抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法.pdf

一种抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法，是在非共线光参量放大模式下，通过调节信号光的入射方向，使得倍频晶体中闲置光的传播方向与泵浦光的走离方向相互平行，以有效抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光的传递，从而保持放大后信号光的良好光束质量。

1、  一种抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法，其特征是：在非共线光参量放大模式下，通过调节信号光的入射方向，使得倍频晶体中闲置光的传播方向与泵浦光的走离方向相互平行。

2、  根据权利要求1所述的抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法，其特征是包括下列步骤：
①计算出泵浦光在倍频晶体内的走离角ρ_P：
②令倍频晶体内信号光与泵浦光波矢量的夹角与泵浦光在倍频晶体内的走离角相等，ρ_i＝ρ_P，根据相位匹配矢量关系kssinρi=kisinρs]]>计算出ρ_s；
③根据折射定理n₀ sinρ′_s＝n_LBO sinρ_s算出ρ′_s，即信号光的入射角；
④使泵浦光垂直于倍频晶体的前端面入射，调整信号光以ρ′_s角度非共线入射，以保证闲置光波矢量方向与泵浦光的走离方向平行，从而有效抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光的传递。

3、  根据权利要求1或2所述的抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法，其特征是所述的倍频晶体为三硼酸锂，则泵浦光在该倍频晶体内的走离角ρ_P通过下列公式计算：
tanρP=12np2sin2φ(1nx2(λp)-1ny2(λp)),]]>
其中：n_P可由npλp=nz(λs)cosρsλs+nz(λi)cosρiλi]]>得出，
φ可由np=nx(λp)ny(λp)(nx(λp)cosφ)2+(ny(λp)sinφ)2]]>得出，
nx2=2.454140+0.011249λ2-0.011350-0.014591λ2-6.60·10-5λ4]]>
ny2=2.539070+0.012711λ2-0.012523-0.018540λ2+2.00×10-4λ4]]>
nz2=2.586179+0.013099λ2-0.011893-0.017968λ2-2.26×10-4λ4.]]>

抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法
技术领域
本发明涉及非共线光参量啁啾脉冲放大系统，特别是一种抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法。
背景技术
光参量啁啾脉冲放大技术(简称为OPCPA)是由光参量放大技术(OPA)和啁啾脉冲放大技术(CPA)结合而成。目前，它已被广泛应用于放大超短超强激光脉冲，与传统的啁啾脉冲放大技术相比，有诸多优点，如放大介质短、宽带高增益、高稳定性、高能量转换效率、高脉冲对比度和低热沉积等，对于获得更短的脉冲宽度、更高的聚焦强度和更高的信噪比十分有利。已建和在建的大能量钕玻璃皮秒拍瓦激光系统，诸如大阪大学激光工程所的拍瓦激光装置和FIREX，美国罗彻斯特大学的OMEGAEP装置，法国强激光应用实验室(LULI)的PETAL，以及中国的神光II第九路拍瓦升级装置，都在前端采用了或准备采用OPCPA放大取代再生放大技术。在钛宝石飞秒激光系统中也通常采用OPCPA作为预放大技术。因此，在上述激光系统中，利用OPA技术预放大啁啾展宽激光脉冲已成为人们研究的热点，并且已有大量的理论和实验研究。但是，目前这些研究主要集中在稳定性、脉冲时间对比度和转换效率等方面，而对于OPCPA的光束质量，如泵浦光波前畸变与信号光振幅耦合、泵浦光-信号光波前畸变传递等原因导致信号光的近场和远场光束质量变差等方面的研究却鲜有报道。
