皮秒短脈沖光參量啁啾脈沖放大中泵浦信號高精度同步主動控制技術(shù)研究*

李綱 郭儀 曾小明 謝娜 邵忠喜 黃征 孫立蔣東鑌 盧峰 朱斌 周凱南? 粟敬欽?

1) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)

2) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

在皮秒短脈沖泵浦的光參量啁啾脈沖放大(ps-OPCPA)系統(tǒng)中,泵浦光與信號光之間的高精度時間同步是需要解決的關(guān)鍵問題之一.本文基于中國工程物理研究院激光聚變研究中心的全OPCPA 激光裝置,對用于前端ps-OPCPA中泵浦光與信號光的高精度同步主動控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究.采用大啁啾信號光窄光譜光參量放大的主動反饋方式,通過合理設(shè)計(jì)反饋光路信號光的時域展寬啁啾系數(shù),將泵浦光與信號光的同步時間抖動從ps 量級降低至百fs 量級的時間范圍,從而極大地改善了前端ps-OPCPA 的能量和光譜不穩(wěn)定性:7 min 測試時間內(nèi)泵浦光與信號光相對同步時間抖動的均方根值(RMS)從458 fs 改善至93 fs,輸出能量RMS 不穩(wěn)定性從30.3%改善至3.15%,且維持光譜寬度大于100 nm 的穩(wěn)定寬光譜輸出.

1 引言

皮秒短脈沖泵浦的光參量啁啾脈沖放大(ps-OPCPA)具有高增益、超寬光譜帶寬、高損傷閾值等優(yōu)點(diǎn),近年來越來越多的應(yīng)用于大型超短超強(qiáng)飛秒和皮秒激光裝置的前端系統(tǒng)中,用以獲得高時域?qū)Ρ榷鹊那岸朔N子光輸出[1-6].如法國Apollon 裝置和歐洲極端光源ELI-NP 裝置的前端采用脈沖持續(xù)時間15 ps 的Yb:YAG 作為泵浦源,可獲得輸出能量大于1 mJ、對比度優(yōu)于10—12的種子信號光輸出,信號光光譜帶寬為200 nm,中心波長為800 nm[1,2];美國EP OPAL 裝置采用11 ps 脈沖持續(xù)時間的Nd:YLF 作為泵浦源,通過多級脈沖光參量放大,理論上可將前端種子光對比度提升至10—16,前端參量放大輸出能量為5 mJ,光譜帶寬為200 nm,中心波長為910 nm[4];中國工程物理研究院激光聚變研究中心的拍瓦(PW)全光參量啁啾脈沖放大前端系統(tǒng)采用10 ps 脈沖持續(xù)時間的Nd:Glass 激光器作為參量放大泵浦源,信號光輸出能量為2 mJ,光譜帶寬為100 nm,中心波長為800 nm,然后通過多級放大最終獲得10—10的高對比度4.9 PW 激光輸出[5];中國上海光機(jī)所的 Xiao 等[6]于2021 年報(bào)道了8 ps/6 mJ Nd:YLF泵浦的ps-OPCPA 種子注入系統(tǒng),將時域?qū)Ρ榷忍嵘思s40 dB,獲得優(yōu)于10—11的高對比度種子信號輸出,信號光輸出中心波長為1053 nm,帶寬為40 nm,輸出能量為600 μJ.

