第Ⅰ类BBO晶体中的参量荧光空间特性理论研究

　　自20世纪90年代以来,超短超强激光脉冲技术得到了飞速发展。近年来,结合了光参量放大(OPA)技术和啁啾脉冲放大(CPA)技术的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)[1-5]已成为获得高增益、窄脉冲宽度、宽调谐飞秒脉冲的一个重要方法。由于该技术克服了传统的CPA技术中的缺点,可以获得极宽的光谱带宽和高的参量增益(mm级放大区域范围内,单通增益>106)。基于这一技术组建的许多大型超短脉冲系统[6-8]已得到了较快发展,并在许多领域都得到了广泛的应用[9-11]。

　　然而,在利用光参量啁啾脉冲放大技术获得高增益[12]时,通常要通过注入很大的泵浦光强来实现。这不仅会受到光学元件以及非线性晶体材料损伤阈值的限制,而且更重要的是增加了光参量荧光(OPF)产生的可能性,形成典型的光学参量产生/光学参量放大(OPG/OPA)组合构成形式。由于OPG[13-14]这一非线性过程起始于参量荧光,不同波长产生于不同角度而形成锥形光谱分布,导致所产生的光脉冲的光谱质量和光束空间质量并不理想。另外,参量荧光的光谱带宽很宽,脉冲宽度通常为几ns,不具有可压缩性,这就会给信号光的再压缩脉冲产生底座,降低了系统的信噪比;并且它一般在大的泵浦光强下出现,没有固定的方向性,必然影响到系统运转的稳定性和安全性。为了给参量荧光的控制[15]提供理论依据,本文利用工作波长为532 nm的泵浦光和中心波长为800 nm的信号光在第Ⅰ类相位匹配的非线性晶体BBO中的参量放大为例,采用第Ⅰ类相位匹配的BBO晶体的放大传递函数方法,对这一过程中参量荧光的空间特性作了系统的理论分析。

　　1　点波长信号光参量荧光的空间特性

　　在光参量相互作用中,只有满足准相位匹配(QPM)模式的光子才能得到放大。为了考察光参量放大过程中参量荧光的空间特性,采用对应于某一空间-时间模式m下的放大传递函数来分析,表示为[16]

式中:G(Φm,θm,λm)表示某一光子在模式m下得到的增益;G0为非简并状态下满足理想相位匹配模式下的增益;角度(Φm,θm)表示波矢量km关于晶轴的传播方向。

　　由光参量作用的量子力学处理方法可得,在没有信号光注入且泵浦光没有耗尽的情况下,非线性晶体输出的模式m的光子增益为

式中:

式中:L为非线性晶体的长度;参量增益系数g =4πdeff[Ip/(2ε0nmpnmsnmicλmsλmi)]1/2;相位失配量Δk =|Δk|=|kp-kms-kmi|; K为由于相位失配得到的增益系数。下标p,s,i分别表示泵浦光,信号光和闲频光;Ip为泵浦光强,为方便起见,假设在荧光信号的作用时间范围内为常数;deff为晶体的有效非线性耦合系数;ε0为介电常数;nmp,nms,nmi分别为对应于模式m下的泵浦光,信号光和闲频光的折射率;c为真空中的光速;λms,λmi分别为对应于模式m下的信号光与闲频光的波长;kp,kms,kmi分别为泵浦光,信号光和闲频光的波矢量。