目前有报道的几篇有关OPA光束质量方面的研究[参见在先技术1“Angular effects and beam quality in optical parametric amplification”，I.Jovanovic，B.J.Comaskey，and D.M.Pennington，J.Appl.Phys.90，4228(2001)和在先技术2“Optical parametric amplification pumped by a phase-aberratedbeam”，X.Wei，L.Qian，P.Yuan，H.Zhu，D.Fan，Opt.Express，16(12)，8904(2008)]主要集中在共线OPA模式下泵浦光与信号光之间的相位传递对光束质量的影响。他们的数值模拟结果表明：走离效应是导致泵浦光的相位畸变向信号光传递的主要因素，并且通过利用倍频晶体对补偿走离效应，可以大幅减小这种相位畸变的传递。
图1是共线OPA模式下倍频晶体对对走离效应的补偿方式[参见在先技术2]。图中所示的两块倍频晶体的光轴是反向平行的，所以泵浦光(e光)在两块晶体中的走离方向刚好相反，这样就可以在一定程度上实现对走离效应的补偿。
但是，在非共线OPA模式下，比如在大型拍瓦钕玻璃激光系统的前端装置中，信号光、泵浦光和闲置光是非共线传输的，所以不能利用这种倍频晶体对来抑制相位畸变从泵浦光向信号光的传递。
发明内容
本发明的目的就是要弥补上述现有技术的不足，提供一种抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法，从而有效保持放大后信号光的良好光束质量。
本发明的技术解决方案是：
一种抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光传递的方法，在非共线光参量放大(OPA)模式下，通过调整倍频晶体中信号光的传播方向与泵浦光的走离方向之间的夹角，使闲置光的传播方向与泵浦光的走离方向平行，抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光的传递，从而有效保持放大后信号光的良好光束质量。
本发明方法具体包括下列步骤：
①计算出泵浦光在倍频晶体内的走离角ρ_P：
②令倍频晶体内信号光与泵浦光波矢量的夹角与泵浦光在倍频晶体内的走离角相等，ρ_i＝ρ_P，根据相位匹配矢量关系kssinρi=kisinρs]]>计算出ρ_s；
③根据折射定理n₀ sinρ′_s＝n_LBO sinρ_s算出ρ′_s，即信号光的入射角；
④使泵浦光垂直于倍频晶体的前端面入射，调整信号光以ρ′_s角度非共线入射，以保证闲置光波矢量方向与泵浦光的走离方向平行，从而有效抑制泵浦光的波前相位畸变向信号光的传递。
所述的倍频晶体为三硼酸锂，则泵浦光在该倍频晶体内的走离角ρP通过下列公式计算：
tanρP=12np2sin2φ(1nx2(λp)-1ny2(λp)),]]>
其中：n_P可由npλp=nz(λs)cosρsλs+nz(λi)cosρiλi]]>得出，
φ可由np=nx(λp)ny(λp)(nx(λp)cosφ)2+(ny(λp)sinφ)2]]>得出，
nx2=2.454140+0.011249λ2-0.011350-0.014591λ2-6.60×10-5λ4]]>
ny2=2.539070+0.012711λ2-0.012523-0.018540λ2+2.00×10-4λ4]]>
nz2=2.586179+0.013099λ2-0.011893-0.017968λ2-2.26×10-4λ4.]]>
