[发明专利]全立体空间相位匹配提升宽带OPCPA性能的方法

说明书

本发明涉及一种全立体空间相位匹配提升宽带OPCPA性能的方法，其特征在于通过在双轴非线性晶体全立体空间内求解最优相位匹配角度，获得非线性光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)超宽的增益带宽和较高的有效非线性系数,实现最优化的相位匹配及OPCPA过程，同时该方法也拓展了非线性晶体OPCPA支持的波段范围。本发明适用于高重频OPCPA激光装置，也适用于数拍瓦级激光装置的主放大器。

技术领域

本发明涉及超短脉冲技术领域，特别涉及一种全立体空间相位匹配提升宽带OPCPA性能的方法。

背景技术

非线性光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术是实现拍瓦(PW：10¹⁵W)级乃至百PW级放大的一大技术途径。随着激光技术和激光材料技术的发展，超强超短激光的输出功率越来越高，可以为激光物理实验提供更加极端的条件。

由于OPCPA技术在放大过程中不会产生寄生振荡效应，而且具有高信噪比、低系统B积分、宽增益带宽以及高单程增益等性能，大口径高能OPCPA在未来有望突破百PW甚至艾瓦(EW：10¹⁸W)放大。在2015年，上海光学精密机械研究所基于100mm*100mm的LBO晶体实现1PW的高能OPCPA放大输出；在2017年，中物院八所基于两块级联LBO晶体实现4.9PW的宽带放大输出，验证OPCPA技术可实现拍瓦乃至数拍瓦级超强超短激光脉冲放大。

在目前的OPCPA系统中，绝大多数OPA采用主平面(XOZ、YOZ，XOY平面)I类相位匹配模式。例如基于LBO晶体在800nm宽带OPCPA放大过程中，相位匹配角为θ＝90°，φ＝13.85°，相位匹配在XOY平面上；基于YCOB晶体的OPCPA相位匹配角为θ＝26.5°，φ＝180°或0°，相位匹配在XOZ平面上。处于主平面的相位匹配模式有计算和晶体切割比较简单，实验调节要求比较低，单位长度走离角度小等优点，但对于某些双轴晶体，主平面匹配不一定是唯一的匹配模式。处于主平面的相位匹配由于特殊角度的限制(θ或φ＝0°，90°，180°)，往往可支持的增益带宽和有效非线性系数并不是处于最大值，可以在非主平面整个立体空间范围内寻找最佳的相位匹配，以获得非线性晶体所支持的最大带宽和最大的有效非线性系数，实现最优化的相位匹配方式。

发明专利“特殊切角的硼酸氧钙稀土盐激光倍频晶体【专利号：99112260.7】”描述了YCOB晶体在立体空间内的特殊角度(θ＝65.9°±5°，φ＝36.5°±5°或者＝66.3°±5°，φ＝143.5°±5°)下实现了最优倍频相位匹配，解决了当时倍频转换效率低的问题。但是该专利给出的立体空间角度只适用于YCOB晶体在单波长(1064nm)倍频至532nm的倍频角度，而不能解决双轴晶体立体空间内OPCPA最优的相位匹配角求解问题。

发明内容

本发明的目的是为了突破传统非线性晶体在主平面相位匹配宽带OPCPA的限制，提升宽带OPCPA输出性能，提供一种全立体空间相位匹配提升宽带OPCPA性能的方法，通过在双轴非线性晶体全立体空间内求解最优相位匹配角度，在获得非线性OPCPA超宽的增益带宽和较高的有效非线性系数的同时，也拓展了非线性晶体OPCPA支持的波段范围来实现最优化的非线性光参量放大。

为实现上述发明的目的，本发明的技术解决方案如下：

本发明通过在双轴非线性晶体全立体空间内求解最优相位匹配角度，在获得非线性光参量啁啾脉冲放大超宽的增益带宽和较高的有效非线性系数，实现最优化的相位匹配及OPCPA过程，同时也拓展了非线性晶体OPCPA支持的波段范围。一种全立体空间相位匹配提升宽带OPCPA性能的方法，具体步骤如下：

步骤1、给定初设的非共线角度α，非共线角度α为泵浦光和信号光在晶体内部的夹角，一般为0°≤α≤5°；