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(guó)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(yáng) 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(hào)光之間的高精度時(shí)間同步是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一.本文基于中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心的全OPCPA 激光裝置,對(duì)用于前端ps-OPCPA中泵浦光與信號(hào)光的高精度同步主動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究.采用大啁啾信號(hào)光窄光譜光參量放大的主動(dòng)反饋方式,通過(guò)合理設(shè)計(jì)反饋光路信號(hào)光的時(shí)域展寬啁啾系數(shù),將泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng)從ps 量級(jí)降低至百fs 量級(jí)的時(shí)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(cè)試時(shí)間內(nèi)泵浦光與信號(hào)光相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)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(lái)越來(lái)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(shí)域?qū)Ρ榷鹊那岸朔N子光輸出[1-6].如法國(guó)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(shí)間15 ps 的Yb:YAG 作為泵浦源,可獲得輸出能量大于1 mJ、對(duì)比度優(yōu)于10—12的種子信號(hào)光輸出,信號(hào)光光譜帶寬為200 nm,中心波長(zhǎng)為800 nm[1,2];美國(guó)EP OPAL 裝置采用11 ps 脈沖持續(xù)時(shí)間的Nd:YLF 作為泵浦源,通過(guò)多級(jí)脈沖光參量放大,理論上可將前端種子光對(duì)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(zhǎng)為910 nm[4];中國(guó)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(shí)間的Nd:Glass 激光器作為參量放大泵浦源,信號(hào)光輸出能量為2 mJ,光譜帶寬為100 nm,中心波長(zhǎng)為800 nm,然后通過(guò)多級(jí)放大最終獲得10—10的高對(duì)比度4.9 PW 激光輸出[5];中國(guó)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(shí)域?qū)Ρ榷忍嵘思s40 dB,獲得優(yōu)于10—11的高對(duì)比度種子信號(hào)輸出,信號(hào)光輸出中心波長(zhǎng)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為泵浦光與信號(hào)光之間的時(shí)間同步問(wèn)題.光參量放大過(guò)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(hào)光由寬帶Ti:Sa 激光器產(chǎn)生,泵浦光與信號(hào)光之間的時(shí)間同步通常采用同源振蕩器的被動(dòng)式光同步技術(shù),即泵浦光與信號(hào)光的初始種子光來(lái)源于同一個(gè)寬帶Ti:Sa 振蕩器[7,8].由于泵浦光與信號(hào)光需經(jīng)過(guò)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(jí)的皮秒泵浦脈沖,需要將泵浦光的種子信號(hào)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(dòng)、光學(xué)器件的機(jī)械振動(dòng)等外部因素會(huì)導(dǎo)致參量放大過(guò)程中泵浦光與信號(hào)光的相對(duì)延遲時(shí)間出現(xiàn)隨機(jī)變化,嚴(yán)重影響參量放大過(guò)程的穩(wěn)定性[10,11].鑒于此,在ps-OPCPA 系統(tǒng)中,除了被動(dòng)的光同步技術(shù)之外,還需發(fā)展主動(dòng)光同步控制技術(shù),確保參量放大過(guò)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(shí)發(fā)展ps-OPCPA 中泵浦光與信號(hào)光之間的主動(dòng)光同步控制技術(shù)變得尤為重要.鑒于此,國(guó)外的相關(guān)研究單位如德國(guó)馬普研究所、歐洲極端光源組織(ELI)等很早就已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[13-15].2012 年,德國(guó)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(hào)脈沖相互作用產(chǎn)生和頻信號(hào),基于和頻信號(hào)的波長(zhǎng)變化主動(dòng)控制泵浦光與信號(hào)光之間的相對(duì)光延遲,可將泵浦光與信號(hào)光之間的殘余時(shí)間抖動(dòng)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(shí)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(cè)泵浦光與信號(hào)光之間的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng),實(shí)現(xiàn)了泵浦光與信號(hào)光之間相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)小于17 fs(RMS)的控制精度.