本发明的技术解决方案是基于以下原理：
在非共线OPA模式下，当作用光波之间存在走离效应时，在初始放大阶段，泵浦光和闲置光的波前存在波前相位畸变，信号光可看作平面波，当倍频晶体中信号光的传播方向与泵浦光的走离方向一致时，走离效应会使得泵浦光和闲置光的波前相位存在空间相对移动，从而导致泵浦光的波前畸变向信号光传递，引起放大后信号光光束质量的下降。所以，可以通过适当调节信号光的入射方向，使得倍频晶体中闲置光的传播方向与泵浦光的走离方向相互平行，泵浦光和闲置光的波前相位没有空间相对移动，则泵浦光的波前相位畸变只会向闲置光传递，而不会传递到放大的信号光上，从而可以保持其良好的光束质量。
本发明的技术效果如下：
1、采用非共线光参量放大，可以方便地把放大的信号光从泵浦光和闲置光中分离出来
2、通过适当调节泵浦光与信号光的非共线角，仅用一块倍频晶体就可以有效补偿走离效应导致的泵浦光的波前相位畸变向信号光的传递，大大降低了调节难度；
3、如果泵浦光(532nm)波前畸变PV值为0.6λ，则优化之前，放大后信号光(1053nm)的波前畸变PV值为0.59λ，而优化之后，其波前畸变PV值为0.005λ。实验表明，该方法有效抑制了泵浦光的波前畸变向信号光的传递。
附图说明
图1是共线OPA模式下利用倍频晶体对补偿走离效应的示意图。
图2是非共线OPA模式下倍频晶体中非共线相位匹配波矢方向图。
图3是入射泵浦光的波前相位畸变示意图。
图4是优化前放大的信号光的波前相位分布示意图。
图5是优化后放大的信号光的波前相位分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
经计算可以得到LBO倍频晶体中泵浦光的走离角约为0.41°。图2是非共线OPA模式下倍频晶体中非共线相位匹配波矢方向图。在图2(a)中，信号光的入射方向与泵浦光的走离方向比较接近(非共线角为0.5°)，此时，走离效应会使得泵浦光和闲置光的波前相位存在空间相对移动，从而导致泵浦光的波前畸变(0.6λ)向信号光(0.59λ)传递，引起放大的信号光光束质量的下降(如图4所示)；在图2(b)中，通过适当调节信号光的入射方向(使倍频晶体中信号光与泵浦光的非共线角约为-0.41°)，使得闲置光的方向与泵浦光的走离方向趋于平行，泵浦光和闲置光的波前相位几乎没有相对移动，则泵浦光的畸变波前(0.6λ)只会向闲置光传递，而基本不会传递到放大的信号光(0.005λ)上，从而保持其良好的光束质量(如图5所示)。
对本发明的数值模型分析如下：
为了把放大的信号光从泵浦光和闲置光中分离出来，须采用非共线光参量放大，当信号光脉冲被展宽到ns量级时，色散效应可忽略，并忽略掉晶体自身的损耗，考虑到走离和衍射效应，经过行波坐标变换，得到非线性耦合波方程
∂Es∂z+tanρs∂Es∂y-12jnskscosρs(∂2∂x2+∂2∂y2)Es=-jωsdeffcnscosρsEi*Epe-jΔkz]]>
∂Ei∂z+tanρi∂Ei∂y-12jnikicosρi(∂2∂x2+∂2∂y2)Ei=-jωideffcnicosρiEs*Epe-jΔkz---(1)]]>
∂Ep∂z+tanρp∂Ep∂y-12jnpkp(∂2∂x2+∂2∂y2)Ep=-jωpdeffcnpEsEiejΔkz]]>
式中：下标s，i，p分别表示信号光、闲置光和泵浦光。n表示激光在晶体内的折射率，k为激光在真空中的波矢量，ρ_s，ρ_i(t)分别为信号光波矢量Ks、闲置光波矢量Ki与泵浦光波矢量Kp的夹角，ρ_p为泵浦光P在晶体内的走离角。d_eff为非线性耦合系数，Δk表示三波相位失配。
计算方程(1)的虚部可得到波前相位耦合方程，衍射效应对波前影响很小，可以忽略
∂φs∂z+tanρs∂φs∂y=-ωsdeffcnscosρsAiApAscosθ]]>
∂φi∂z+tanρi∂φi∂y=-ωideffcnicosρiAsApAicosθ---(2)]]>