皮秒短脈沖泵浦光參量啁啾脈沖放大中需要解決的一個關(guān)鍵問題為泵浦光與信號光之間的時間同步問題.光參量放大過程中的皮秒短脈沖泵浦光通常由摻稀土Nd 離子或Yb 離子產(chǎn)生,信號光由寬帶Ti:Sa 激光器產(chǎn)生,泵浦光與信號光之間的時間同步通常采用同源振蕩器的被動式光同步技術(shù),即泵浦光與信號光的初始種子光來源于同一個寬帶Ti:Sa 振蕩器[7,8].由于泵浦光與信號光需經(jīng)過不同的光路后才進(jìn)行參量耦合,特別是為了獲得毫焦耳量級的皮秒泵浦脈沖,需要將泵浦光的種子信號進(jìn)行再生和多程放大,其光程可達(dá)幾十米甚至數(shù)百米[9].因此,工作環(huán)境的溫度波動、光學(xué)器件的機(jī)械振動等外部因素會導(dǎo)致參量放大過程中泵浦光與信號光的相對延遲時間出現(xiàn)隨機(jī)變化,嚴(yán)重影響參量放大過程的穩(wěn)定性[10,11].鑒于此,在ps-OPCPA 系統(tǒng)中,除了被動的光同步技術(shù)之外,還需發(fā)展主動光同步控制技術(shù),確保參量放大過程有效進(jìn)行.尤其是隨著摻Y(jié)b 介質(zhì)亞皮秒脈沖激光技術(shù)的發(fā)展,泵浦脈沖寬度可被壓縮至約 1 ps 至數(shù)百fs[9,12],此時發(fā)展ps-OPCPA 中泵浦光與信號光之間的主動光同步控制技術(shù)變得尤為重要.鑒于此,國外的相關(guān)研究單位如德國馬普研究所、歐洲極端光源組織(ELI)等很早就已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作[13-15].2012 年,德國馬普研究所的Schwarz等[13]利用皮秒短泵浦脈沖與展寬的啁啾信號脈沖相互作用產(chǎn)生和頻信號,基于和頻信號的波長變化主動控制泵浦光與信號光之間的相對光延遲,可將泵浦光與信號光之間的殘余時間抖動控制在24 fs (RMS)的范圍內(nèi);2014 年,Prinz 等[14]將和頻方式更改為參量放大方式,基于光參量放大的高增益特性,提高了時間同步反饋控制的靈敏度;同年,ELI 的Batysta 等[15]利用平衡光學(xué)交叉相關(guān)原理探測泵浦光與信號光之間的相對時間抖動,實(shí)現(xiàn)了泵浦光與信號光之間相對時間抖動小于17 fs(RMS)的控制精度.

本文基于中國工程物理研究院激光聚變研究中心的高能拍瓦OPCPA 裝置[5],詳細(xì)地開展前端ps-OPCPA 泵浦光與信號光高精度同步主動控制技術(shù)研究.將一束弱信號光通過高色散介質(zhì)展寬至數(shù)倍于泵浦光脈沖持續(xù)時間的啁啾脈沖,對展寬的啁啾信號光進(jìn)行參量放大,通過參量放大后窄光譜信號光波長的變化反饋控制泵浦光延遲光路,從而達(dá)到調(diào)節(jié)泵浦光與信號光在參量晶體中的同步時間的目的.實(shí)驗(yàn)中通過合理設(shè)計(jì)反饋光路信號光啁啾系數(shù),將泵浦光與信號光的同步時間抖動從ps 量級降低至百fs 量級的時間范圍,從而極大地改善了前端ps-OPCPA 的能量和光譜不穩(wěn)定性.基于設(shè)計(jì)的同步主動控制系統(tǒng),在7 min 測試時間內(nèi)將泵浦光與信號光相對同步時間抖動的均方根值(RMS)從458 fs 改善至93 fs,最大相對同步時間抖動從1.1 ps 改善至200 fs;而輸出能量RMS不穩(wěn)定性從30.3%改善至3.15%,且維持光譜寬度大于100 nm 的穩(wěn)定寬光譜輸出.研究結(jié)果對提升OPCPA 激光裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際意義.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為中國工程物理研究院激光聚變研究中心高能拍瓦OPCPA 激光裝置前端系統(tǒng)示意圖[5].如引言中所述,為了提高裝置輸出脈沖的時域?qū)Ρ榷?前端系統(tǒng)采用皮秒短脈沖泵浦的光參量啁啾脈沖放大技術(shù).Ti:Sa 振蕩器輸出中心波長為800 nm,光譜底寬為120 nm(半高寬約為60 nm),重復(fù)頻率為77.76 MHz,輸出功率為300 mW,脈沖寬度約為10 fs.振蕩器的輸出光分為兩束:一束(100 mW)作為全系統(tǒng)的信號光,另一束(200 mW)經(jīng)過光子晶體光纖(PCF)產(chǎn)生超連續(xù)譜,獲得1053 nm 波長的泵浦光種子信號.1053 nm 的種子光經(jīng)過啁啾光纖布拉格光柵進(jìn)行時域展寬后,依次經(jīng)過光纖放大器和釹玻璃放大器進(jìn)行放大,然后通過光柵壓縮器進(jìn)行時域壓縮.壓縮后的脈沖通過KDP 晶體倍頻,獲得526.5 nm 的皮秒短脈沖泵浦光輸出.實(shí)驗(yàn)中,基頻(1053 nm)至二倍頻(526.5 nm)的轉(zhuǎn)換效率為50%,二倍頻輸出能量1.2 mJ,脈沖寬度被壓縮至約1 ps(半高全寬).受限于釹玻璃放大器的熱管理難題,當(dāng)前的泵浦光運(yùn)行頻率為0.1 Hz.

