全立体空间相位匹配提升宽带opcpa性能的方法
阅读说明：本技术 全立体空间相位匹配提升宽带opcpa性能的方法 (Method for improving broadband OPCPA performance by full-three-dimensional spatial phase matching ) 是由 陈丽明 於亮红 梁晓燕 李进峰 王傲天 徐至展 于 2021-02-02 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to a method for improving broadband OPCPA performance by full-three-dimensional spatial phase matching, which is characterized in that an optimal phase matching angle is solved in a double-shaft nonlinear crystal full-three-dimensional space to obtain ultra-wide gain bandwidth and high effective nonlinear coefficient of nonlinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA), so that the optimized phase matching and OPCPA processes are realized, and meanwhile, the method also expands the band range supported by the nonlinear crystal OPCPA. The invention is suitable for high repetition frequency OPCPA laser devices and is also suitable for the main amplifier of a laser device with several beat wattage.)
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°；
步骤2、泵浦光波长λp、信号光的中心波长λs0和闲频光中心波长λi0在非线性晶体内满足波矢匹配的条件：其中波矢kp＝2πnp/λp，ks0＝2πns0/λs0,ki0＝2πni0/λi0，np是分别泵浦光的折射率，ns0是信号光中心波长λs0对应的折射率，ni0为闲频光中心波长λi0对应的折射率，满足1/λp＝1/λs0+1/λi0,计算出泵浦光λp、信号光的中心波长λs0和闲频光中心波长λi0的相位匹配角群(θi,φi)，其中i＝1.....，相位匹配角群(θi,φi)表示泵浦光波矢kp在晶体内部的空间方向，θ表示泵浦光波矢kp与晶体Z轴的方向，φ表示泵浦光波矢kp在XOY平面的投影与X轴的夹角；
步骤3、根据非线性晶体的有效非线性系数deff和相位匹配角群(θi,φi)的关系，对于一般的双轴晶体可以在公开文献中可以查出，计算有效非线性系数deff随着相位匹配角群(θi,φi)的变化曲线及数值分布；其中，有效非线性系数deff是(θi,φi)的函数,不同晶体的函数关系不一样，可从晶体手册中查出【《非线性光学晶体手册》，德米特里耶夫等著，王继扬译，高等教育出版社】。
步骤4、根据波矢失配量计算信号光全光谱范围内相位匹配角群(θi,φi)的波矢失配，其中波矢ks＝2πns/λs，ki＝2πni/λi，满足1/λp＝1/λs+1/λi,其中，λs和ns分别是信号光的宽带波长和对应的折射率，λi和ni分别为闲频光的宽带波长和对应的折射率，当信号光中心波长附近，从λi1到λi2的波段范围内(λi2≥λi1)所有波长均满足|Δk*L|≤π时，Δλ＝λi2-λi1即为增益带宽，可以计算信号光在晶体长度为L下随着相位匹配角群(θi,φi)变化的增益带宽Δλ；
步骤5、比较步骤3所得有效非线性系数deff和步骤4所得的增益带宽Δλ，判断增益带宽Δλ是否满足OPCPA要求：
当增益带宽Δλ不满足OPCPA要求的带宽，则返回步骤1)重新选定初始的非共线角度α；
当增益带宽Δλ满足OPCPA要求的带宽，则进入步骤6)；
步骤6、判断有效非线性系数deff和增益带宽Δλ是否为最优值：
当有效非线性系数deff和增益带宽Δλ为最优值时，则选择此时的非共线角α0和相位匹配角(θ0,φ0)为最优非共线角度α0和最优相位匹配角(θ0,φ0)；否则，返回步骤1)。
进一步，步骤1)中所述的非共线角度α为泵浦光和信号光在晶体内部的夹角，为0°≤α≤5°。
