（光学专业论文）采用opcpa技术提高高功率飞秒激光对比度研究.pdf

i q 川大学博士学位论文 采用0 p c p a 技术提高高功率飞秒激光对比度研究 光学专业 研究生马再如指导教师陈建国教授 摘要 对比度是高强度飞秒激光的重要参数之一，它是限制高强度飞秒激光在强 场物理、聚变能和高次谐波产生等领域进一步应用的瓶颈。 光参量啁啾脉冲放大( o p c p ：a ) 技术结合了光参量放大( o 队) 技术和啁 啾脉冲放大( c p a ) 技术的优点，具有极高的增益系数，很宽的增益带宽、弱 的热效应、高的转换效率和增益的时间选择性强等特点。采用该技术能获得高 强度高对比度飞秒激光输出，但还有很多的关键技术问题需要突破。目前，采 用o p c p a 技术代替再生放大器是获得高对比度、高强度飞秒激光的较优选择。 研究这类激光系统的对比度有很重要的现实意义。 本文分析了三阶非线性克尔效应和色散对飞秒激光的时空特性和对比度的 影响。研究了运行在大增益区的o p c p a 激光器的性能，分析了同步抖动对 o p c p a 输出飞秒脉冲的影响，以及采用长脉冲泵浦( 比信号光脉冲长) 的方式 对输出飞秒脉冲特性的影响，在此基础上，就光直接同步方式中的关键技术一 泵浦光成形技术进行了详细的理论研究，提出了采用多个超短脉冲叠加器来 形成窄带、脉冲宽度可调的平顶泵浦光。主要的研究结果如下； 1 、利用大啁瞅信号光的频谱在时域内的分布特点，采用宽带数值计算模 型，并对大增益情况下的三波耦合方程进行了详细的研究。研究结果表明，因 信号光各部分的位相匹配不同，造成了系统的功率转换效率随三光波的相互作 用距离而形成一种有准振荡结构，在第一个极值点为其最大的转换率；系统进 入深度增益饱和状态，系统的稳定性大大优于小信号增益状态，但系统的对比 四川大学博士学位论文 度明显变差，预脉冲显著增大。因此，对不同应用类型的高功率激光系统，需 要在其稳定性和对比度的参数之间作一选择。 2 、研究了几个重要因素对飞秒脉冲时间对比度的影响。 2 1 自相位调制效应对飞秒脉冲时间对比度的影响。自相位调制效应降低 飞秒脉冲( 压缩) 的峰值强度和对比度，增大了预脉冲宽度。实际高功率飞秒 激光系统中可能存在振幅调制和位相扰动的影响，振幅调制和位相扰动函数的 调制深度越大，压缩光脉冲的对比度的越小；调制周期越大，预脉冲越宽。这 为采用光谱整形提高飞秒脉冲的对比度和缩小预脉冲宽度提供了参考意见。 2 2 来源于光栅对不平行的色散对输出飞秒脉冲时间波形的影响。对光栅 对表面不平行和光栅刻线不平行这两类光栅对失配的情况对比分析表明，光栅 对表面不平行降低飞秒脉冲的峰值强度，脉冲有明显的预脉冲和尾脉冲 ( p o s t - p u l s e ) ，降低了系统对比度，飞秒脉冲变宽和预脉冲变宽；光栅表面不 平行比光栅刻线不平行对飞秒脉冲的峰值功率、对比度和预脉冲宽度的影响更 大。压缩器光栅完全平行情况下，选择适当泵浦光和信号光功率可使输出脉冲 宽度达到最小。 ， 2 3 信号光与泵浦光的时间同步抖动对信号光的光谱、位相、强度等参量 的影响。同步抖动造成了信号光光谱抖动( 光谱红移或光谱蓝移) 、b 积分抖动、 输出光的强度抖动，降低了系统的稳定性和输出飞秒脉冲的时间对比度。 2 4 研究了采用长泵浦光方式克服同步抖动对o p c p a 系统的影响。结果表 明，该方法能有效的克服光谱抖动、b 积分抖动、强度抖动，也能提高飞秒脉 冲的对比度，但是系统的转换效率将成倍的降低。该方法过低的转换效率限制 了它在以全光参量放大获得p w 输出系统中的进一步应用。 3 、研究了k e r r 效应聚焦光束的远场特性及空间对比度的影晌。结果表明， k e r r 效应会降低高斯光束的聚焦能力、聚焦光束的峰值光强和光束的空间对比 度，并使旁瓣展宽。对超高斯光束和高斯光束的聚焦特性的对比分析表明，采 用超高斯光束，扩大光束的口径，能大大提高聚焦光束的对比度，并有效的降 低旁瓣的宽度。采用光束传输m 。因子评价了k e r r 效应对高功率光束的影响， 可以通过非线性两端补偿的方式来降低k e r r 效应，以提高光束的m2 因子。 4 、针对光直接同步方案的关键难点泵浦光的成形技术，提出了解决方 案多个超短脉冲叠加器。该叠加器从再生放大器中发展而来。多个超短脉 i l i | 川1 人学博士学位论文 冲叠加器利用光谱增益窄化效应和标准具的滤波作用，将谐振腔内的宽光谱脉 冲窄化为窄光谱脉冲，实现多个飞秒脉冲的叠加。对该叠加器中光学元件对形 成泵浦光脉冲影响的研究结果表明，精确控制叠加器中光学元件的参数，能够 将多个超短脉冲“整形”为光谱很窄、时域平顶、长度可调的n s 量级长脉冲。 该叠加器的特色有二：一是它充分利用超短脉冲在增益介质中放大过程的 光谱增益窄化效应，将宽带脉冲“整形”为窄光谱脉冲；二是参与叠加脉冲的 个数及其时间延迟可以主动控制，能够得到长度可调、光谱很窄、平顶长脉冲， 具有很大的灵活性。 