本文基于中國(guó)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(kāi)展前端ps-OPCPA 泵浦光與信號(hào)光高精度同步主動(dòng)控制技術(shù)研究.將一束弱信號(hào)光通過(guò)高色散介質(zhì)展寬至數(shù)倍于泵浦光脈沖持續(xù)時(shí)間的啁啾脈沖,對(duì)展寬的啁啾信號(hào)光進(jìn)行參量放大,通過(guò)參量放大后窄光譜信號(hào)光波長(zhǎng)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(hào)光在參量晶體中的同步時(shí)間的目的.實(shí)驗(yàn)中通過(guò)合理設(shè)計(jì)反饋光路信號(hào)光啁啾系數(shù),將泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng)從ps 量級(jí)降低至百fs 量級(jí)的時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng),在7 min 測(cè)試時(shí)間內(nèi)將泵浦光與信號(hào)光相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)的均方根值(RMS)從458 fs 改善至93 fs,最大相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)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(duì)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(guó)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(shí)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(zhǎng)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(hào)光,另一束(200 mW)經(jīng)過(guò)光子晶體光纖(PCF)產(chǎn)生超連續(xù)譜,獲得1053 nm 波長(zhǎng)的泵浦光種子信號(hào).1053 nm 的種子光經(jīng)過(guò)啁啾光纖布拉格光柵進(jìn)行時(shí)域展寬后,依次經(jīng)過(guò)光纖放大器和釹玻璃放大器進(jìn)行放大,然后通過(guò)光柵壓縮器進(jìn)行時(shí)域壓縮.壓縮后的脈沖通過(guò)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(hào)光高精度同步主動(dòng)控制原理圖.圖中:BS,分束片;PC,普克爾盒電光開(kāi)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(hào)光通過(guò)電光開(kāi)關(guān)(PC)后,重復(fù)頻率降為0.1 Hz,然后通過(guò)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(dòng)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(hào)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?lèi)相位匹配方式[16],非共線角為2.4°,相位匹配角為24°,晶體長(zhǎng)度為10 mm.主光路信號(hào)光傳輸至BBO 晶體處時(shí),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(shí)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(guò)可精密調(diào)節(jié)相對(duì)延時(shí)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(dòng)控制的反饋光路設(shè)計(jì)如下:經(jīng)BS2 透射的信號(hào)光首先經(jīng)過(guò)200 mm 長(zhǎng)度的高色散SF10 玻璃(群延遲色散系數(shù)D2=171 fs2/mm)進(jìn)行時(shí)域展寬.假定信號(hào)光為高斯光譜且總?cè)貉舆t色散φ2較大時(shí),展寬脈沖的持續(xù)時(shí)間 Δt近似為[17]

式中,c為光速;λ0為信號(hào)光中心波長(zhǎng);φ2為總的群延遲色散;Δλ為信號(hào)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(hào)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(hào)光通過(guò)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(shí)間約為1 ps,信號(hào)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(zhǎng)(或峰值波長(zhǎng))變動(dòng) Δλc時(shí),根據(jù)圖1 所示的實(shí)驗(yàn)原理圖,主光路泵浦光與信號(hào)光的相對(duì)延時(shí)時(shí)間(即同步時(shí)間) Δτ變化為 Δτ≈αΔλc.比如當(dāng)反饋光路中心波長(zhǎng)λc變動(dòng)1 nm 時(shí),主光路泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間變動(dòng)約為100 fs.利用光譜儀(HR4000)測(cè)量反饋光路信號(hào)光輸出波長(zhǎng)變化,將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)換為主光路泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng),通過(guò)程序控制高精度步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng),從而對(duì)主光路泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償控制.

3 反饋光路時(shí)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(hào)光時(shí)域展寬啁啾系數(shù)的選擇將決定主光路泵浦光和信號(hào)光之間的同步時(shí)間控制精度.根據(jù)關(guān)系式 Δτ≈αΔλc,在相同的同步時(shí)間控制精度 Δτ下,啁啾率α設(shè)計(jì)越大,反饋光路的波長(zhǎng)變動(dòng) Δλc就越小,即對(duì)光譜儀的分辨率以及波長(zhǎng)變化的識(shí)別要求就越高;相反如果α設(shè)計(jì)過(guò)小,則反饋光路信號(hào)光時(shí)域展寬較小,即光譜成分局域在較小的展寬時(shí)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(zhǎng)(或峰值波長(zhǎng))變動(dòng)的識(shí)別,從而降低同步時(shí)間控制精度(尤其當(dāng)泵浦脈沖具有復(fù)雜的時(shí)域結(jié)構(gòu)時(shí),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(zhǎng)變動(dòng)的識(shí)別).為了分析同步時(shí)間變動(dòng)對(duì)主光路信號(hào)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(shí)間需控制在多大范圍內(nèi)時(shí),才能獲得較為穩(wěn)定的信號(hào)光輸出,采用光參量放大耦合波方程對(duì)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(hào)光、閑頻光、泵浦光時(shí)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(shí)域復(fù)振幅可直接表示為

