光学参量啁啾脉冲放大中时间抖动对飞秒脉冲对比度的影响

　　对比度是高功率飞秒激光的重要参数,通常被理解为飞秒激光的预脉冲与其主脉冲峰值强度之比,是限制高功率飞秒激光在高能物理、高次谐波产生和惯性约束聚变等强场物理领域进一步应用的的瓶颈[1-6]。对采用光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术进行放大的飞秒激光系统而言[7-8],有很多因素会降低输出飞秒激光对比度[9-10]。其中,参与耦合过程的信号光与泵浦光的时间同步抖动是影响输出飞秒激光对比度的重要因素。一般而言,OPCPA系统中的信号光和泵浦光来源于两台独立的激光器,它们的时间同步通过光电触发方式实现。从振荡器输出的超短光脉冲被分成两束,一束通过展宽器作为OPCPA系统的信号光,另一束去触发光电开关,该开关能控制泵浦激光器工作。仔细调整泵浦光与信号光的时间同步,使它们同时达到非线性晶体,放大信号光。由于光电同步方式存在一定的抖动,其同步精度只能达到亚ns到ns量级。为方便分析,本文用“抖动”来表征信号光峰值与泵浦光峰值到达非线性晶体的时间差异。

　　前人对时间同步抖动对OPCPA系统输出的飞秒激光脉冲的能量稳定性(增益稳定性)进行了研究,而未研究其对对比度的影响[11]。因此,本文研究了在不同的泵浦光条件下,时间同步抖动对OPCPA系统的飞秒激光对比度的影响。

　　1　含克尔效应的光参量啁啾脉冲放大方程

　　在OPCPA系统中,信号光、泵浦光和闲频光的脉宽往往大于100 ps,可以不考虑三光波在时间上的走离效应影响;泵浦光强度通常达到GW/cm2量级,系统会有明显的克尔效应,含克尔效应的三光波耦合方程为[12]

式中:下标s,i和p分别指信号光、闲频光和泵浦光;E是光场;ω是光波角频率;c是真空中的光速;n是介质折射率;χ(2)是二阶非线性系数,符号“*”表示复共轭;Δk是三光波的相位失配量;j是虚数单位。式(1)中,等号右边的第二项是克尔效应项;χ(3)是3阶非线性系数,系数为1的项是自相位调制项,系数为2的项是交叉相位调制项。

　　OPCPA系统中,来源于锁模激光器的种子光脉冲经过展宽器展宽后作为信号光与泵浦光注入非线性晶体,信号光脉冲可写为

式中:A是信号光脉冲的振幅;T是光强峰值1/e处的宽度;b为啁啾系数;ω0是光脉冲的中心角频率。信号光的角频率为

　　泵浦光的带宽通常远小于信号光的带宽,可视为单色光。在参量放大过程中,三光波相互作用能量和动量是守恒的,则相位失配量

　　一般而言,方程数值组(1)在小信号增益情况下才有解析解,而在增益饱和状态下是没有解析解的,可以采用4阶龙格-库塔数值计算的办法对其进行求解,讨论时间同步抖动对输出飞秒脉冲对比度的影响,并分析泵浦光的不同波形参量和脉宽参量在抑制时间抖动作用中的影响。