数值模拟传输的空间光束畸变光学参数Chirped-Pulse放大

文摘

本文的空间特征光参量chirped-pulse放大(OPCPA)过程时数值研究了初始泵梁是异常的。数值结果表明,空间走离效应相位调制部分转移到梁泵阶段是调制信号。此外,调制振幅越来越严重的非线性扩展长度。没有初始相位畸变的输入信号,输出信号的诱导相位畸变被假定为泵梁的微分形式的阶段。随着泵浦光强度调制,空间走离效应降低了泵浦光噪声对光束质量的影响和角谱但同时减少信号增益;因此,它可能弊大于利OPCPA过程。non-diffraction-limited泵的光束,光束质量因子就越大 ,转换效率越低的输出信号OPCPA过程。这些结果对优化设计有重要指导意义的高功率激光OPCPA系统。

1。介绍

高能量超短固体激光器由激光光学近几十年来发展趋势。1986年,Strikland等人提出的想法chirped-pulse放大(CPA) (1),这大大降低了非线性损伤激光介质的可能性,充分利用在放大增益带宽(2,3]。光参量放大(OPA)是一种有效的方法从一个固定的生成可调脉冲激光源(4- - - - - -6),包括大型能源光纤激光器(7,8]。OPA和注册会计师的集成光学参数chirped-pulse放大(OPCPA)已迅速扩展放大超短激光脉冲的峰值功率petawatt水平由于独特的高效转换特性,高增益,和广泛的带宽9- - - - - -13]。

在强场物理的应用程序中,激光光束质量和脉冲对比关键问题OPCPA激光系统(14]。到目前为止,OPCPA系统的脉冲对比度也已经有了很广泛的研究(15,16),提出了各种方法来增加在皮秒脉冲对比时间表(17- - - - - -20.]。然而,则较少受到关注OPCPA光束质量的过程中,随着OPCPA技术通常被认为是能够确保一个放大信号的光学质量的领域(16,21]。这可能不是一个问题对于大多数低能OPCPA系统泵激光衍射极限或类型0(来源 )quasi-phase-matching OPA之间没有空间走离过程相互作用波(22,23]。然而,高能OPCPA系统环境有很大的不同,高能激光泵通常远低于衍射极限(24,25]。与此同时,空间走离效应总是存在由于采用非线性晶体双折射。

几篇文章已经考虑梁质量OPCPA系统(26,27),主要通过检查泵的影响束流剖面和零相位化OPA增益和信号光束质量。理论模型为零相位化开发的影响由于角偏离理想相匹配,和角的影响内容的梁小信号增益和转换效率的强烈耗尽政权是评估数值(26]。摘要OPCPA进程注入的空间特征的空间异常的梁理论和数值研究。讨论了三种典型的空间异常的泵梁,包括相位调制泵浦光的强度调制泵浦光,non-diffraction-limited泵束。在空间域,OPCPA的非线性过程是相同的OPA的;因此,本文的大部分地区不区分明确OPA和OPCPA之间。

2。数值模型

摘要I型相位匹配OPA过程模拟的非线性耦合波方程在空间域,这意味着所有时间效果在时域中被忽略。管理的演变方程信封E_p,E_年代,E_我泵的脉冲信号,空转(28,29日),分别 在哪里E_j(z、x)是规范化输入泵领域E₀。为了简单起见,一维横向模型用于模拟;由于大束孔径衍射效应被忽略。高斯泵梁假定在整个论文,虽然不同的光束形状可能参与其中。空间变量x是归一化泵束腰半径的吗w;Δk = k_年代+ k_我- k_p三波的波矢不匹配,波向量k_j= nω_j/ c。非线性长度定义为 作为一个测量泵的强度。泵浦光被视为参考光束,因此,走下舞台上只出现在(1)和(2)。走下舞台的信号长度l_sp被定义为l_sp= w /ρ,在那里ρ是走离角,l_知识产权L =_sp在i型共线的配置。的比例l_sp晶体的长度l表明实际走下舞台的大小OPA过程非线性晶体。在初始信号波的计算,假定为高斯光束相位一致性,和Δk是设置为0,因为它主要影响信号增益和转换效率,已彻底讨论(22]。孤立地走离效应的调查可以显式地澄清其对输出信号的影响。标准采用分步法和龙格-库塔算法解非线性方程数值(29日- - - - - -31日]。

