高功率钕玻璃激光系统低时间相干光频率转换技术研究进展

低时间相干脉冲可有效提高激光与等离子相互作用中参量不稳定性的阈值,但高效频率转换难题是实现其工程应用瓶颈之一。系统分析了高功率激光驱动器已有的各类低时间相干脉冲频率转换技术的特性,并基于数值模拟和实验分析了部分掺氘DKDP晶体用于超辐射光倍频、三倍频的特性与工程应用可行性,结果表明掺氘17%左右DKDP晶体可以提高钕玻璃系统超辐射光的倍频效率,理论转换效率可达到约80%,10%梯度掺氘DKDP晶体则可实现5 THz带宽三倍频输出。     

用于宽带啁啾脉冲光参量放大系统精确同步的新方法

基于非共线光参量放大,以波长800 nm飞秒激光的倍频光为抽运光,以激光二极管640 nm连续波激光为信号光,产生了与800 nm飞秒激光精确同步的无直流本底的1064 nm脉冲光。实验结果显示该1064 nm的光脉冲在脉冲能量和空间光束质量上均可作为1064 nm波长脉冲放大器的种子光。仅通过一级简单紧凑的非共线参量放大就可实现光周期量级的光参量啁啾脉冲放大系统的抽运激光和种子光的精确同步。     

超连续谱注入光参量放大的宽带1053nm飞秒脉冲产生技术

光参量放大技术在理论上既可以支持窄脉宽、也可以支持大能量输出，并且可以获得非常好的光束质量和非常高的信噪比，峰值功率可以大于10PW，是非常理想的强场物理和天体物理的实验研究平台，但由于其在时间同步、能量转换效率、增益稳定性方面的限制，它的实际输出功率非常有限。文中在100Tw钛宝石激光装置研究的基础上，结合快质子实验平台的研制要求和对光参量放大及产生技术、光参量放大增益稳定性技术已有的研究，有特色的提出了以800nm的飞秒脉冲作为泵浦光，利用光参量产生和光参量放大技术直接获得大能量的l053nm种子光。     

基于光参量放大的高速实时光取样技术

提出了一种基于光参量放大的高速实时光取样方案. 利用色散介质对光纤锁模激光器产生的窄脉冲源进行色散展宽,从而产生线性啁啾光信号. 将该信号和被取样信号同时送入高非线性光纤,利用高非线性光纤中的参量放大效应,将被取样信号的强度信息调制到线性啁啾光信号上. 在接收端利用不同中心波长的滤波器即可滤出不同时间点的取样信号,从而在光域同时完成了高速实时光取样和取样信号的串-并转换. 是实现高速实时取样技术的一种极具竞争力的实现方案. 实验中,实现了对10 Gb/s非归零码OOK信号的40 GS/s的高速实时取样系统,并转换为4路10 GS/s取样信号输出. 在接收端成功根据4路取样信号恢复出被取样信号波形,验证了该实时光取样方案的可行性. 关键词： 光信号处理 光取样 参量放大 高非线性光纤     

基于准相位匹配晶体的宽带可调谐光参量放大过程研究

系统分析了基于准相位匹配晶体的光参量放大过程中极化周期和非共线结构对信号光调谐带宽的影响.提出了最大极化周期的概念,用于描述非共线相位匹配和群速度匹配同时满足时晶体的极化周期所能达到的最大值,给出了用于计算不同温度下周期极化铌酸锂晶体的最大极化周期的数学公式,并确定了宽带可调谐光参量放大过程应使用的最佳非共线结构.当采用此非共线结构时,通过将晶体的极化周期设定为最大极化周期可以在相对最大的波长范围内实现信号光的调谐放大输出.在此基础上提出了一个用于最大化光参量放大过程的信号光调谐带宽、确定工作温度等最佳工作参数以及简化实验操作方法的可行性方案.最后对最大极化周期和非共线结构对光参量放大的参量带宽的影响进行了研究. 关键词： 光参量放大 极化周期 非共线结构 带宽     

