4-56 光参量啁啾脉冲放大增益特性

黄小军 袁晓东 王晓东 唐 军 曾小明 魏晓峰

　　光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术，是一种全新的超短脉冲放大途径，它将可能是发展下一代超短超强脉冲激光装置的可选技术之一。

　　光参量放大过程是三波在非线性介质中的耦合作用，通常是将一个强的泵浦光和一个弱的信号光同时入射到非线性晶体中，在满足相位匹配条件时，它们相互耦合产生一个差频光（空闲光），同时弱的信号光在此过程被放大，这就是所谓的光参量放大（optical parametric amplification）。光参量放大过程可用三波耦合波方程组来描述。OPCPA中的信号光被展宽到ns或亚ns，泵浦光是ns脉冲，忽略泵浦光的衰减，可获得OPA过程的参量增益（强度增益）的解析解。计算发现，无论是解析解还是数值模拟解，在小信号增益条件下弱信号光按指数迅速增长，二者吻合很好。随着放大过程的深入，泵浦光将逐渐衰减，信号光的增长将趋于缓慢，直至达到饱和状态。同时还给出了光参量放大过程中三波相互耦合的全过程。当三波刚开始作用时，信号光和空闲光迅速增长，泵浦光基本不衰减，这就是小信号放大阶段。随着放大过程的深入，泵浦光逐渐衰减，放大趋于饱和。研究在不同初始信号光强度条件下光参量放大的增益变化。计算发现，信号光强越小，它获得的饱和增益越大，相应的晶体饱和长度越长。信号光的初始光强越强，达到饱和增益越快，晶体的饱和长度越短。

　　最后给出一个OPCPA前端系统的设计实例。飞秒振荡器输出的种子光经过展宽、选单，然后用OPA进行放大。前级OPA，以追求高增益为目标，其参数如下。初始输入信号光1.5nJ/780nm/0.5ns/f1mm，信号光的光强为3.8MW/m²。泵浦光20mJ/532nm/1ns/f　1.5mm，泵浦光的光强为1.13×10¹³W/m²。通过计算，前级OPA的增益最大能达到2´ 10⁶，晶体的饱和放大长度约为17mm，输出3mJ的饱和放大信号光。

　　通过以上的数值模拟，得出如下结论：光参量啁啾脉冲放大可以提供很高的增益，且它具有传统CPA方案所不具有的优点。当然，OPCPA自身也具有一些缺点，如要求信号光与泵浦光精确同步，信号光与泵浦光的脉宽匹配等问题。