关键词：光参量啁啾脉冲放大；对比度；高功率飞秒激光脉冲；克尔效应； 同步抖动；多脉冲相干叠加器：数值计算 m 四川大学博i 学位论文 i m p r o v i n g t h ec o n t r a s tr a t i oo fh i g hp o w e r f e m t o s e c o n dl a s e rb yu s i n go fo p c p a t e c h n i q u e m a j o r ：o p t i c s p h dc a n d i d a t e ：m az a i m s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nj i a n g u o a b s t r a c t t h ec o n t r a s tr a t i o ，d e f i n e da st h ep e a ki n t e n s i t yo ft h em a i np u l s et ot h e i n t e n s i t y0 ft h el a r g e s tp r e p u l s e , i sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h eh i g hi n t e n s i t y f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e , a n dw h i c hi st h eb o t t l ei nl i m i t i n gt h ef u r t h e ru s i n go ft h e f e m t o s e c o n dl a s e ri nt h ef i e l d so ft h e h i g hf i e l dp h y s i c s ，h i g ho r d e rh a r m o n i c g e n e r a t i o na n dl a s e rf u s i o n , e t c t h eo p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ca m p l i f i c a t i o n ( a b b r e v i a t et o0 p c p a ) p o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so ft h eo p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n ( a b b r e v i a t et oo v a ) a n dt h ec h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ( a b b r e v i a t et oe r a ) t o g e t h e r , w h i c hi n c l u d e st h e c h a r a c t e r ss u c ha sv e r yh i g hg a i nc o e f f i c i e n t , b r o a d b a n dg a i nb a n d w i d t h ，w e a k l y t h e r m a le f f e c ta n dh i 曲e n e r g yc o n v e r s i o nc o e f f i e n t a d o p t i n gt h eo p c p ai sam o s t p o t e n t i a lw a yt oa r c h e v eh i g hi n t e n s i t yf e m t o s e c o n dw i t hh i g hc o n t r a s ta f t e rm a n y k e yt e c h n i q u e st ob es o l v e d n o w a d a y s ，m a n yh i g hf e m t o s e c o n dw i t hh i g hc o n t r a s t i sa r c h i e v e db ya d o p t i n gt h eo p c p at oa l t e n a t et h er e g e n e t i v ea m p l i f i e ri n 仃a d i t i o n a lc p al a s e r s f i r s t l y , t h ei n f l u e n c e so ft h et h i r d o r d e rn o n l i n e a rk e r re f f e c ta n dt h e d i s p e r s i o no r i g i n a t e df r o mt h em i s m a t c ho ft h eg r a t i n gp a i r si nt h ec o m p r e s s e ds t a g e o nt h ec o n t r a s ta n dt h et e m p o r a l s p a t i a ld o m a i np r o p e r t i e so ft h ef e m t o s e c o n da r e