啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究

1、第13卷第4期2001年7月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.13,No.4Vol.,2001Jul文章编号:100124322(2001)0420408205啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究朱鹏飞,钱列加,林尊琪(中国科学院上海光学精密机械研究所,高功率激光物理国家实验室,上海201800)摘要:根据啁啾脉冲激光参量放大技术,数值模拟了光参量放大在啁啾脉冲放大中的应用。研究啁啾脉冲参量放大增益及时间特性,特别是在大信号注入与小信号注入两种有代表意义的情况下,详细分析了群速度失配、相位失配对放大过程的影响。研究泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步要求,讨

2、论了放大系统的稳定性。关键词:啁啾脉冲放大;光参量放大;数值模拟;群速度失配;相位失配中图分类号:O43714文献标识码:A自从啁啾脉冲放大(CPA)的概念提出以来1,超短脉冲技术有了长足的进展2,3,但CPA技术在具体应用中还存在着一些问题4,如增益窄化5、光谱漂移和非线性B积分的影响。由于这些效应的存在,现有的高能磷玻璃驱动器只支持亚皮秒级的脉冲激光,其峰值功率仍远低于理论极限值,寻找支持更短脉冲的宽带激光放大器是进一步提高输出功率的有效途径。光参量放大(OPA)具有高增益的特点,在简并或非共线情况下,可以实现群速度匹配,从而具有比钕玻璃放大器大得多的增益带宽。基于高能量大口径钕玻璃激光驱

3、动器的啁啾脉冲激光参量放大(OPCPA)是一个提高现有峰值功率的新设想6,7,它的主要原理是利用高能量钕玻璃激光系统的纳秒脉冲作为抽运光,通过OPA对展宽的纳秒啁啾脉冲进行放大,最后在输出端利用光栅压缩获得飞秒超强激光输出。OPCPA在本质上和CPA相同,只是以高增益的宽带OPA取代传统的激光放大器。OPCPA比CPA钕玻璃系统具有更多的优越性:(1)脉冲宽度较窄。基于钕玻璃系统的OPCPA可以支持小于100fs的激光脉冲,以减缓光栅有限口径的影响。利用现有商品化光栅产品,可实现拍瓦量级的激光脉冲;(2)鉴于OPA高增益的特点,整个激光系统的B积分可以设计在较低的水平,以减弱自相位调制对脉冲时

4、间特性的影响;(3)OPA光学晶体对抽运光是透明的,OPCPA系统不存在CPA钕玻璃激光系统的热畸变问题,加之整个系统的光学组件大幅减省,OPCPA激光束的空间质量可以做到接近衍射极限水平,有利于可聚焦功率密度的提高8。最近在OPCPA的理论方面已经做了许多探讨9,10,但这些工作中只给出忽略时间域变化的近似解,仅讨论了不存在群速度失配且小信号(无泵浦损耗)的情况。本文基于严格的耦合波方程,建立了研究OPCPA增益及时间特性的计算程序。1理论模型如图1所示,OPCPA的基本过程是先将飞秒种子脉冲用光栅对展宽为有啁啾的脉冲,注入一非线性晶体进行参量放大,再用光栅对压缩被放大的光脉冲,从而得到高峰

5、值功率输出。OPA是一个三波非线性作用过程,如果仅考虑时间域,不计横向空间变化等,耦合波方程为11,1222 3Idler:(+izk)1)E1(z,t)=2+2effE3E2exp(-zvg1t21ctk1c22 3Signal:(+2)E2(z,t)=2+2effE3E1exp(-zvg2t22c5tk2cizk)(1)收稿日期:2001202212;修订日期:2001204210基金项目:国家863惯性约束聚变领域(863241622)、国家自然科学基金(60088003)和国家973(G19990752023)资助课题作者简介:朱鹏飞(19742),男,在读博士研究生,现主要从事超短超

6、强激光的研究;上海市8002211信箱。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第4期朱鹏飞等:啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究40922 Pump:(+3)E3(z,t)=2+2effE1E2exp(izk)zvg3t23c5tk3c i,i,ki,vgi,Di,式中:E、频率、波矢、群速度、色散系数、损耗系数;i(i=1,2,3)分别是三个波的复振幅eff为非线性耦合系数;k是三个波之间的相位失配,k=k3-k1-k2。由于晶体很薄,所以可忽略损耗和晶体自身引起的色散,即略

