光参量啁啾脉冲放大中时间同步抖动对增益稳定性的影响

在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、相位失配和时间同步抖动情况下,给出了计算光参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1 ns的时间同步抖动情况下,对比分析了光参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响

8卷 第4期 第1

006年4月 2强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.18,No.4 ,Ar.2006 p

文章编号:()001-4322200604-0529-04 1

光参量啁啾脉冲放大中时间同步抖动

对增益稳定性的影响*

曾小明, 魏晓峰, 朱启华, 黄小军, 王晓东, 周凯南, 刘兰琴, 王 逍, 郭 仪

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳6)21900

相位失配和时间同步抖动情况下,给出了计算光 摘 要: 在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、

参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1n对比分析了光s的时间同步抖动情况下,

参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响非常大,使放大

波形不对称和整个增益降低;并且信号光光谱越宽,光参量放大间信号光脉冲的增益光谱发生了明显的偏移,

的时间同步抖动对其增益影响越严重;但随着参量放大增益饱和的出现和加深,信号光和抽运光之间的同步时

间抖动对放大信号光的输出强度影响减弱,即在饱和放大处可以获得更稳定的放大信号光输出。

关键词: 光参量啁啾脉冲放大; 时间同步; 增益稳定性

248.1 文献标识码: 中图分类号: TN A

技术利用非线性晶体取代了传统激光放大器中的常规增益介质,是一种非OPCPA) 光参量啁啾脉冲放大(

线性的参量耦合放大过程,并以高增益、宽增益带宽和能够提供高信噪比放大脉冲等优点而倍受关注,是最近

]1-3发展起来产生超短超强高功率激光脉冲的一种新技术[。然而OPCPA技术对放大过程中抽运光和信号光

的脉冲时间同步技术提出了更高的要求,因为光参量啁啾脉冲放大中只有当抽运光和信号光同步入射到非线性晶体中,并在满足相位匹配情况下才能产生有效放大。但在实际光参量放大过程中抽运光脉冲和信号光脉冲之间总是存在有时间同步抖动,因此人们一般是利用脉宽较宽的抽运光脉冲去耦合放大脉宽较窄的信号光脉冲,以克服光参量放大过程中可能由于脉冲时间同步抖动对增益造成的影响。并且光参量啁啾脉冲放大属于高增益放大,其增益稳定性对各种增益参量的变化都十分敏感。以前人们只着重研究了抽运光和信号光的

4-8]强度抖动、晶体长度等参量在小信号放大和饱和放大时对光参量放大的增益稳定性影响[,本文结合抽运光

在考虑信号光为啁啾脉冲,不同的时间点对应不同的和信号光在实际应用中的时间脉冲波形和初始强度分布,

初始信号光强度,不同的啁啾有不同的相位失配量的情况下,信号光和抽运光脉冲间存在时间同步抖动时,对光参量放大的脉冲波形演变、光谱、增益稳定性等进行了数值模拟。

1 理论分析

在平面波近似和慢变振幅近似下,光参量放大过程可用下述rmstron 光参量放大都以Ag的理论为基础,

7]三波耦合波方程来描述[

E1nE1d11eff*(E1=-exkz)++α-iΔp12E32zctnccos 11β

E2nE2d22eff*(E2=-exkz)++α-iΔp21E32zc tnccosβ 22()1()2

3333eff(()E3=-E2exkz)3++α+iΔp312zc tnccos 33β

式中:)分别代表信号光、闲频光和抽运光的电场、折射率、损耗系数以及光波在非线性介En2,3αj=1,j,j,j,j(β

质中传播时的Pontinc为真空中光速;z为光的传播方向;k为三波耦合的相位失配量;dΔyg矢量的走离角;eff代表三波作用晶体的有效非线性系数。

首先我们将抽运光和信号光脉冲在时间上进行了离散。对抽运光主要在不同时 针对上述三波耦合方程,

2005-06-20;2005-12-28*收稿日期: 修订日期:

基金项目:等离子体国防科技重点实验室基金资助课题();激光聚变研究中心创新基金资助课题()51480040204JW0701200415

作者简介:曾小明(-),男,硕士,主要从事超短超强激光技术研究;。1973zxm7311@http://doc.guandang.netp

在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、相位失配和时间同步抖动情况下,给出了计算光参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1 ns的时间同步抖动情况下,对比分析了光参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响

530强激光与粒子束第18卷间段考虑了其初始光强度分布,并在它的脉冲波形中引入了相对信号光的时间抖动量Δ。对信号光除了考虑t

不同离散时间段上初始光强变化外,还引进了不同时间段上由于啁啾而引起相位失配的变化情况。因此对信

8]号光和抽运光的脉冲波形可分别表示为[

n)=Es)(/]{[)]}[(ext+ФEs(texln21+jctTs)t-2ωpjp0NL(

m)=Ep)/}{[(Ep(texln2t+ΔtTp]-2p0()4()5

对于二阶超高斯光束有

)= /()/()ln26tt=ωo)CtT2-4 ωФs(s(s

式中:Ts,Tp分别表示信号光和抽运光脉冲的半高全宽;n和m为超高斯波形因子;t为信号光和抽运光之间Δ

的同步抖动;在计算中我们忽略高阶非线性啁啾的影响。C和ФNL分别为信号光的线性和非线性啁啾,

信号光不同时间段处的相位失配(在I类相位匹配晶体中)可表示为 其次,

)(coscosk(=2-ηπΔλλλδ]s)o(s)o(i)ψ-ηλp

o(s)inrcsinβ=aψ]()λoiη

22222///1osinnnnθ)=cθθo+sep(pp()7()8()9

/2212[]o(o(s)o(i))e(p)()10rcsin×θ=a22coscos-ηλλλλδo(e(osoip)p)ηηψ+η

式中:/、抽运光p或闲频光i;=nλλλθ为抽运光在晶体中的相位f可为e光或o光,j可为信号光sf(j)f(j)j,η

匹配角;δ为晶体内抽运光和闲频光夹角。ψ为晶体内抽运光与信号光的非共线角;}}

因此可认为抽运光和信号光的s至ns量级, 又由于光参量啁啾脉冲放大过程中的脉冲宽度通常为几百p

群速度相等。晶体对光的吸收很小,实际上损耗仅使O而不会影响放大脉冲的增益特PA的增益有所降低,

性,可以暂不考虑放大过程中的损耗。

在综合考虑了上述脉冲波形和相位失配,以及忽略群速度失配和损耗的情况下,再将三波耦合方程 因此,

组作适当的坐标变换后可化为一阶常微分方程组,然后用龙格库塔法及结合具体非线性晶体的折射率方程组-

就可以对光参量啁啾脉冲放大过程进行数值求解。下面将以上述模型为基础,求解在一定非共线角下的信号光和抽运光脉冲在时间同步抖动为Δ并给出相应的模拟和分析讨论结果。t时的增益变化,

2

数值模拟及分析

目前在光参量啁啾脉冲放大中很多实验都选用商业

化的激光器做为泵浦源。在此,我们选用商业化的单纵

模激光器S做为泵浦源,以光参AGA-S倍频光(532nm)

量放大800nm信号光为例进行了模拟计算。实验测得

脉宽6n,调Q出SAGA-S激光器的基本输出参数为:s

光时间抖动1n。计算中光参量放大晶体使用2csm的

信号光谱宽为2并在时间上被展宽到1BBO晶体,0nm,

;且考虑信号光和抽运光在空间上均为平顶分布,在时ns

域上均为标准高斯脉冲。由于不同的非共线角对应着不

同的相位失配曲线和信号光增益带宽,并且增益曲线对

非共线角变化非常敏感。图1表示BBO晶体在不同非Fi.hasemismatchineendentonthesectrumofsinal Pggdppg

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