圖1 前端 ps-OPCPA 系統(tǒng)中泵浦光與信號光高精度同步主動控制原理圖.圖中:BS,分束片;PC,普克爾盒電光開關(guān);PCF,光子晶體光纖;CFBG,啁啾光纖布拉格光柵Fig.1.Schematic of the active pump-signal synchronization for our frontend ps-OPCPA.BS:beam splitter,PC:Pockels cell,PCF:photonic-crystal fiber,CFBG:Chirped fiber Bragg grating.

信號光通過電光開關(guān)(PC)后,重復(fù)頻率降為0.1 Hz,然后通過分束片BS2 分為兩束,反射光進(jìn)入?yún)⒘糠糯笾鞴饴?透射光進(jìn)入高精度同步主動控制的反饋光路.分束片的反射率為95%,透射率為5%.反射光(約1 nJ)作為全系統(tǒng)的信號光在BBO晶體中進(jìn)行參量放大.BBO 晶體采用非共線走離補(bǔ)償?shù)囊活愊辔黄ヅ浞绞絒16],非共線角為2.4°,相位匹配角為24°,晶體長度為10 mm.主光路信號光傳輸至BBO 晶體處時,由于傳輸光路中的分束片、電光晶體、格蘭棱鏡等光學(xué)元器件的色散作用(總?cè)貉舆t色散約為1900 fs2),脈沖持續(xù)時間從10 fs 展寬至約340 fs(半高全寬).基于KDP 晶體倍頻產(chǎn)生的526.5 nm 泵浦光經(jīng)分束片BS3(反射率為5%、透射率為95%)分為兩束,透射束經(jīng)過可精密調(diào)節(jié)相對延時的光路后(如圖1 所示),用于泵浦主光路參量放大BBO 晶體.透射束能量約為1.14 mJ,在參量晶體處的光束口徑為5 mm (高斯分布,半高全寬),泵浦峰值強(qiáng)度約為4 GW/cm2.

高精度同步主動控制的反饋光路設(shè)計(jì)如下:經(jīng)BS2 透射的信號光首先經(jīng)過200 mm 長度的高色散SF10 玻璃(群延遲色散系數(shù)D2=171 fs2/mm)進(jìn)行時域展寬.假定信號光為高斯光譜且總?cè)貉舆t色散φ2較大時,展寬脈沖的持續(xù)時間 Δt近似為[17]

式中,c為光速;λ0為信號光中心波長;φ2為總的群延遲色散;Δλ為信號光光譜寬度;α為啁啾率(ps/nm).將λ0=800 nm,φ2=3.4×104fs2,Δλ=60 nm (半高全寬)代入上式,計(jì)算得到信號光的啁啾率α為0.1 ps/nm,脈沖寬度 Δt=6 ps(半高全寬).展寬后的信號光通過BBO 晶體進(jìn)行參量放大,BBO 晶體參數(shù)與主光路的BBO 晶體參數(shù)一樣.泵浦光能量約60 μJ,在參量晶體處的光束口徑為2 mm(高斯分布,半高全寬),泵浦峰值強(qiáng)度約為1.3 GW/cm2.由于泵浦光脈沖持續(xù)時間約為1 ps,信號光被展寬為6 ps(啁啾率為0.1 ps/nm),當(dāng)反饋光路參量放大輸出中心波長(或峰值波長)變動 Δλc時,根據(jù)圖1 所示的實(shí)驗(yàn)原理圖,主光路泵浦光與信號光的相對延時時間(即同步時間) Δτ變化為 Δτ≈αΔλc.比如當(dāng)反饋光路中心波長λc變動1 nm 時,主光路泵浦光與信號光的同步時間變動約為100 fs.利用光譜儀(HR4000)測量反饋光路信號光輸出波長變化,將波長變化轉(zhuǎn)換為主光路泵浦光與信號光的同步時間抖動,通過程序控制高精度步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動,從而對主光路泵浦光與信號光的同步時間抖動進(jìn)行主動補(bǔ)償控制.

