得的增益最大，从而达到时域整形的效果。模拟的结果表明，在100mJ/3mm(脉冲能量/光斑直径)泵浦，2mJ/3mm种子注入条件下，种子光的前后沿的强度比例可以达到：1:1.53。

下面结合附图和具体实施方式，进一步详细说明本发明。

图1是本发明基于光光同步放大的时域整形方法的光路图，本发明是一种基于光光同步放大的时域整形方法，由图可见，所采用的器件包括1053nm激光器、1053nm激光放大器、分束镜、延时线、双色镜、倍频晶体、Nd:YLF晶体。该方法包括下列步骤：

①所述的1053nm激光器(1)输出一个时域平顶分布的种子激光脉冲，激光脉冲经过所述的分束镜(2)；

②经过所述的分束镜(2)透射的部分激光脉冲经过所述的1053nm激光放大器(3)进行放大。放大后的激光脉冲经过所述的倍频晶体(6)后产生527nm的激光脉冲；527nmm的激光脉冲经过所述的双色镜(5)注入至所述的Nd:YLF晶体(6)中；

③经过所述的分束镜(2)反射的部分激光脉冲经过所述的延时线(4)和所述的双色镜(5)入射至所述的Nd:YLF晶体(7)中；

所述的1053nm激光脉冲和527nm激光脉冲以及增益晶体可以满足以下条件：

①所述的1053nm激光器可以为其他波长的脉冲激光器。

②所述的Nd:YLF晶体可以为其他激光晶体，例如钛宝石晶体，钛宝石晶体的吸收光谱和增益光谱如图3所示。

③所述的527nm激光脉冲可以由一台独立的527nm激光器产生。

所述的527nm泵浦脉冲的脉冲宽度和1053nmm泵浦光的脉冲宽度和延时最好满足以下要求：

①527nm激光脉冲的脉冲宽度大于等于1053n种子光的脉冲宽度；

①述的527nm的激光脉冲和1053nm的激光脉冲之间的时间延时可调。