式中,τp泵浦光脈沖持續(xù)時(shí)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(hào)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(guò)程中的脈沖時(shí)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(shí)間遠(yuǎn)大于傅里葉變換極限脈沖時(shí)(實(shí)驗(yàn)中主光路信號(hào)光經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(hào)光被展寬至約340 fs,滿(mǎn)足展寬脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于傅里葉變換極限脈沖持續(xù)時(shí)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(hào)光時(shí)域復(fù)振幅可以近似表示為[19]

式中,Is0為信號(hào)光峰值強(qiáng)度;τs為信號(hào)光脈沖持續(xù)時(shí)間;τ為信號(hào)光相對(duì)于泵浦光的同步時(shí)間抖動(dòng)(τ＞0 時(shí),信號(hào)光延遲于泵浦光;τ＜0 時(shí),信號(hào)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(hào)光強(qiáng)度、脈沖持續(xù)時(shí)間、信號(hào)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(hào)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(hào)光同步時(shí)間對(duì)信號(hào)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(jiàn),信號(hào)光在晶體入射端面處相對(duì)于泵浦光初始延遲200 fs 時(shí)(即圖中的τ=200 fs),信號(hào)光具有最大輸出能流,且光譜底寬超過(guò)100 nm(圖2(a)中的紅色實(shí)線).這是由于信號(hào)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(hào)光延遲于泵浦光,可以確保信號(hào)光和泵浦光在參量晶體中具有更長(zhǎng)的參量耦合長(zhǎng)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(shí)間變動(dòng)超過(guò)400 fs 時(shí)(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(guò)50%.從圖2 可見(jiàn),將同步時(shí)間控制在±100 fs 的時(shí)間范圍內(nèi)時(shí),光譜寬度無(wú)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(zhǎng)變化的識(shí)別誤差,提高同步時(shí)間反饋控制精度,反饋光路波長(zhǎng)變化 Δλc設(shè)計(jì)為1 nm,根據(jù)同步時(shí)間控制精度 Δτ、啁啾率α、以及反饋光路波長(zhǎng)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(zhǎng)度的SF10 玻璃進(jìn)行時(shí)域展寬.

需要注意的是,在理想的高斯泵浦脈沖及信號(hào)脈沖下,由于信號(hào)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(jiàn),當(dāng)信號(hào)光延遲于泵浦光時(shí),信號(hào)光輸出峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)(圖2(a)中的τ=600 fs);而信號(hào)光超前于泵浦光時(shí),峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)(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(shí)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(wú)法通過(guò)主光路信號(hào)光輸出光譜峰值波長(zhǎng)的移動(dòng),判斷信號(hào)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(hào)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(shí),主光路參量放大輸出能量如圖3 所示.從圖3 可見(jiàn),主光路參量放大輸出能量存在劇烈波動(dòng),能量波動(dòng)范圍從15 μJ至最大170 μJ,波動(dòng)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(duì)應(yīng)圖3 中的發(fā)次3,15和25 時(shí)ps-OPCPA 的輸出光譜形狀;圖4(b)為輸出能量位于谷值,即對(duì)應(yīng)圖3 中的發(fā)次6,21和32 時(shí)ps-OPCPA 的輸出光譜形狀.從圖3和圖4 可知,能量波動(dòng)和光譜波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,波動(dòng)原因主要來(lái)源于泵浦光和信號(hào)光之間的同步時(shí)間變化.分析如下:圖3和圖4(a)中的發(fā)次3,15和25 對(duì)應(yīng)泵浦光和信號(hào)光同步時(shí)間匹配較好的情況,此時(shí)ps-OPCPA 具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)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(duì)于圖4(a)的光譜缺少820 nm 的長(zhǎng)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(duì)于圖4(a)的光譜形狀缺少大于800 nm 的長(zhǎng)波部分;發(fā)次21 的輸出光譜寬度同樣相對(duì)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(hào)光傳輸至BBO 晶體處時(shí),由于傳輸光路中的分束片、電光開(kāi)關(guān)、格蘭棱鏡等光學(xué)元器件的色散作用,脈沖持續(xù)時(shí)間從10 fs 展寬至約340 fs 的正啁啾激光脈沖,即長(zhǎng)波位于脈沖前沿,短波位于脈沖后沿[17].根據(jù)參量放大過(guò)程的瞬時(shí)特性,當(dāng)泵浦光和信號(hào)光之間的同步時(shí)間出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí),信號(hào)光輸出光譜和輸出功率均會(huì)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(shí)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(shí)間通過(guò)二階自相關(guān)儀測(cè)量,而二階自相關(guān)無(wú)法給出脈沖時(shí)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(wú)法準(zhǔn)確判斷泵浦光相對(duì)于信號(hào)光是延時(shí)還是超前.