3 反饋光路時域展寬啁啾系數(shù)設(shè)計(jì)分析

根據(jù)前述的實(shí)驗(yàn)方案,反饋光路信號光時域展寬啁啾系數(shù)的選擇將決定主光路泵浦光和信號光之間的同步時間控制精度.根據(jù)關(guān)系式 Δτ≈αΔλc,在相同的同步時間控制精度 Δτ下,啁啾率α設(shè)計(jì)越大,反饋光路的波長變動 Δλc就越小,即對光譜儀的分辨率以及波長變化的識別要求就越高;相反如果α設(shè)計(jì)過小,則反饋光路信號光時域展寬較小,即光譜成分局域在較小的展寬時間范圍內(nèi),使得反饋光路參量放大輸出光譜較寬,同樣不利于中心波長(或峰值波長)變動的識別,從而降低同步時間控制精度(尤其當(dāng)泵浦脈沖具有復(fù)雜的時域結(jié)構(gòu)時,參量放大光譜也具有復(fù)雜的光譜結(jié)構(gòu),更不利于波長變動的識別).為了分析同步時間變動對主光路信號光輸出光譜及能量的影響,以及判斷在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下,同步時間需控制在多大范圍內(nèi)時,才能獲得較為穩(wěn)定的信號光輸出,采用光參量放大耦合波方程對皮秒短脈沖泵浦光參量啁啾脈沖放大進(jìn)行數(shù)值模擬.皮秒短脈沖泵浦光參量放大耦合波方程為[18]

式中,As,Ai,Ap分別為信號光、閑頻光、泵浦光時域復(fù)振幅;k(n)為n階色散系數(shù);ωm(m=s,i,p)為角頻率;deff為有效非線性系數(shù);nm(m=s,i,p)為折射率;c為真空中光速;Δkkp-ks-ki為相位失配因子(km(m=s,i,p)為光波波矢).通常情況下,泵浦脈沖光譜較窄,參量晶體端面處的時域復(fù)振幅可直接表示為

式中,τp泵浦光脈沖持續(xù)時間(半高全寬:FWHM);Ip0為泵浦光峰值強(qiáng)度;ε0為真空介電常數(shù).信號光由于光譜寬度較寬(底寬 ＞100 nm,半高寬約60 nm),必須考慮光傳輸過程中的脈沖時域展寬效應(yīng).當(dāng)傳輸光路的總?cè)貉舆t色散較大,即展寬脈沖持續(xù)時間遠(yuǎn)大于傅里葉變換極限脈沖時(實(shí)驗(yàn)中主光路信號光經(jīng)過4.2 mm 厚度熔石英分束片一塊、15 mm 厚度石英晶體格蘭棱鏡兩塊,以及20 mm 長度的DKDP電光晶體一塊,總?cè)貉舆t色散φ2s約1900fs2.根據(jù)(1)式Δt≈(2πc/λ02)φ2sΔλ的變換關(guān)系,信號光被展寬至約340 fs,滿足展寬脈沖持續(xù)時間遠(yuǎn)大于傅里葉變換極限脈沖持續(xù)時間的條件),忽略傳輸光路的高階色散效應(yīng)后參量晶體端面處的信號光時域復(fù)振幅可以近似表示為[19]

式中,Is0為信號光峰值強(qiáng)度;τs為信號光脈沖持續(xù)時間;τ為信號光相對于泵浦光的同步時間抖動(τ＞0 時,信號光延遲于泵浦光;τ＜0 時,信號光超前于泵浦光),φ2s為傳輸光路總?cè)貉舆t色散.

數(shù)值模擬中的注入泵浦光強(qiáng)度、信號光強(qiáng)度、脈沖持續(xù)時間、信號光初始群延遲色散等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致,模擬參數(shù)如下:泵浦光峰值強(qiáng)度Ip0=4 GW/cm2,脈沖寬度τp=1 ps;信號光峰值強(qiáng)度Is0=1×10—6GW/cm2,脈沖寬度τs=340 fs,群延遲色散φ2s=1900 fs2;參量晶體BBO 長度為10 mm,相位匹配角為24°,非共線角為2.4°,有效非線性系數(shù)deff=2 pm/V.數(shù)值模擬采用分步傅里葉變換方法求解,即在時域空間求解非線性參量耦合,而在頻域空間考慮色散效應(yīng)[18].不同延遲時間τ下的模擬結(jié)果如圖2 所示.