r e s e a r c h e d s e c o n d l y , t h ep r o p e r t yo ft h eo p c p al a s e ro p e r a t i o ni nt h eb i gg a i n r e g i m ei ss t u d i e d t h i r d l y , t h ee f f e c t so fs y n c h r o n i z a t i o nj e t t e rb e t w e e nt h es i g n a l p u l s ea n dt h ep u m pp u l s ei nt h eo p c 队s y s t e ma n di t st r a d i t i o n a ls o l v e s i o n n a m e l y 四川大学博士学位论义 a d o p t i n gt h ew i d e rp u m pp u l s e ( c o m p a r e dw i t ht h ew i d t ho ft h es i g n a lp u l s e ) o nt h e p r o p e r t i e st h ef e m t o s e c o n dp u l s ea r ea n a l ：s i z e dd e t a i l e d l y l a s t l y , u s i n gt h eb e a m s p l i tm e t h o d ，n a m e l yt h es i g n a la n dt h ep u m pp u l s eo r i g i n a t e df r o mas a m e m o d e l o c k i n gl a s e r , i st h el a s tt e c h n i q u et oi m p r o v et h es y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n ( 1 i g h ts y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ef o rs h o r t ) ，a n dam u l t i u l t r a s h o r tp u l s ec o h e r e n t s y n t h e s i z e r ( a b b r e v i a t et om u s p c s ) o nf o r m i n gp u m pp u l s ei sp u tf o r w a r d ，t h r o u g h w h i c ht h en a r r o w - b a n d ，f l a t t o pa n dl o n gt u n a b l ep u m pc a l lb ef o r m e d t h em a i n a c h i e v e m e n ti nt h ed i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ： t h er e s e a r c ho nt h et h r e ew a v e sc o u p l ee q u a t i o no ft h eo p c p a o p e r a t i n gi n t h eb i gg a i nr e g i m ei ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb yt h eb r o a d b a n dn u r n e r i a ls i m u l t a i o n m o d e lw h i c hb a s e do nt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r so ft h es p e c t r u mo fs i g n a lp u l s e w i t l lb i gc h i r p e di nt h et e m p o r a ld o m a i n t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ：t h e r ee x i s t s c y c l es t r u c t u r e sa p p r o x i m a t e l yi nt h ep o w e rc o n v e r s i o nw h i c hr e s u l t sf r o mt h e p h a s em i s m a t c h ，a n dt h em a x m u i mc o n v e s i o no c c u r sa tt h ef r i s tp o i n t a st h e i n s t e a d i t yo f t h eo p c p a s y s t e mi si n c r e a s i n g ，t h ec o n t r a s ti