宽带光参量放大过程中的转换效率提升

建立了宽带光参量放大数值模拟平台,并基于此对宽带光参量放大系统的能量转换效率提升进行优化设计,根据模拟计算结果可以对实验中能够达到的最优化能量转换效率进行预判。建立了验证实验平台并进行了实验,研究并攻克了实验中遇到的参量荧光抑制、信号光,泵浦光空间精确匹配、脉宽精确匹配、时间波形整形等关键技术难点。在抑制参量荧光的同时实现了宽带光参量放大过程能量转换效率的提升,在单级宽带光参量放大过程中获得了30%的能量转换效率。     

宽带光参量放大过程中的转换效率提升

建立了宽带光参量放大数值模拟平台,并基于此对宽带光参量放大系统的能量转换效率提升进行优化设计,根据模拟计算结果可以对实验中能够达到的最优化能量转换效率进行预判。建立了验证实验平台并进行了实验,研究并攻克了实验中遇到的参量荧光抑制、信号光,泵浦光空间精确匹配、脉宽精确匹配、时间波形整形等关键技术难点。在抑制参量荧光的同时实现了宽带光参量放大过程能量转换效率的提升,在单级宽带光参量放大过程中获得了30%的能量转换效率。     

基于光参量变频与放大的高灵敏红外成像技术

针对可用于微弱红外图像探测的光学参量变频与增强技术,进行了仿真与实验探索.针对高增益光参量放大器(OPA)过程中的参量荧光背景噪声,提出了基于外接圆模型的空间滤波技术,通过仿真优化设计,利用空域、频域滤波与像传递系统相结合的方法,将参量荧光背景的抑制比例超过70%,其增强后的成像质量较之前有明显改善,峰值信噪比提升22%.基于10 Hz,355 nm的大能量皮秒紫外抽运激光,实现了红外波段到可见光波段的参量频率上转换,得到了超过1.3×108(82 d B)的光学图像增益.实验结果表明,采用高增益OPA作为光学预放大级之后,常规非制冷电荷耦合器件可实现微弱红外成像的有效探测,灵敏度可达每像素7.4个光子.该方案有望用于单光子级高灵敏红外成像场合.     

微弱光学图像的光参量放大特性的研究

研究了微弱光学图像在光参量图像放大中的放大特性,分析了相位匹配和晶体的空间频率带宽对图像信号增益的影响,从实验上验证了不同的相位匹配时输入图像信号在傅里叶平面上的增益分布.结果表明,当晶体的空间频率带宽大于输入图像信号的空间频率带宽且完全相位匹配时,光参量图像放大器能够对输入图像信号实现无失真、高增益的理想放大;有相位失配时,图像信号的增益峰值向高空间频率范围移动,并且在峰值附近范围变窄,随相位失配量大小的变化能够对图像信号光场中某特定空间频率实现放大,对图像信号进行滤波处理,突出图像特定频率的信息,实现图像边缘增强.     

超连续谱注入飞秒光参量放大实验研究

提出了一种很有特色的基于超连续谱注入的飞秒光参量放大技术,该种技术方法不仅克服了常规1 053 nm脉冲在前端小能量放大时的增益窄化现象,而且可实现800 nm激光和1 053 nm激光的零时间同步。通过系统的实验研究,获得了大于4 mJ的1 053 nm宽带信号光能量     

Over 300 nm tunable broadband one-crystal noncollinear optical parametric amplification

An over 300 nm tunable broadband noncollinear optical parametric amplification in visible scale as well as the generation of blue pump pulses in one BBO crystal are demonstrated. Micro-joule energies are achieved in the signal branch, and the signal central wavelength can be tuned from 475 to 800 nm. The near-transform-limited sub-50 fs pulse duration is attainable over the whole tuning range after compression by a pair of prisms.     

High-energy broadband four-wave optical parametric amplification in bulk fused silica

Efficient broadband four-wave optical parametric amplification in bulk Kerr medium (fused silica) is demonstrated by means of noncollinear phase matching and cylindrical focusing geometry without the onset of beam breakup and filamentation. Amplified signal energy as high as 180 microJ with 1 ps, 1.8 mJ pumping at 1,055 nm is achieved with pump-to-signal energy conversion close to 10%. More than 70 nm FWHM parametric gain bandwidth around 740 nm is demonstrated without imposing angular dispersion on the frequency components of the broadband seed signal.     