圖2 數(shù)值模擬泵浦光與信號光同步時間對信號光 (a)輸出光譜以及(b)輸出能流的影響Fig.2.Numerical simulation the influence of pump-signal synchronization on the (a) signal output spectrum and (b)energy fluence.

由圖2 可見,信號光在晶體入射端面處相對于泵浦光初始延遲200 fs 時(即圖中的τ=200 fs),信號光具有最大輸出能流,且光譜底寬超過100 nm(圖2(a)中的紅色實(shí)線).這是由于信號光在BBO晶體中的群速度大于泵浦光群速度,因此在入射晶體端面處信號光延遲于泵浦光,可以確保信號光和泵浦光在參量晶體中具有更長的參量耦合長度,從而提高參量轉(zhuǎn)化效率.以初始延遲τ=200 fs 作為參考點(diǎn),當(dāng)同步時間變動超過400 fs 時(圖2 中的τ=600 fs和τ=— 200 fs),光譜寬度明顯變窄,且輸出能流降低幅度超過50%.從圖2 可見,將同步時間控制在±100 fs 的時間范圍內(nèi)時,光譜寬度無明顯變化,且能獲得較為穩(wěn)定的能流輸出.為了減小反饋光路輸出波長變化的識別誤差,提高同步時間反饋控制精度,反饋光路波長變化 Δλc設(shè)計(jì)為1 nm,根據(jù)同步時間控制精度 Δτ、啁啾率α、以及反饋光路波長變化 Δλc之間的相互關(guān)系Δτ≈αΔλc,將 Δτ=100 fs,Δλc=1 nm 帶入可得α=0.1 ps/nm.在根據(jù)(1)式,反饋光路的總?cè)貉舆t色散約需3×104fs2,因此反饋光路采用200 mm 長度的SF10 玻璃進(jìn)行時域展寬.

需要注意的是,在理想的高斯泵浦脈沖及信號脈沖下,由于信號光的正啁啾特性(φ2s＞0,低頻光子位于脈沖前沿,高頻光子位于脈沖后沿)[17],由圖2 的數(shù)值模擬結(jié)果可見,當(dāng)信號光延遲于泵浦光時,信號光輸出峰值波長向長波移動(圖2(a)中的τ=600 fs);而信號光超前于泵浦光時,峰值波長向長波移動(圖2(a)中的τ=—200 fs).然而實(shí)際情況中,泵浦脈沖并非理想的高斯脈沖,時域結(jié)構(gòu)由于泵浦系統(tǒng)自身的非線性效應(yīng)可能非常復(fù)雜,且可能具有較強(qiáng)預(yù)脈沖或尾脈沖[20],因此在實(shí)際應(yīng)用中無法通過主光路信號光輸出光譜峰值波長的移動,判斷信號光是超前還是延遲于泵浦光.從第4 節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論可知,基于反饋光路的大啁啾信號光窄光譜參量放大,可很好的解決這一判斷難題.