3所示。分析和讨论

3.1。泵浦光相位调制

首先,OPCPA过程注入相位调制光束的调查。为简单起见,假设泵梁包括正弦相位调制 ,参数一个和n分别对应于调制振幅和空间频率。信号的角谱分布梁和惰梁是显示在图1在小信号条件下。右上角的insets的局部放大图。如图1的角谱信号光束保持基本不变的走离效应并不认为(虚线图1(一))。的相位调制泵浦光导致角空转光束的光谱畸变(图中虚线1 (b))。然而,信号光束的角谱变得异常的空间走离效应考虑在内(图中的实线和虚线1(一))。此外,更大的参数一个,输出信号的角频谱畸变光束,并相应地空转的畸变光束被削弱。关于饱和放大,OPA的空间特征类似于小信号。

图2显示了信号相位的横向分布及其演化的晶体。随着泵阶段是由正弦相位调制,呈现正弦调制阶段观察到输出信号。调制振幅与晶体长度的增加,因为在分析OPA的相转移机制来解释。的空间走离,泵浦光和惰光束在空间交错,及其相偏离。他们的相位差异因此变得无序,信号光束将部分进行变形起源于泵束。同时,晶体长度越大(或非线性长度),清晰的走离泵梁和惰梁。此外,信号相位的调制振幅越来越激烈(见阶段曲线的位置z= 5毫米)。相位调制的结果之一是角频谱畸变,也描述了现象的insets的人物1。

数据1和2说明泵的输出信号继承了畸变光束的相位调制的空间走离。因此,高频调制泵阶段应该尽可能抑制梁OPA过程中获得高质量的信号。

图3描绘了阶段的输出信号,当泵阶段Φ(x)=x²和x³,分别。形状如图3(一个)大约是线性的,而在图吗3 (b)大约是抛物线。因此,信号的诱导阶段基本上是泵的微分阶段。

接下来,OPA的物理过程分析来解释上述现象。信号(Φ的阶段_年代),泵(Φ_p)和空转(Φ_我),实现了由以下关系没有走离效应和相位匹配条件满足时:

方程(4)和(5)表明,该阶段的输出信号是独立的泵的阶段,而惰光束的相位与Φ之间的区别_年代和Φ_p走离效应被忽视。因此,在泵浦光相位畸变将转移到空转光束走离效应被忽略,虚线为代表的图1 (b)。假设初始信号的相位是制服,然后泵空转相符合的光束,Φ表示_p(x)+π/ 2和Φ_p(x),分别。然而,空转梁泵将不再一致空间如果走离效应发生,导致一些补偿。同样,如果他们阶段假定为Φ_p(x),π/ 2 +(x+Δx),分别,然后Φ阶段生成的信号的表达式_年代=π/ 2 +Φ_p(x)- (π/ 2 +Φ_p(x+Δx))=Φ_p(x)-Φ_p(x+Δx),代表的微分形式泵阶段和解释图中的现象3。上述理论结果有助于precompensating或脉冲整形过程中预滤器相位畸变。