7、去方程左边第三、四项。2定义非线性长度LN=k1c2 21effE30,其中E30是泵浦光电场强度的振幅,当LN远大于晶体长度,意味着泵浦光很弱;当LN远小于晶体长度,意味着泵浦光很强。为了简化计算,将长度量按LN归一化,并对时间进行坐标变换13,令=t-z vg3,则以上方程变为exp(-iz)E1(zIdler:(+,)=iE3E3LNk)2zl exp(-iz(2)E2(zSignal:(+,)=iE3E3LNk)1zl ( Pump:E3z,)=2iE1E2exp(izLNk)z式中:z=z =lc LN,lLN,lc为晶体长度;Tij=lc(1 vgi-1 vgj)定义为走离时间,其

8、意义是两个不同中心频率i及j的光脉冲通过非线性晶体后相互分开的时间,即群速度失配(GVM),简并情况下,T13=T23,1=2=,3=2。Fig.1AblockdiagramofOPCPA图1啁啾脉冲参量放大过程示意图Fig.2Gainofsignalvstheintensity.Thecalculatedcondition:lc=1mm,GVM=0,k=0图2信号光的增益随其强度的变化关系2数值模拟与分析由于耦合波方程中既有时间变量又有空间变量,通常情况下不可能求出解析解,因此转而用数值解法。假定信号光和泵浦光都是高斯型。在本文所有的计算中均假定入射信号光脉冲是由脉宽100fs的种子脉冲展宽

9、成脉宽100ps的啁啾脉冲。为了充分地对信号光进行放大,泵浦激光的脉宽略大于信号光脉宽。从耦合波方程可定量地分析信号光强度、非线性长度、群速度失配、相位失配等因素对放大过程的影响。在程序处理上,用分步傅立叶法进行计算,数值模拟的结果与分析如下。2.1信号光的增益随信号光入射强度的变化关系从图2中可看到,小信号放大时的增益是很高的,可达107,与再生放大器的增益相当,远高于以钕玻璃、钛宝石为介质的普通放大器所能达到的量值。信号光的入射电场强度与泵浦光电场强度的比值-5-4E2 E3很小的时候(10至10左右),增益基本上不随E2的变化而改变(小信号放大状态),随着信号光的入射强度增大,OPA逐渐

10、过渡到饱和放大状态,增益变得越来越小,最后下降趋于1,但是从泵浦光中抽取出的能量越来越大,这与一般的激光放大器的特点是相似的。2.2OPCPA的稳定性为了评估OPCPA的稳定性,在分别改变信号光入射强度和泵浦激光强度两种情况下,观察信号光输出强度随之改变的幅度。第一种情况:保持泵浦激光的泵浦强度不变,改变信号光入射强度幅度的±© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.410强激光与粒子束第13卷10%。小信号放大时,信号光输出强度改变的幅度与入射强度改变的幅度相当,约为&

11、#177;10%;饱和放大时,信号光输出强度改变的幅度比较小,为±1%左右。这表明小信号放大时不如饱和放大时的状态稳定。第二种情况:保持信号光的入射强度不变,改变泵浦激光强度幅度的±10%。小信号放大时,信号光的输出强度改变的幅度很大,约为±120%,是泵浦激光强度改变幅度的10倍;饱和放大时,信号光输出强度改变的幅度与入射强度改变的幅度相当,约为±10%。这表明泵浦激光强度的改变对OPCPA稳定性的影响较信号光入射强度的改变对稳定性的影响大。以上的稳定性分析对下一步的实验工作有指导意义:即如果要使系统的放大状态稳定,首先要尽量保证泵浦激光强度稳定,并且

12、最好使OPA工作在饱和放大状态。对于多级OPA,最初几级要工作在小信号放大状态以提高增益,最后一级工作在饱和放大状态以提高稳定性。2.3放大脉冲的时间与光谱特性为了研究放大脉冲的时间、光谱特性,比较了小信号放大和饱和放大两种有代表意义的情况下的输出波形相对于入射信号光脉冲的变化。为便于比较,已将各脉冲强度峰值归一化。从图3(a)中可以看出,饱和放大时啁啾信号光脉宽宽于小信号放大时的脉宽。饱和放大时输出信号光脉冲在时域内的波形顶部稍向下陷,这是因为峰值处增益已经耗尽,而其它的地方仍有增益的缘故,这个特征反映了放大达到了饱和状态。图3(b)是图3(a)相应的频谱,从中可以观察到OPA也存在增益窄化

13、问题,但与CPA有所不同的是:CPA中的窄化现象随着增益的增大而加剧,OPA正好反过来,窄化现象随着增益的增大而减小。另一个值得注意的现象是:饱和放大时,OPA没有“红移”,不会因此而影响脉冲的光谱形状。这两个特点恰好可用于克服CPA中存在的增益窄化和红移问题。Fig.3(a)Shapeofincidentchirpedsignal2pulseandtheoutputamplifiedsignal2pulseintimedomain(b)Thespectrumof(a).Thecalculatedcondition:lc=1mm,LN=0.1mm,GVM=0,k=0Fig.4Comparing