sr e d u c i n ga n di t sw i d t h i sb i g g i n g t h e r e f o r e ，t h ec h o i c eb e t w e e nt h ei n s t e a d i t ya n dt h eh i g hc o n t r a s tm u s t b eb a l a n c ei nt h ed i f f e r e n c eh i g hp o w e rf e m t o s e c o n dl a s e r t h es e l fp h a s em o d u l a t i o n ( a b b r e v i a t et os p m 、e f f e c tr e d u c e st h ep e a k i n t e n s i t ya n dt h ec o n t r a s to ft h ef e m t o s e c o n dp u l s e ( c o m p r e s s e dp u l s e ) ，a n de n l a r g e s t h ew i d t ho ft h ep r e - p u l s e a n dt h ee f f e c t so ft h ea m p l r u d em o d u l a t i o na n dt h e p h a s ed i s t o r t i o no ft h ep u l s et ob ea m p l i f i c a t e do nt h ef e m t o s e e o n da r es t u d i e dt o o t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r a s tr e d u c e dw h i l et h em o d u l a t i o ni n t e n s i t yo ft h e a m p l i t u d em o d r l a t i o na n dt h ep h u s ed i s t o r a t i o ni n c r e a s e d ，a n dt h ep r e - p u l s ew i d e n w h i l et h e i rm o d u l a t i o nc y c l el a r g e n w h i c hc a nb ec o n d u c e df o rt h e s p e c t d a l s h a p i n gt e c h n i q u ew h i c ha i m i n ga ti m p r o v i n gt h ec o n t r a s ta n dr e d u c i n gt h ew i d t ho f p r e - p u l s e t h ei n f l u e n c e so ft h ed i s p e r s i o no r i g i n a t e df r o mt h em i s m a t c ho ft h eg r a t i n g p a i r si nt h ec o m p r e s s e ds t a g eo nt e m p o r a lp r o f i l eo ft h ef e m t o s e c o n dp u l s ea r e s t u d i e dn u m e r i c a l l y t h ea n a l y s i so ft h ec o n d i t i o n st h a tt h es u r f a c e sa n dg r o v e so ft h e g r a t i n gp a i r si n p a r a l l e lo nt h ef e m t o s e c o n dp u l s ea r ec o m p a r e d a n dt h ep e a k v 四川大学博士学位论文 i n t e n s i t ya n dt h ec o n t r a s tr e d u c e da n dt h ep r e p u l s ea n dp o s t p u l s ec o m ef o r t hb yt h e e f f e c to ft h es u r f a c ei n p a r a l l e li sp o i n t e d t h em o r es e v e r i t yh a p p e n e di nt h eg r o v e s n o n p a r a l l e li sg i v e nb yc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rc o n d i t i o n l a s t l y , a tt h ec o n d i t i o n t h a tt h eg r a t i n gp a i r sa r ep a r a l l e la b