4 結(jié)果分析與討論

反饋光路控制程序不運(yùn)行時,主光路參量放大輸出能量如圖3 所示.從圖3 可見,主光路參量放大輸出能量存在劇烈波動,能量波動范圍從15 μJ至最大170 μJ,波動RMS 值不穩(wěn)定性為30.3%.相應(yīng)的輸出光譜如圖4 所示.圖4(a)為輸出能量位于峰值,即對應(yīng)圖3 中的發(fā)次3,15和25 時ps-OPCPA 的輸出光譜形狀;圖4(b)為輸出能量位于谷值,即對應(yīng)圖3 中的發(fā)次6,21和32 時ps-OPCPA 的輸出光譜形狀.從圖3和圖4 可知,能量波動和光譜波動存在對應(yīng)關(guān)系,波動原因主要來源于泵浦光和信號光之間的同步時間變化.分析如下:圖3和圖4(a)中的發(fā)次3,15和25 對應(yīng)泵浦光和信號光同步時間匹配較好的情況,此時ps-OPCPA 具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率,同時獲得較寬的光譜寬度輸出,光譜底寬可達(dá)100 nm(光譜底寬740—840 nm),且光譜形狀較為穩(wěn)定.由圖4(b)可知,發(fā)次6 的輸出光譜寬度出現(xiàn)窄化,相對于圖4(a)的光譜缺少820 nm 的長波部分,且780 nm 波段附近出現(xiàn)凹陷,光譜強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于其他發(fā)次;發(fā)次32 的輸出光譜窄化至約60 nm(光譜底寬740—800 nm),相對于圖4(a)的光譜形狀缺少大于800 nm 的長波部分;發(fā)次21 的輸出光譜寬度同樣相對于圖4(a)的光譜出現(xiàn)窄化,但光譜形狀缺少小于760 nm 的短波部分.前面已經(jīng)介紹,主光路的信號光傳輸至BBO 晶體處時,由于傳輸光路中的分束片、電光開關(guān)、格蘭棱鏡等光學(xué)元器件的色散作用,脈沖持續(xù)時間從10 fs 展寬至約340 fs 的正啁啾激光脈沖,即長波位于脈沖前沿,短波位于脈沖后沿[17].根據(jù)參量放大過程的瞬時特性,當(dāng)泵浦光和信號光之間的同步時間出現(xiàn)抖動時,信號光輸出光譜和輸出功率均會出現(xiàn)相應(yīng)的變化[21].然而正如第3 節(jié)所述,由于缺乏泵浦脈沖時域結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確信息(實(shí)驗(yàn)中泵浦光脈沖持續(xù)時間通過二階自相關(guān)儀測量,而二階自相關(guān)無法給出脈沖時域形狀的準(zhǔn)確信息[22]),因此僅基于圖4 的光譜變化情況,無法準(zhǔn)確判斷泵浦光相對于信號光是延時還是超前.

圖3 同步主動控制回路不工作時ps-OPCPA 輸出能量波動情況Fig.3.Energy fluctuation of the ps-OPCPA when the active pump-signal synchronization is not working.

對應(yīng)于圖3和圖4,反饋光路的輸出光譜變動情況如圖5 所示.從圖5 可見,發(fā)次3,15和25 的峰值波長穩(wěn)定在(779 ± 0.2) nm,此時主光路ps-OPCPA 具有最大輸出能量和最寬的光譜寬度,即泵浦光和信號光同步時間匹配較好的情況.發(fā)次6和發(fā)次21 的輸出峰值波長向長波移動,峰值波長分別為790.68 nm和783.93 nm,相對于778.92 nm的參考波長分別移動11.76 nm和5.01 nm.根據(jù)信號光啁啾率α=0.1 ps/nm,可知發(fā)次6 中泵浦光與信號光的同步時間變化為1.1 ps,發(fā)次21 的同步變化時間為500 fs.發(fā)次32 的峰值波長向短波移動,峰值波長為773.16 nm,相對778.92 nm的參考波長變化5.76 nm,因此同步時間變化為570 fs.顯然同步時間的變化滿足:發(fā)次6＞發(fā)次32＞發(fā)次21,使得主光路ps-OPCPA 的輸出能量滿足:發(fā)次6＜發(fā)次32＜發(fā)次21,符合圖3 的能量輸出變動情況.鑒于反饋光路的信號光設(shè)計(jì)有較大的正啁啾率,脈沖持續(xù)時間數(shù)倍于泵浦光,且長波位于脈沖前沿、短波位于脈沖后沿[17],因此發(fā)次6和發(fā)次21 的峰值波長向長波移動,意味著泵浦光光程縮短(假設(shè)信號光光程不變),時間提前,從而對信號光的長波進(jìn)行放大;而Shot 32 的峰值波長向短波移動(773.2 nm),意味著泵浦光光程增加(假設(shè)信號光光程不變),時間延后,因此對信號光的短波進(jìn)行放大.從圖5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見,基于反饋光路的大啁啾信號光窄光譜參量放大,可以對泵浦光與信號光的相對延時抖動范圍和抖動方向進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,從而為高精度同步主動控制提供一種可靠的反饋信號.

圖4 同步主動控制回路不工作時ps-OPCPA 輸出光譜變化情況Fig.4.Spectral evolution of the ps-OPCPA when the active pump-signal synchronization is not working.