14、oftheseedpulseandthecompressedpulse.Thecalculatedcondition:lc=1mm,LN=0.1mm,GVM=0,k=0图3(a)入射啁啾信号光和放大输出信号光的时间波形,(b)入射啁啾信号光和放大输出信号光的光谱图4压缩脉冲与种子脉冲的脉宽比较2.4光栅对压缩后的脉冲波形OPCPA的最后一个环节是将参量放大后的啁啾信号光用光栅对进行压缩,以获得高强度峰值功率输出。从图4中可以看到压缩后的脉宽比种子脉冲宽,这是由于增益窄化引起的。饱和放大时的增益窄化没有小信号放大时严重,所以压缩后的脉宽要窄一些。对照图3(b)可看出脉冲压缩的这个特点在时间域与频

15、域中是相吻合的。2.5相位失配对放大过程的影响如图5所示,小信号放大的增益较饱和放大的增益受相位失配的影响大一些,随着相位失配的增大,增益曲线下降很快,在kLN=0.2时,增益下降到最大值的一半。饱和放大时所能允许的相位失配稍大一些,在kLN=0.4时,增益下降到最大值的一半。这些特性和倍频情况有所不同。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第4期朱鹏飞等:啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究4112.6群速度失配对放大的影响在耦合放大过程中,泵浦波、信号波以及新产生出来的闲波在

16、非线性晶体中传播的群速度不同会引起群速度失配,它的存在也会影响增益和波形。下面是计算机模拟的GVM对放大的影响。从图6可看出,GVM使输出的放大信号光脉冲与入射信号光脉冲相对有漂移,漂移的大小约为GVM的大小。另外,群速度失配的增大会使增益变小。对于小信号放大,当GVM大到与无啁啾的信号光脉宽相当时,增益下降至最大值的一半;对于饱和放大,当GVM为无啁啾的信号光脉宽的1.5倍时,增益下降至最大值的一半,如图7所示。Fig.5GainversuskLN.Thecalculatedcondition:lc=1mm,LN=0.1mm,GVM=0图5相位失配对增益的影响Fig.6Shiftofsign

17、al2pulsewithGVM.Thecalculatedcondition:E2 E3=10-5,lc=1mm,LN=0.1mm,GVM=100ps,k=0Fig.7GainofsignalversusGVM.Thecalculatedcondition:lc=1mm,LN=0.1mm,k=0Fig.8Distortionandexcursionofpulsewithdiffentnonsynchronization2timet.Thecalculatedcondition:E2 E3=10-1,=2000ps,lc=1mm,LN=0.1mm,GVM=0,k=0图7群速度失配对信号光增益的影

18、响图6群速度失配引起的信号光漂移图8时间不同步引起的畸变和漂移2.7泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步要求如果入射泵浦光脉冲与入射信号光脉冲的时间不同步,则放大信号光脉冲就会有畸变和漂移,波形变得不对称,同时增益也会变小。图8中的三个波形分别是泵浦激光脉冲与入射信号光脉冲不同步时间t为泵浦激光脉宽的0倍,0.5倍,1倍时的波形。不同步时间较小时,波形有轻微的畸变,随着不同(相当于CPA中的光谱红移),这将会影响放大脉冲的质步时间的增大,光谱将严重变形,发生“漂移”量。为避免发生严重的光谱漂移,泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步要求控制在啁啾信号光脉宽的十分之一左右。3结论通过CPA技术,高功率激光

19、系统的峰值功率已达到拍瓦水平,但由于非线性B积分和光学组件(尤其是光栅的口径、抗破坏阈值)等原因的限制,CPA技术似乎很难将高功率激光系统的峰值功率再提高几个量级。OPA具有有很高的增益,将OPA技术应用到CPA中,是进一步提高现有激光峰值功率的可能途径。以上的数值模拟表明,OPA中的增益窄化效应与CPA是相反的,即增益窄化与光强成反比。通常情况下OPA没有CPA中的“红移”现象,但是在泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间不同步时,OPCPA同样存在光谱漂移。本工作揭示了OPCPA放大脉冲的增益和时间特性,分别研究了群速度失配、相位失配、时间不同步等因素对脉冲输出时间波形及光谱的影响,将为进一步的实验

20、研究提供理论上的依据。在具体OPCPA放大过程中,情况是复杂的,可能会有几种因素同时起作用。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.412强激光与粒子束第13卷参考文献:1StricklandD,MourouG.CompressionofamplifiedchirpedopticalpulseJ.OptCommun,1985,56(3):219221.2SauteretC,HussonD,ThiellG,etal.Generationof20TWpicosecondduratio

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