进一步，步骤2)中计算相位匹配角群(θi,φi)的具体步骤如下：
步骤2.1、给定初设的非共线角度α，以及泵浦光波长λp、信号光的中心波长λs0和闲频光中心波长λi0在非线性晶体内满足波矢匹配的条件：且满足1/λp＝1/λs0+1/λi0；
步骤2.2、根据双轴非线性晶体的折射率方程 其中j为(x,y,z)分别代表三个主轴，λ为波长，C、D、E、F、G为系数，对于一般的双轴晶体可以在公开文献中可以查出，可以求出泵浦光波长λp、信号光的中心波长λs0和闲频光中心波长λi0在非线性晶体三个主轴折射率，X轴折射率nx，Y轴折射率ny，Z轴折射率nz；
步骤2.3、由主轴折射率根据公式其中 可以求出泵浦光折射率np，信号光折射率ns0以及闲频光折射率ni0；
步骤2.4、由波矢匹配的条件：且满足1/λp＝1/λs0+1/λi0，以及泵浦光折射率np，信号光折射率ns0以及闲频光折射率ni0可以求出相位匹配角群(θi,φi)。
本发明还包括步骤7)，根据最优非共线角度α0和最优相位匹配角(θ0,φ0)对晶体进行切割，具体是：
以晶体的中心点为原点O，晶轴为Z轴，建立直角坐标系，在晶体XOY平面找到与X轴夹角为φ0且垂直XOY平面的一个面P1，再从这个面P1中找到一个过原点且与Z轴角度为θ0的直线L1，以此直线L1作垂直于平面P1的面P2，该面P2为切割面。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1)、提升了宽带OPCPA的增益带宽，相比于主平面相位匹配得到的130nm增益带宽，全立体空间相位匹配可得到167nm的增益带宽，拓展了非线性晶体OPCPA支持的波段范围；
2)、提升了宽带OPCPA的有效非线性系数，相比于主平面相位匹配有效非线性系数1.1pm/V，全立体空间相位匹配得到的有效非线性系数为1.708pm/V；
3)、既适用于高重频OPCPA放大激光装置中，也适用于数拍瓦级激光装置的主放大器。
附图说明
图1为本发明立体空间相位匹配提升宽带OPCPA性能的方法的流程图；
图2为非线性晶体非主平面相位匹配支持带宽、有效非线性系数和相位匹配角之间的关系图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例子对本发明进行详细的说明。
本发明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，具体步骤如下：
步骤S1，基于YCOB晶体，选定泵浦光与信号光在晶体内部的夹角α，选取范围一般为0°≤α≤5°；
步骤S2、根据泵浦光波长λp＝527nm、信号光的中心波长λs0＝800nm和闲频光中心波长λi0＝1603nm在非线性晶体YCOB内满足波矢匹配的条件：且满足1/λp＝1/λs0+1/λi0,可以计算出泵浦光λp、信号光的中心波长λs0和闲频光中心波长λi0的相位匹配角群(θi,φi)，其中i＝1.....；
步骤S3、根据非线性晶体的有效非线性系数deff和相位匹配角群(θi,φi)的关系,其中，对于一般的双轴晶体可以在公开文献中可以查出，计算有效非线性系数deff随着相位匹配角群(θi,φi)的变化曲线及数值分布；
步骤S4、根据波矢失配量计算信号光全光谱范围内相位匹配角群(θi,φi)的波矢失配，且当信号光的波长满足|Δk*L|≤π时，可以计算信号光在晶体长度为L下随着相位匹配角群(θi,φi)变化的增益带宽Δλ；
步骤S5、比较步骤3所得有效非线性系数deff和步骤4所得的增益带宽Δλ，判断增益带宽Δλ满足OPCPA要求下，有效非线性系数deff和断增益带宽Δλ是否为最优值；
步骤S6、若增益带宽Δλ不满足OPCPA要求的带宽，重新选定初始的非共线角度α，重复步骤1-4；
步骤S7、当增益带宽Δλ满足OPCPA要求下，有效非线性系数deff和断增益带宽Δλ为最优值时，选择此时的非共线角α0和相位匹配角(θ0,φ0)为最优非共线角度α0和最优相位匹配角(θ0,φ0)；
本发明由图2可以判断出最优相位匹配角(θ0,φ0)的值，当相位匹配角为(66.15°，137.9°)时，有效非线性系数最大为1.753pm/V,增益带宽为167nm，但角度容忍度很小，于是选择角度容忍度较大的相位匹配角(63.15°，137.8°)作为最优相位匹配角，此有效非线性系数为1.708pm/V,增益带宽为161nm；
本发明得到最优的相位匹配角(63.15°，137.8°)后，由图2可知，有效非线性系数为1.708pm/V,大于主平面相位匹配的最大有效非线性系数1.1pm/V；增益带宽为161nm，也大于平面相位匹配的最大增益带宽130nm，同时也拓展了非线性晶体OPCPA支持的波段范围。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。