反饋光路輸出峰值波長與主光路輸出脈沖能量的對應(yīng)關(guān)系如圖6(a)所示,圖6(b)為以778.92 nm(圖5(b))為參考波長,計(jì)算的泵浦光與信號光相對同步時間抖動.由圖6(a)可見,利用反饋光路峰值波長的變動情況,將波長鎖定在(779±1) nm的范圍,根據(jù)反饋光路的啁啾系數(shù)大小,可將主光路泵浦光與信號光的同步時間抖動控制在±100 fs 的時間范圍內(nèi),從而改善ps-OPCPA 輸出能量及輸出光譜的穩(wěn)定性.第3 節(jié)的理論模擬也表明,在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,將泵浦光與信號光的同步時間抖動控制在±100 fs 的時間范圍內(nèi),可獲得較為穩(wěn)定的信號光輸出.因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致.注意反饋光路的鎖定波長(即參考波長)可通過調(diào)節(jié)反饋光路泵浦光與信號光之間的相對延遲時間進(jìn)行改變.而由圖6(b)可見,主光路泵浦光與信號光的最大相對同步時間抖動可達(dá)1.1 ps,RMS 值458 fs.

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)的泵浦光與信號光同步時間自反饋主動控制流程及控制界面分別如圖7(a)和圖7(b)所示.控制程序設(shè)置反饋光路的目標(biāo)波長(參考波長),根據(jù)反饋光路輸出波長與目標(biāo)波長之差 Δλc計(jì)算主光路所需調(diào)節(jié)的光程距離,且根據(jù) Δλc的正負(fù)可判斷光程移動方向,從而實(shí)現(xiàn)泵浦光與信號光同步時間抖動的自動補(bǔ)償.圖7(b)所示的控制界面中反饋光路的目標(biāo)波長設(shè)置為803 nm,調(diào)節(jié)偏差±1 nm,高精度平移臺調(diào)節(jié)步長系數(shù)設(shè)置為15 μm/nm (對應(yīng)的光程變化為30 μm/nm),即當(dāng)波長變動1 nm 時,泵浦光與信號光的同步時間變動約100 fs.高精度平移臺采用永磁同步交流伺服電機(jī),最小步進(jìn)距離＜1 μm,重復(fù)定位精度＜5 μm.

同步主動控制系統(tǒng)工作時,主光路ps-OPCPA的輸出能量和輸出光譜分別如圖8和圖9 所示,能量輸出不穩(wěn)定性相對于同步主動控制不工作時的30.3%(RMS)提升至3.15%(RMS),且維持較為穩(wěn)定的光譜形狀,光譜底寬大于100 nm,如圖9 所示.為了匹配激光裝置后級放大對注入光譜的需求,在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)參量放大的相位匹配角,使得ps-OPCPA 的輸出光譜具有如圖9 所示的形狀,同時最大輸出能量相對于圖3 的170 μJ 降低至125 μJ.鑒于當(dāng)前ps-OPCPA 的運(yùn)行頻率僅為0.1 Hz,因此鎖定波長的調(diào)節(jié)偏差設(shè)置為±1 nm 的較大范圍;提高系統(tǒng)的運(yùn)行頻率,相應(yīng)地可將鎖定波長調(diào)節(jié)偏差進(jìn)一步降低,即進(jìn)一步提高泵浦光與信號光之間的時間同步精度.圖8 還給出了在自反饋同步主動控制工作的狀態(tài)下,主光路泵浦光與信號光相對同步時間的抖動情況.盡管在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置±1 nm的波長調(diào)節(jié)偏差理論上將同步時間控制在±100 fs的時間范圍,然而反饋光路的運(yùn)行頻率受限于泵浦光運(yùn)行頻率(0.1 Hz),只能對泵浦光與信號光同步時間抖動的慢變化進(jìn)行延遲反饋(即基于當(dāng)前發(fā)次的波長偏移量對下一發(fā)次進(jìn)行光程調(diào)節(jié)),而對同步時間抖動的快變化無法響應(yīng),使得最大同步時間抖動會超過理論值100 fs 較大的數(shù)值.從圖8 可見,在自反饋同步主動控制系統(tǒng)工作時,主光路泵浦光與信號光最大相對同步時間抖動為200 fs,遠(yuǎn)低于圖6(b)的1.1 ps,而RMS 值從458 fs 改善至93 fs,證明即使在當(dāng)前0.1 Hz 的低頻率運(yùn)行狀態(tài)之下,自反饋同步主動控制仍然有效.圖2 的數(shù)值模擬結(jié)果也表明200 fs 的同步抖動仍在可接受的范圍之內(nèi).因此提高泵浦光的運(yùn)行頻率,同時配合文中發(fā)展的泵浦光與信號光主動同步控制技術(shù),可極大地提高ps-OPCPA 的運(yùn)行穩(wěn)定性,從而提高整個激光裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性[23].