∂φp∂z+tanρp∂φp∂y=-ωpdeffcnpcosρpAiAsApcosθ]]>
θ＝Δkz+φ_p-φ_s-φ_i
式中：φ_s，φ_i，φ_p分别为信号光、闲置光和泵浦光的波前相位分布。假定初始闲置光为零，只有信号光和泵浦光入射，则闲置光的初始相位将自动调整为φ_i(0)＝φ_p(0)-φ_s(0)-π/2，使信号光的增益达到最大。如果作用光波之间没有走离效应，θ角空间分布均匀，放大的信号光的波前相位与泵浦光无关，泵浦光的波前相位存在畸变时，信号光仍旧能保持较好的光束质量。当作用光波之间存在走离效应时，在初始放大阶段，泵浦光和闲置光波前存在波前畸变，信号光可看作平面波，如果泵浦光和信号光走离方向一致，将会导致泵浦光和闲置光的波前相位存在空间相对移动，从而导致θ空间分布不均匀，波前畸变将会传递到信号光上，导致放大的信号光光束质量下降；如果泵浦光和闲置光走离方向一致，而且没有空间相对移动，则θ空间分布仍然均匀，泵浦光的畸变波前只会在泵浦光和闲置光之间传递，不会传递到信号光上。
采用分步傅立叶变换算法数值求解耦合波方程，在空间、时间域内计算三波非线性耦合项，在空间频域内计算走离效应。在神光II第九路拍瓦装置前端OPCPA系统中，对前端OPCPA的光束质量提出的指标是好于2倍衍射极限，而且光束近场均匀性好，尽可能地减小波前畸变和近场调制，理想光束的要求是近场振幅分布均匀，无波前畸变(平面波)。种子激光脉冲由钕玻璃锁模激光器提供，波长1053nm，脉宽220fs，能量为4nJ，经过展宽器展宽到3ns，能量衰减到500pJ，脉冲时间、空间波形均接近高斯分布。泵浦光波长为532nm，能量为400mJ，脉宽为4ns，时间和空间波形均为超高斯分布。由于LBO晶体本身固有的特性，走离效应小，高损伤阈值，因此被选作光参量放大作用晶体。拍瓦激光器前端采用高增益放大和功率放大两级OPA，信号光的光束质量变差通常集中在高增益放大阶段，因此我们只模拟高增益OPA放大阶段。在数值计算过程中，泵浦激光脉冲时间、空间分布均呈超高斯分布，在这里用10阶超高斯模拟泵浦激光脉冲时间、空间分布。在OPA高增益放大阶段，光斑直径半极大全宽度为2mm，LBO晶体长度为60mm，光束在LBO晶体X-Y面内传播，泵浦光走离角0.41°。
由于晶体生长过程中的体内瑕疵导致的泵浦光波前畸变通常在0.5～5λ左右，我们假定泵浦光波前畸变PV值为0.6λ(如图3所示)，信号光波前近似为平面。我们编写了准四维模拟程序来分析光参量放大过程中的光束质量变化和空间-时间波形的转换过程。
图4和图5别对应着图2(a)和图2(b)的情形，分别为优化前后被放大的信号光的波前分布。图2(a)和图2(b)所示的非共线角分别为0.5°和-0.41°。图4中信号光波前畸变PV值为0.59λ，与泵浦光的波前畸变程度(0.6λ)非常接近，而远远大于图5中信号光波前畸变的程度(0.005λ)。可见，当作用光波之间存在走离效应时，如果泵浦光的走离方向与信号光的传播方向一致，将会导致泵浦光和闲置光的波前相位存在相对移动，波前畸变将会传递到信号光上；如果泵浦光的走离方向与闲置光的传播方向一致，泵浦光和闲置光的波前相位不存在空间相对位移，则泵浦光的波前畸变只会向闲置光传递，而不会传递到信号光上。因此适当调整信号光与泵浦光的非共线角，减小泵浦光的走离方向与闲置光传播方向之间的夹角，便可以有效抑制泵浦光的波前畸变向信号光的传递。
由上面的计算结果可以看出，OPA放大过程中，在泵浦光存在严重的波前相位畸变的条件下，导致泵浦光波前畸变向信号光传递的主要因素是由于泵浦光的走离方向与闲置光的传播方向不一致引起的泵浦光与闲置光波前相位的空间相对移动。因此，可以根据该结论优化非共线OPA中信号光的入射方向，减小或避免泵浦光与闲置光波前相位之间的空间相对移动，从而有效抑制泵浦光的波前畸变向信号光的传递，保持放大后信号光的良好光束质量。