s o l u t e l y , t h em i n i z e dw i d t hc a nb ea c h i e v e db y c h o s i n gt h ep r o p d e t yp o w e ro ft h es i g n a la n dp u m pl i g h t t h es y n c h r o n i z a t i o nj e t t e rp l a y si m p o r t a n tr o l e si nf o r m i n gt h es p e c t r u mo ft h e a m p l i f i e ds i g n a lp u l s ea n di t sp h a s ea n di n t e n s i t ye t c ，w h i c hm a k et h es p e c t r u mj i t t e r ( n a m e l ys p e c t r u mr e d s h i f lo rb l u e s h i f t ) ，b i n t e g r a lj i t t e r , i n t e n s i t yj i t t e r ( i nt i m e ) ， a n dr e d u c e st h ei n s t e a d i t yo f t h eo p c p a s y s t e ma n dt h ec o n t r a s to f t h ef e m t o s e c o n d t h eu s u a lw a yt or e s t r a i nt h es y n c h r o n i z a t i o nj e t t e ri su s i n gaw i d e rp u m p p u l s e ， w h i c hm e t h o d sc a l lr e d u c et h es p e c t r u mj i t t e r , b i n t e g r a lj i t t e r , i n t e n s i t yj i t t e r ( i n t i m e ) ，a n di m p r o v et h ec o n t r a s ta sw e l l b u tt h es e d o u ss h o r t c o m i n gi st h ee n e r g y c o n v e s i o ni st o ol o wt om e e tw i t ht h en e e di np w s y s t e mb a s e do nt h ea l lo p c p a t e c h n i q u e a s e l ff o c u s i n g ( o rs e l fd e f o c u s i n g ) a f f e c t st h ed i s t r i b u t i o no ft h eb e a ma n dt h e c o n t r a s ti ns p a t i a ld o m a i ni nt h ef a rf i e l d t h ef o c u s i n gc a p a c i t ya n dt h ep e a k i n t e n s i t ya n dt h ec o n t r a s to ft h ef o c u s i n gh i g hp o w e rl a s e rb e a ma r er e d u c e da n dt h e w i d t ho ft h ep e d e s t a li sf a i l e db yt h es e l ff o c u s i n g t h ee f f e c t so ft h es e l ff o c u s i n g o nt h ef o c u s i n gs u p e r - g a u s sb e a ma r ea n a l y s i z e dt o o ，a n dt h er e s u l t sc o m p a r e dw i t h t h er o l e so ng a u s sb e a m i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r a s ta n dr e d u c et h ew i d t ho ft h e p e d e s t a lb e a m ，w es h o u l ec h o i s et h eb i g g e rb e a ma n dt h ef l a t t e rt o pb e a m f i n a l l y , a d o p t i n gt h eb e a mp r o p a g a t i o n m 2f a c t o rt oe s t i m a t et h ek e r re f f e c to nt h eh i g h p o w e rb e a m , a n ds u g g e s tt h