35 J broadband femtosecond optical parametric chirped pulse amplification system

We report on what is believed to be the first large-aperture and high-energy optical parametric chirped pulse amplification system. The system, based on a three-stage amplifier, shows 25% pump-to-signal conversion efficiency and amplification of the full 70 nm width of the seed spectrum. Pulse compression to 84 fs achieved after amplification indicates a potential of 300 TW pulse power for 35 J amplified pulse energy.     

基于光束偏转的扫描式宽带光参量啁啾脉冲放大

光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)是超短激光脉冲领域的重要技术之一,增大增益带宽对提高OPCPA的转换效率、实现宽带光参量放大具有重要的意义.本文将光束偏转和非共线OPCPA有机结合,提出了基于光束偏转的扫描式宽带OPCPA模型.分析了通过光束偏转来时刻改变非共线角,以保证各频率成分的相位匹配,从而增大增益带宽的基本原理.采用提出的扫描式宽带OPCPA,针对800 nm中心波长、带宽约为100 nm信号光的光参量放大进行了数值计算.结果表明:经过扫描式OPCPA后,信号光的带宽与放大之前几乎相同,光谱没有窄化;扫描式OPCPA比固定非共线角方式的放大极大地增加了增益带宽和转换效率,实现了宽带的光参量放大;要满足信号光各频率成分的相位匹配,达到最大的增益带宽和转换效率,需要尽量减小加载到钽铌酸钾(KTa_(1-x) Nb_xO_3, KTN)电光晶体上的电压抖动和电压延时.     

Near-infrared cavity-dumped femtosecond optical parametric oscillator

We demonstrate a high-energy near-infrared cavity-dumped femtosecond optical parametric oscillator (OPO) based on periodically poled lithium niobate. The laser generates 90 nJ pulses at a repetition rate of up to 1 MHz when synchronously pumped by 800 mW output from a femtosecond Ti:sapphire laser. The laser is broadly tunable from 1.0 to 1.5 microm in the signal branch, with a pulse duration of < 60 fs at 1.2 microm. High intracavity power is achieved by running the laser in the regime of positive group-velocity dispersion.     

Demonstration of highly efficient broadband amplification in a optical parametric chirped-pulse amplifier system

We have demonstrated highly efficient broadband amplification by an optical parametric chirped pulse amplifier (OPCPA) system that uses high energy seed pulses. The OPCPA consists of three type I B-barium borate (BBO) crystals pumped by a Q-switched Nd:YAG laser. We successfully amplified the microjoule level seed pulses to 78 mJ with a pump-to-signal optical conversion efficiency of 26% at a 10 Hz repetition rate. To our knowledge these results represent the most optically efficient OPCPA to date pumped by a typical Q-switched laser.     

Cavity-enhanced optical parametric chirped-pulse amplification

A novel method for the generation of high-energy ultrashort optical pulses is described and studied theoretically and numerically. Through the combination of parametric amplification and enhancement cavities, this method opens a route to generate few-cycle pulses at unprecedented average power levels through the use of a low-energy, high average-power pump source and energy storage in the enhancement cavity. Dispersion in the enhancement cavity ceases to be a concern with the use of long pump pulses. Limitations set by the Kerr nonlinearity of the amplifier crystal are analyzed, and ways to overcome them using self-defocusing nonlinearities are discussed.     

Stacking chirped pulse optical parametric amplification

Stacking chirped pulse optical parametric amplification based on a home-built Yb³⁺-doped mode-locked fiber laser and an all-fiber pulse stacker has been demonstrated. Energic 11 mJ shaped pulses with pulse duration of 2.3 ns and a net total gain of higher than 1.1 × 10⁷ at fluctuation less than 2% rms are achieved by optical parametric amplification pumped by a Q-switched Nd:YAG frequency-doubled laser, which provides a simple and efficient amplification scheme for temporally shaped pulses by stacking chirped pulse.