圖8 同步主動控制回路工作時ps-OPCPA 的輸出能量及泵浦光與信號光之間的相對同步時間抖動Fig.8.Output energy of the ps-OPCPA and relative time jitter between pump and signal when the active pump-signal synchronization is working.

圖9 同步主動控制回路工作時ps-OPCPA 穩(wěn)定的光譜輸出Fig.9.Output of stable spectra for the ps-OPCPA when the active pump-signal synchronization is working.

信號光的輸出光束形貌如圖10 所示,其中圖10(a)為不加載泵浦光時信號光的光束形貌,圖10(b)為參量放大輸出100 μJ 能量時信號光的光束形貌.圖10(b)的光束形貌與實(shí)驗(yàn)中的泵浦光光束形貌基本一致.在我們的實(shí)驗(yàn)中,為了減弱光束走離效應(yīng)對信號光光束質(zhì)量的影響,參量放大采用非共線走離補(bǔ)償?shù)囊活愊辔黄ヅ浞绞?泵浦光在BBO 晶體中的走離角為3.3°,走離方向向光軸靠攏[16].泵浦光波矢與信號光波矢之間的非共線角為2.4°,考慮泵浦光的走離角及走離方向后,泵浦光與信號光坡印廷能流之間的夾角為0.9°.因此泵浦光與信號光通過10 mm 長度的BBO 晶體后,在空間上的分離距離為0.16 mm,遠(yuǎn)小于5 mm 的泵浦光光束口徑.從以上的分析可知,走離效應(yīng)對信號光光束質(zhì)量的影響幾乎可以忽略,信號光的光束質(zhì)量主要由泵浦光光束質(zhì)量決定[21].

圖10 信號光輸出光束形貌 (a)不加載泵浦情況下;(b)信號光輸出能量100 μJ 能量下Fig.10.Signal beam profile:(a) without pump;(b) under 100 μJ output energy.

5 結(jié)論

本文對用于皮秒短脈沖泵浦光參量啁啾脈沖放大(ps-OPCPA)系統(tǒng)中泵浦光與信號光之間的高精度時間同步主動控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究.研究表明,受限于當(dāng)前ps-OPCPA 泵浦光較低的運(yùn)行頻率(0.1 Hz),泵浦系統(tǒng)無法達(dá)到熱平衡狀態(tài),使得泵浦光與信號光的同步時間出現(xiàn)周期性的劇烈抖動,抖動時間可達(dá)1 ps 以上,嚴(yán)重影響ps-OPCPA 的能量及光譜穩(wěn)定性,7 min 測試時間內(nèi)的能量波動可達(dá)30.3%(RMS).基于本文發(fā)展的高精度時間同步主動控制技術(shù),采用大啁啾窄光譜光參量放大的主動反饋方式,通過合理設(shè)計(jì)反饋光路信號光的時域展寬啁啾系數(shù),將泵浦光與信號光的同步時間抖動從ps 量級降低至百fs 量級的時間范圍,從而極大地改善了前端ps-OPCPA 的能量和光譜穩(wěn)定性:7 min 測試時間內(nèi)泵浦光與信號光的相對同步時間抖動RMS 值從458 fs 改善至93 fs,最大同步時間抖動從1.1 ps 降低至200 fs,輸出能量RMS 不穩(wěn)定性從30.3%改善至3.15%,且維持光譜寬度大于100 nm 的穩(wěn)定寬光譜輸出.結(jié)果表明即使在當(dāng)前0.1 Hz 的低頻率運(yùn)行狀態(tài)之下,自反饋同步主動控制仍然有效.研究結(jié)果對提升OPCPA 激光裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際意義.