a tt h en o n l i n e a rc o m p e n s a t i o nm e t h o di sa l le f f e c t i v e w a yt oi m p r o v et h e m 2f a c t o r an o v e ls c h e m e , n a m e l ym u s p c s ，a i m i n ga tt h ef o r m i n gt h ep u m pp u l s e w h i c hi st h ek e yd i f f i c u l t yi nt h el i g h ts y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei sp u tf o r w a r d t h e m u s p c sw h i c hd e v e l o p e df r o mt h et r a d i t i o n a l r e g e n a t i v ea m p l i f i e r a n di t s o p e r a t i o ni n t r o d u c e dd e t a i l e d m a k i n gu s eo ft h es p e c t r i a lg a i ne f f e c ta n dt h e f i l t e r i n gf u n c t i o n o ft h ef a b r y - p e r o te t a l o n , t h em u s p c sr e a l i z em a n yp u l s e s c o h e r e n ts y n t h e s i s d u r i n gt h e b r o a d b a n du l t r a s h o r tp u l s ea m p l i f i e dt ob ca v i 删川大学博士学位论文 n a r r o w b a n dp u l s ei nt h er e s o n a n tc a v i t y t h ep a r a m e t r i co ft h ec o m p o n e n t si nt h e m u s p c si ns y n t h e s i z i n gt h ep u m pp u l s ea l er e s e a r c h e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ta w i d t ht u n a b l ep u l s ew i t hn a r r o w b a n da n df i a tt o pp r o f i l ec a nb eg e n e r a t e d t h em u s p c se m b o d y st w ot r a i t s ，o n eo fw h i c hi sm a k i n gu s eo ft h es p e m r i a l g a i nn a r r o w i n ge f f e c tf u l l yi no r d e rt o s h a p i n g t h eb r o a d b a n dp u l s et on a r r o w b a n d p u l s e ，t h eo t h e ri st h en u b e r so ft h ec o m p o s i n gs u b - p u l s ea n dt h ed e l a yt i m eb e t w e e n t h ea d j a c e n t e s tt w os u b p u l s e sc a nb ec o n t r o l l e da c t i v e l y s ot h es y n t h e s i z e dp u l s e ( o rp u m pp u l s e ) g e n e r a t e dt h r o u 9 1 lm u s p c si sm a r k e dw i t hf i a tt o pp r o f i l e si nt h e t e m p o r a ld o m a i na n dn a r r o w b a n di ns p e c t r i a ld o m a i n , m o r ei m p o r t a n ti st h a tt h e w i d t ho ft h ef l a tt o pi st u n a b l ef r o mp i c o s e c o n dt on a n o s e c o n d k e y w o r d s ：o p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n , c o n t r a s tr a t i o ， h i g hp o w e rf e m t o s e c o n d , k e r re f f e c t , s y n c h r o n i z a t i o nj e t t e r , m u l t i u l t r a s h o r tp u l s ec o h e r e n ts y n t h e s i z e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 四川i 大学博 学位论文 第一章绪论 自激光诞生以来，高功率超短脉冲激光技术发展迅速。