3.2。泵梁强度调制

输出信号的空间特征分析了泵振幅调制。鉴于放大自发发射,泵梁通常产生噪音。因此,有必要探讨影响泵的噪音信号输出的光束质量。

泵浦光的强度调制(即噪声表达式)被认为是0.1E₀罪²(4πx),输出的近场分布和角谱数值计算获得的信号如图4(一)和4 (b),分别。图4(一)表明,泵浦光的扰动可能会部分转移到信号光束和噪音的程度转移时减弱空间走离效应被认为是(图中的实线4(一))。OPA增益已知相关泵强度;因此,泵的输出信号是高度敏感的扰动强度。在考虑走离效应时,泵的旁瓣造成的光谱强度调制不满足相位匹配条件,这些空间频率成分OPA过程中相应的抑制。因此,梁输出信号的质量比,没有更好的走离效应。然而,信号的增益波束明显下降,证实了数值模拟。空间走离效应因此发现降低泵噪声的影响的近场分布和角谱信号光束,这似乎OPA过程中受益。然而,它也减少了获得信号的梁,这是不可取的。因此,泵噪音OPA过程弊大于利。此外,在饱和放大信号光的波动程度(图中虚线4 (c))低于小信号条件下的性能(图中虚线4(一)),获得饱和放大过程中更加稳定。

3.3。泵束Non-Diffraction-Limited

在本节中,讨论了泵浦光平等对信号增益的影响随着泵浦光non-diffraction-limited。泵束被认为是一个一维高斯光束在缓慢的不同阶段,E_p(0,x)=E₀exp ()x²+我Φ(x),Φ(x)=αexp (- (x/ 2.5)²)+βexp (- (x/ 2.5)⁴),一个和b是常数。从光束质量的角度来看,这个表达式描述了典型的高功率激光在空间滤波的特点(32]。三泵束被认为是在这项研究中,即α= 0,β= 0;α= 94.0,β= 94.7;和α= 177.0,β= 174.7,与相应的梁质量的因素1、5、20。

图5(一个)显示了信号增益和晶体在不同长度之间的关系的因素。整个过程的小信号放大、饱和放大和转换流场进行数值模拟。在大信号增益几乎为零长度(z< 10毫米)最初在小信号放大的情况下;然后迅速上升,表明饱和放大,最后迅速达到峰值后下降,表示一个backconversion过程。此外,收益曲线的形状在不同相似因素,晶体长度的信号增益达到峰值几乎是一样的。唯一的区别是,一个更大的因素会导致较低的信号增益峰值。这三个过程的形成与泵浦光的能量消耗,和信号增益来源于泵的能量。最初,没有泵能量损失发生在小信号放大。在饱和放大过程中,泵能量快速消耗。信号增益峰值,泵能量主要消耗,如图所示,图中的实线5 (b)。接下来,一些频率成分不满足相位匹配条件由于空间走离效应,backconversion因此发生与晶体长度的增加。更大的因素是,频率成分越失败不满足相位匹配条件,这是类似于减少泵的强度。随着信号获得泵强度密切相关,泵下的峰值信号获得梁大因素是小,如图所示,图中的虚线5(一个)。此外,泵浦光的发散是假定为中心对称的,因此,在不同增益曲线相似的因素。泵光束质量越贫穷,越低的信号增益。因此,应优化泵梁的质量减少分歧发起OPA或收敛过程。

4所示。结论

的空间特征OPCPA详细过程进行了分析。在数值模拟中,一些被认为是影响如走离效应,相位调制,振幅调制泵浦光,和泵光束质量。走离效应被发现恶化信号OPCPA系统光束质量,当泵浦光相位调制展出。然而,随着泵的强度调制,走离效应过滤掉一些畸变;信号光束质量有所改善,但代价是降低增益。此外,泵浦光的发散或收敛也妥协OPCPA收益。因此,它是非常重要的选择合适的系统参数在设计OPCPA系统,如最低走离角,合适的晶体长度、泵浦光和良好的质量。

数据可用性

图1是输出信号的光谱角梁和惰梁泵相位调制。图2信号相位的演化在横向非线性晶体。图3输出信号的相位曲线是泵阶段Φ(x) = x2和x3。图4的近场分布和角谱是泵的输出信号振幅调制。图5(一个)是信号增益和晶体长度之间的关系在不同的因素;图5 (b)泵浦光的角谱。使用的实验数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是湖南省自然科学基金的支持,中国(批准号2018 jj2455和2018 jj3560),湖南省教育部门的科学研究基金(批准号。16 b026 17 a020),和中国自然科学基金(批准号61308005)。作者感谢云飞Mo的讨论。

引用

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