[发明专利]用于具有频率漂移的脉冲的光学参量放大的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于光学参量啁啾脉冲(chirped pulse)放大的方法和装置。

本发明尤其涉及光纤光学参量啁啾脉冲放大器(FOPCPA)领域。

由于光纤结构就尺寸和稳定性而言所提供的益处，这种新一代的放大器很可能在一些情形下取代大体积参量放大器。

本发明可以使FOPCPA的(光谱)增益带延伸2倍并且因此放大了非常短的持续时间的脉冲。甚至可以获得比那些掺杂稀土元素的光纤的增益带宽更大的增益带宽，这也许为使用完全基于光纤的装置的超宽频带放大铺平了道路。这符合当前激光系统朝着完全基于光纤的系统的发展。

本发明尤其应用于非常短的脉冲的放大、激光加工方法、激光-物质交互实验以及通信。

背景技术

前些年光纤光学参量放大器(FOPA)在光学通信领域中经历了令人瞩目的成功。实际上，针对于同时放大波长分割多路复用信号的多个信道，其宽的增益带表示出主要利益。

这些特征也被证明对于放大广谱脉冲是极其有益的，其中广谱脉冲被暂时地拉伸以减少其峰值功率。

实际上，直到现在，这些啁啾脉冲本质上通过以下被放大：

要么在掺杂稀土元素的光纤的大体积材料(bulk material)中通过受激发射被放大，或者

要么在基于二阶非线性晶体中的大体积放大器中被放大。

在再压缩之后，这些装置可以获得极强的信号；它们代表了选择的激光源。

针对于多个应用，对于紧凑设计、稳定性以及简单对齐的持续探索意味着光纤激光系统是优选的。然而，其基本操作原理需要光纤内部的泵浦能量存储，其中，这种能量随后以自发形式被产生或者以受激发射的形式被产生。通过这种方式，荧光信号被发射了足够长的时间以针对于要被恶化的信噪比。

在需要极佳对比的应用情形下，可以使用大体积光学参量放大器，但是这些放大器对于对齐以及保持极大体积而言是相对复杂的。

前些年前，因此提议产生上述诸如FOPCPA的装置来使光学参量放大器的益处和光纤放大器的益处相结合。

利用以下进行的实验，这种理论研究被快速地确认：

首先，在具有皮秒(picosecond，ps)信号的通信波长处，为了简单目的以及论证这种装置的可行性，参见下述文献：

[1]C.Caucheteur,D.bigourd,E.Hugonnot,P.Szriftgiser,A.Kudlinski,M.Gonzalez Herraez and A.Mussot,“Experimental demonstration of optical parametric chirped pulse amplification in optical fiber”,Opt.Lett.,35卷，11号，1786-1788页(2010)

–随后具有飞秒(femtosecond，fs)脉冲的大约1微米，参见下述文献:

[2]D.Bigourd,L.Lago,A.Mussot,A.Kudlinski,J.F.Gleyze and E.Hugonnot,"High-gain optical-parametric chirped-pulse amplification of femtosecond pulses at1μm",Opt.Lett.,35卷，20号，3480-3482页(2010).

利用退化设计(degenerated design)来执行所有这些实验论证或理论论证，其中，来自于相同泵浦源(pump source)的光子屈从于信号波以及空闲波。

在这一点处应该注意的是，在本发明中，建议使用具有两个泵浦源的非退化设计，其中，待被放大的波的光谱的载波包含两个泵浦源的(光)频率的(算数)平均值，使得可以加宽放大器的带宽或增益带。

此外，当待被放大的波近似地被注入在两个泵浦的中心处时，即当光谱的载波的中点近似地与频率的平均值一致时，甚至可以使带宽翻倍。

公知的光纤参量放大器的操作原理在图1和图2中被示意性地阐述了。在这些附图中，(光)频率f被给定在x轴线上并且功率谱密度d被给定在y轴线(对数刻度)上。

在退化情形(图1)下，其中，仅存在一个泵浦(泵浦信号p，其具有(光)频率fP)，待被放大的信号S在高频(B2)端或低频(B1)端处被注入到增益带B1-B2中。光纤F的输出以信号波Sa以及空闲波C为特征，其中该信号波Sa在其传播期间在光纤中已经被放大，并且该空闲波C相对于泵浦P与信号Sa对称。