当前，采用啁啾脉 冲放大技术( c p a ) 1 1 ，人类已经产生了峰值功率高达拍瓦 ( p w ，i p w = 1 x l o ”w ) 量级的飞秒( f s ，f s = i x l o 。1 5 ) 激光脉冲，它经过聚 焦后，它的光场强度高达1 0 2 w c m 2 1 2 。其强度数百倍甚至数百万倍于原子 内电场强度，激光电场提供了极端的物理条件，为人类探索未知世界提供了强 有力的手段。它在高次谐波产生、惯性约束聚变( i c f ) 、粒子加速和强场物理 等领域有很大的应用前景 1 3 - 1 1 9 。 。 i t 图1 1 预脉冲与主脉冲示意图 f 。是预脉冲于主脉冲的时间间隔 一般而言，采用c p a 技术放大的超短脉冲，它的前沿会出现抖动，如图1 1 所示。将脉冲的前沿部分称为预脉冲( p r e p u l s e ) 。当激光的强度达到 1 0 1 3 w c m 2 时，即使它与固体靶相互作用的时间极短( 如飞秒时间量级) ，也会 形成等离子体 1 2 0 ；即使激光的强度没有1 0 1 3 w c m 2 高，但若它与固体靶相 互作用的时间更长的话，同样也能产生等离子体。这表明，对聚焦强度为 1 0 2 1 w c m 2 的打靶脉冲而言，其预脉冲的强度不能高于1 0 ”r , c m 2 ，否则它就 会破坏主脉冲与靶的相互作用的条件。用对比度表示主脉冲的峰值强度与预脉 冲的峰值强度之比，并用f 。表示预脉冲超前于主脉冲峰值位置的时间间隔。 可见，对此类打靶脉冲，要求对比度 1 0 8 ，同时对乇。也有很严格的要求。 与脉冲时间对比度类似，打靶光束的空间分布同样重要。如在激光惯性约 川川大学博士学位论文 束聚变中，为防止打靶光束的旁瓣造成等离子体堵口，同样要求打靶光束的对 比度 1 0 8 。与f 一。类似，用旁瓣宽度来描述它与光束峰值空间距离。 显然，如此之高的时空对比度对强激光技术提出了非常苛刻的要求。当然， 不同的物理需求要求不同的打靶强度和时空对比度。对运用在强场物理、惯性 约束聚变和高次谐波产生等领域的强激光，打靶激光时空对比度越高越好。 采用等离子体镜是提高飞秒脉冲的对比度的办法之一 1 2 p 1 2 2 1 ，但由于 等离子体镜本身的性能并不稳定，还有很多问题需要进一步研究。而于我们国 家而言，当前，采用光参量啁瞅脉冲放大技术是提高飞秒激光时空对比度的有 效办法 1 2 3 1 2 5 3 。 需要说明的是，在有些文献中也采用如信噪比( s n r ) 来描述对比度、旁瓣 ( p e d e s t a l ) 表征预脉冲 1 2 7 ，1 2 8 的。 1 1 光参量啁啾脉冲放大技术及进展 光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 技术结合了光参量技术( 0 p a ) 与啁啾脉冲 放大技术的优点 1 2 9 。很多实验室对它进行了研究，取得了很大的进展【1 2 9 ， 1 3 0 。 1 1 1 啁啾脉冲放大技术 强度为g w c m 2 量级的光束在增益介质中传输和放大过程中，介质的克尔 效应不仅严重影响激光脉冲的时空特性 1 3 1 3 ，而且可能对强激光系统产生破 坏性后果。如，因光束受到微弱调制而产生小尺度自聚焦效应，它是克尔效应 的一种，会使其“热像点”位置的功率急剧升高，从而破坏光学元器件，它是 限制超短脉冲激光功率进一步提高的重要因素。直至1 9 8 5 年，m o u r o u 等人提 出采用啁啾脉冲放大技术来放大超短脉冲 1 1 ，有效的降低了克尔效应，较好 的解决了超短脉冲放大的问题。 啁啾脉冲放大技术基本可分为三个部分【1 1 】，如图1 1 1 所示。第一部分是 啁啾脉冲的产生，利用色散元件如光栅对( 或光纤光栅) 提供的正( 负) 色散 将飞秒量级的种子光脉冲在时域内展宽到皮秒和纳秒量级，展宽的脉冲称为啁 啾脉冲，这样既有利于激光脉冲提出能量，又有效的降低了激光脉冲的峰值功 率，从而降低了克尔效应；第二部分是啁瞅脉冲在增益介质中的放大；第三部 2 则川i 大学博士学位论文 分是啁啾脉冲的压缩，利用色散元件如光栅对提供的负( 正) 色散在时域内对 光脉冲进行压缩，将放大的啁啾脉冲压缩( 或还原) 为飞秒量级的脉冲。 图1 1 1 啁瞅脉冲放大示意图 由于振荡器输出的超短脉冲能量在纳焦( n j ) 量级，要实现功率达到r w 量级的脉冲输出，需要对脉冲放大7 l o 量级，显然需要对脉冲进行多级放大 才能达到这样的要求。因此，在增益介质中的脉冲放大部分，放大器一般由高 增益的预放大器和主放大器两部分组成。