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

對(duì)應(yīng)于圖3和圖4,反饋光路的輸出光譜變動(dòng)情況如圖5 所示.從圖5 可見(jiàn),發(fā)次3,15和25 的峰值波長(zhǎng)穩(wěn)定在(779 ± 0.2) nm,此時(shí)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(hào)光同步時(shí)間匹配較好的情況.發(fā)次6和發(fā)次21 的輸出峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng),峰值波長(zhǎng)分別為790.68 nm和783.93 nm,相對(duì)于778.92 nm的參考波長(zhǎng)分別移動(dòng)11.76 nm和5.01 nm.根據(jù)信號(hào)光啁啾率α=0.1 ps/nm,可知發(fā)次6 中泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間變化為1.1 ps,發(fā)次21 的同步變化時(shí)間為500 fs.發(fā)次32 的峰值波長(zhǎng)向短波移動(dòng),峰值波長(zhǎng)為773.16 nm,相對(duì)778.92 nm的參考波長(zhǎng)變化5.76 nm,因此同步時(shí)間變化為570 fs.顯然同步時(shí)間的變化滿(mǎn)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(mǎn)足:發(fā)次6＜發(fā)次32＜發(fā)次21,符合圖3 的能量輸出變動(dòng)情況.鑒于反饋光路的信號(hào)光設(shè)計(jì)有較大的正啁啾率,脈沖持續(xù)時(shí)間數(shù)倍于泵浦光,且長(zhǎng)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(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng),意味著泵浦光光程縮短(假設(shè)信號(hào)光光程不變),時(shí)間提前,從而對(duì)信號(hào)光的長(zhǎng)波進(jìn)行放大;而Shot 32 的峰值波長(zhǎng)向短波移動(dòng)(773.2 nm),意味著泵浦光光程增加(假設(shè)信號(hào)光光程不變),時(shí)間延后,因此對(duì)信號(hào)光的短波進(jìn)行放大.從圖5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),基于反饋光路的大啁啾信號(hào)光窄光譜參量放大,可以對(duì)泵浦光與信號(hào)光的相對(duì)延時(shí)抖動(dòng)范圍和抖動(dòng)方向進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,從而為高精度同步主動(dòng)控制提供一種可靠的反饋信號(hào).