其中，高增益预放大器安放在展宽器 后，在预放大器中，啁啾脉冲的能量由注入的“量级被放大到1 1 0 毫焦( 埘l j ) ， 脉冲增益高达1 0 7 ，实现了脉冲的高增益放大；而主放大器的作用是更有效的 提取增益介质中储能，实现太瓦( t w ，i t w = i x l 0 ”) 或p w 量级的脉冲输 出。 再生放大器和多通放大器是高增益预放大器的两种类型 1 3 2 ，1 3 3 。它们 作为高功率激光器的前端预放部分，一般都能有效的实现激光脉冲的高增益， 但也有较大的差别，下面分剐介绍这两种放大器。 再生放大器的典型构造如图1 1 2 所示 1 3 3 。它从脉冲序列中选取一个 光脉冲，将它注入到再生放大器的谐振腔中，利用谐振腔对光脉冲的有效放大， 用腔倒空原理将放大的光脉冲倒出。尽管脉冲在再生放大器中每次放大的倍数 较小，但可以来回多次放大，因而能实现很高的放大倍数。脉冲多次往返通过 放大介质和普克尔盒，因此会引入高阶色散。在脉冲的压缩阶段，其高阶色散 很难补偿，使压缩脉冲的光谱严重畸变，同时脉宽增宽，因此并不宜用于放大 3 四川人学博士学位论文 宽度小于3 0 f s 的种子脉冲。 7 64 57 图1 1 2再生放大器 1 薄膜偏振片2 法拉第31 2 波片4 薄膜偏振片 5 普克尔盒6n d ：y l f 棒7 腔镜 另外，再生放大器使用法拉第、薄膜偏振片和普克尔盒作为“光开关”，该 “光开关”存在一定的漏光，这些漏光所形成的预脉冲先于主脉冲到达靶面， 将严重降低飞秒激光的对比度。 n 讪础删舛 i b c 咐 融滞肿。衄。m ，时阱d l 嘲0 r i 哪靴f 埘 图1 1 3 多通放大器示意图 多通放大器的构型如图1 1 3 所示 1 3 3 。它利用反射镜把光束折叠，让折 叠后的光束分别以不同的角度通过同一块增益介质进行放大。脉冲通过增益介 质的次数较少( 一般少于1 0 次) ，每次放大倍数较高。引入的高阶色散少，光 谱增益窄化程度较轻，适合于放大2 0 3 0 f s 的脉冲。 随着c p a 的提出及其演示的成功，激光脉冲的峰值功率在很短的时间内提 高了3 - 4 个量级【1 3 4 - 1 3 6 1 ，达到r 形级乃至p w 级水平。 4 姐川太学博t 学位论史 1 1 2o p c p a 技术的特点 光参量放大( o p a ) 技术是一种基于二阶非线性效应的放大过程，通常将一 个强的泵浦光和一个弱的信号光同时入射到非线性晶体中，它们在满足一定位 相匹配条件下，相互耦合产生一个闲频光，同时弱的信号光在此过程中得到放 大 1 3 7 ，1 3 8 。 o p c p a 技术结合了c p a 技术和o p a 技术的优点。由一些运转在高能量的激 光器提供大功率高能量的泵浦脉冲。泵浦脉冲需要有比较窄的光谱宽度和较长 的脉冲宽度，然后在非线性介质( 一般是l b o 、k d p 或b b o 晶体) 中通过o p a 对 一个宽带信号光( 啁啾光激脉冲) 进行放大，以代替c p a 激光系统中的固体激 光器对宽带啁啾脉冲的放大，最后再通过脉冲压缩得到高峰值功率的压缩脉冲 ( 飞秒激光) 。o p c p a 示意如1 1 4 图。 量 暇取光臆冲 图1 1 4 光参量啁瞅脉冲放大示意图 相比于传统的再生放大技术或其他固体介质放大技术，o p c p a 技术具有明显 的优点。 1 、o p c p a 的增益带宽很宽。o p c p a 是一个三光波非线性过程，其增益带宽 主要由泵浦光、信号光和闲频光的位相失配量幽( 们决定： 从( 五) = ( 砂一t ( 五) 一毛( 五) = 戤) + 喾m + 三筹( 从) 2 + 式中k 表示各光波的波矢，下标s 、i f t n p 分别表示信号光、闲频光和泵浦光。因 此宽带o p c p a 要求展开式的主要项( 一级) 应被消除，或等效于信号光与闲频 光群速度匹配。利用晶体双折射的角度调节，只能保证位相匹配七( 凡) = 0 ， 5 p u 川人学博士学位论文 采用波面倾斜和非共线匹配方式可以使群速度匹配，得到大的增益带宽 1 3 9 - 1 4 1 ，或采用双光束泵浦方式，也可以得到大的增益带宽 1 4 2 ，1 4 3 。 采用非共线匹配放大的方式，系统增益带宽可达l o o n m ( 如l b o 晶体) ，且它的增 益带宽随增益的增加而增加，可支持几飞秒脉冲的放大 1 4 4 - 1 4 7 。 2 、具有极高的增益系数。1 作在小信号状态的光参量放大器的小信号增益 系数为 1 3 0 ： ，、2 g ：l + f 儿1 2 f 兰坐1 ” l b r ：。 式中b = , l ( r o 乞( 盘v 2 ) 2 ， ，= 强度增益系数= 4 万d 2 岛珂，以碍c 五五 l 为三波相互作用的长度，d ，为有效非线性系数，。是泵浦光强度，岛和c 是 真空中的介电常数和光速，栉是非线性介质的线性折射率，a 是真空中的波长。 其中函数s i i l l l ( 工) = e x p ( x ) 一e x p ( 一工) 2 ；s i l l h ( 工) = e x p ( x ) + 唧( 叫) 2 。采 用b b o 晶体级联放大方式，在信号光与泵浦光相互作用的3 0 m m 的有效距离上， 可以获得1 0 6 的增益 1 4 8 ，因此整个激光系统的b 积分可以设计在较低的水 平。由于o p c p a 的增益高，故系统前端可设