圖4 同步主動(dòng)控制回路不工作時(shí)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(zhǎng)與主光路輸出脈沖能量的對(duì)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(zhǎng),計(jì)算的泵浦光與信號(hào)光相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng).由圖6(a)可見(jiàn),利用反饋光路峰值波長(zhǎng)的變動(dòng)情況,將波長(zhǎng)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(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng)控制在±100 fs 的時(shí)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(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng)控制在±100 fs 的時(shí)間范圍內(nèi),可獲得較為穩(wěn)定的信號(hào)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(zhǎng)(即參考波長(zhǎng))可通過(guò)調(diào)節(jié)反饋光路泵浦光與信號(hào)光之間的相對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行改變.而由圖6(b)可見(jiàn),主光路泵浦光與信號(hào)光的最大相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)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(hào)光同步時(shí)間自反饋主動(dòng)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(zhǎng)(參考波長(zhǎng)),根據(jù)反饋光路輸出波長(zhǎng)與目標(biāo)波長(zhǎng)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(dòng)方向,從而實(shí)現(xiàn)泵浦光與信號(hào)光同步時(shí)間抖動(dòng)的自動(dòng)補(bǔ)償.圖7(b)所示的控制界面中反饋光路的目標(biāo)波長(zhǎng)設(shè)置為803 nm,調(diào)節(jié)偏差±1 nm,高精度平移臺(tái)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)系數(shù)設(shè)置為15 μm/nm (對(duì)應(yīng)的光程變化為30 μm/nm),即當(dāng)波長(zhǎng)變動(dòng)1 nm 時(shí),泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間變動(dòng)約100 fs.高精度平移臺(tái)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(dòng)控制系統(tǒng)工作時(shí),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(duì)于同步主動(dòng)控制不工作時(shí)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(jí)放大對(duì)注入光譜的需求,在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)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(shí)最大輸出能量相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)光之間的時(shí)間同步精度.圖8 還給出了在自反饋同步主動(dòng)控制工作的狀態(tài)下,主光路泵浦光與信號(hào)光相對(duì)同步時(shí)間的抖動(dòng)情況.盡管在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置±1 nm的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)偏差理論上將同步時(shí)間控制在±100 fs的時(shí)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(duì)泵浦光與信號(hào)光同步時(shí)間抖動(dòng)的慢變化進(jìn)行延遲反饋(即基于當(dāng)前發(fā)次的波長(zhǎng)偏移量對(duì)下一發(fā)次進(jìn)行光程調(diào)節(jié)),而對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)的快變化無(wú)法響應(yīng),使得最大同步時(shí)間抖動(dòng)會(huì)超過(guò)理論值100 fs 較大的數(shù)值.從圖8 可見(jiàn),在自反饋同步主動(dòng)控制系統(tǒng)工作時(shí),主光路泵浦光與信號(hào)光最大相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)配合文中發(fā)展的泵浦光與信號(hào)光主動(dòng)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(gè)激光裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性[23].

圖8 同步主動(dòng)控制回路工作時(shí)ps-OPCPA 的輸出能量及泵浦光與信號(hào)光之間的相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)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(dòng)控制回路工作時(shí)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(hào)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(shí)信號(hào)光的光束形貌,圖10(b)為參量放大輸出100 μJ 能量時(shí)信號(hào)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(duì)信號(hào)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?lèi)相位匹配方式,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(hào)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(hào)光坡印廷能流之間的夾角為0.9°.因此泵浦光與信號(hào)光通過(guò)10 mm 長(zhǎng)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(duì)信號(hào)光光束質(zhì)量的影響幾乎可以忽略,信號(hào)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(hào)光輸出光束形貌 (a)不加載泵浦情況下;(b)信號(hào)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(duì)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(hào)光之間的高精度時(shí)間同步主動(dòng)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(wú)法達(dá)到熱平衡狀態(tài),使得泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間出現(xiàn)周期性的劇烈抖動(dòng),抖動(dòng)時(shí)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(cè)試時(shí)間內(nèi)的能量波動(dòng)可達(dá)30.3%(RMS).基于本文發(fā)展的高精度時(shí)間同步主動(dòng)控制技術(shù),采用大啁啾窄光譜光參量放大的主動(dòng)反饋方式,通過(guò)合理設(shè)計(jì)反饋光路信號(hào)光的時(shí)域展寬啁啾系數(shù),將泵浦光與信號(hào)光的同步時(shí)間抖動(dòng)從ps 量級(jí)降低至百fs 量級(jí)的時(shí)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(cè)試時(shí)間內(nèi)泵浦光與信號(hào)光的相對(duì)同步時(shí)間抖動(dòng)RMS 值從458 fs 改善至93 fs,最大同步時(shí)間抖動(dòng)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(dòng)控制仍然有效.研究結(jié)果對(duì)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.