飞秒激光啁啾脉冲放大中脉冲展宽技术研究

计算了啁啾脉冲放大技术中光栅展宽器对钛宝石飞秒脉冲的时域展宽量，并从实验中进行了观测．计算了放大器腔内元件的群色散量，进而提出了省略腔外展宽器的可能性．

皮秒短脉冲光参量啁啾脉冲放大中泵浦信号高精度同步主动控制技术研究

在皮秒短脉冲泵浦的光参量啁啾脉冲放大(ps-OPCPA)系统中,泵浦光与信号光之间的高精度时间同步是需要解决的关键问题之一.本文基于中国工程物理研究院激光聚变研究中心的全OPCPA激光装置,对用于前端ps-OPCPA中泵浦光与信号光的高精度同步主动控制技术进行了详细研究.采用大啁啾信号光窄光谱光参量放大的主动反馈方式,通过合理设计反馈光路信号光的时域展宽啁啾系数,将泵浦光与信号光的同步时间抖动从ps量级降低至百fs量级的时间范围,从而极大地改善了前端ps-OPCPA的能量和光谱不稳定性:7 min测试时间内泵浦光与信号光相对同步时间抖动的均方根值(RMS)从458 fs改善至93 fs,输出能量RMS不稳定性从30.3%改善至3.15%,且维持光谱宽度大于100 nm的稳定宽光谱输出.

从超短光到超短超强光的突破——解读获2018年诺贝尔物理学奖的啁啾脉冲放大技术

啁啾脉冲放大技术是超高峰值功率超短脉冲激光发展的重要里程碑,极大推动了超强超短激光和强场激光物理等研究领域的发展,因而获得2018年的诺贝尔物理学奖。本文从技术原理层面对啁啾脉冲放大技术进行简要解读。

啁啾脉冲放大技术

非线性效应使激光光强限制在１０９ Ｗ／ｃｍ２ 量级。在过去十年间，各国科学工作者利用啁啾脉冲放大技术（ＣＰＡ 技术） 将激光光强提高到１０２０ Ｗ／ｃｍ ２ 量级。文章就ＣＰＡ 技术中的短脉冲放大，展宽／ 压缩比的调节及大光谱脉冲的放大等问题作了具体讨论。最后，还以惯性约束核聚变（ＩＣＦ） 点火器为例，讨论了超高光强激光的应用。

啁啾脉冲堆积及其放大特性

根据啁啾脉冲堆积的原理以及模型介绍了两路脉冲堆积时脉冲的时间与频谱特性,分析了堆积脉冲产生时间与频谱调制,以及交叠区产生非线性频率啁啾的原因。通过非线性薛定谔方程,分析了堆积脉冲的放大特性,介绍了啁啾参量对放大结果的影响以及放大后堆积脉冲的频率啁啾的变化。研究表明,在堆积脉冲的放大过程中自相位调制效应非常明显,严重影响了脉冲的频谱与频率啁啾。

300W线偏振飞秒全光纤啁啾脉冲放大系统

报道了高平均功率的线偏振啁啾脉冲放大系统。该系统包括全光纤结构的多级放大器以及透射光栅脉冲压缩器。压缩前,实现了近衍射极限光束输出,平均功率425 W,光光效率81%,消光比约13dB;压缩后,获得了平均功率300 W、脉宽315fs、峰值功率12 MW的激光脉冲,为目前报道的最高平均功率的线偏振光纤啁啾脉冲放大系统。

掺镱光纤放大器的啁啾脉冲失谐放大特性

研究了掺镱光纤放大器对中心频率为1053nm的啁啾脉冲放大特性,发现针对高斯或超高斯脉冲,采用合适的带宽及入射光强能够使增益饱和和失谐放大相互消弱,从而得到一个良好的放大脉冲形状。计算了掺镱光纤放大器失谐放大带来的相位调制,发现对压缩质量影响较小。

光参量啁啾脉冲放大增益特性研究

通过对非线性三波耦合方程组进行数值求解 ,研究了光参量放大 (OPA)的增益特性及饱和放大特性。给出了泵浦光、信号光参数对参量增益的影响及其与晶体饱和长度的关系。结果表明 :OPA具有传统啁啾脉冲放大 (CPA)系统所不具有的优点 ,将有可能取代传统的 CPA系统而作为超短超强激光系统的新型前端。

光参量啁啾脉冲放大过程中脉冲特性理论研究

通过数值求解非线性三波耦合方程组 ,并利用色散致啁啾引起的瞬时频率与时间的关系 ,模拟了啁啾脉冲在光参量放大过程中的脉冲波形和频谱形状的变化关系 ,以及通过压缩器的脉冲形状。模拟结果表明 :啁啾脉冲在光参量放大过程中的时域宽度和频谱有很小程度的加宽 。

小宽带堆积啁啾脉冲传输放大特性

采用啁啾脉冲堆积的方法可获得ns量级宽带整形激光脉冲,对堆积啁啾脉冲时间波形的影响因素及传输放大后脉冲波形与光谱形状的特性进行了研究。结果表明:在传输过程中脉冲的演化规律与窄带脉冲的演化规律基本一致,而且传输放大过程也不会改变脉冲的调制结构,但光谱形状在传输放大过程中发生了变化,初步认为是由非线性效应造成的;小宽带堆积啁啾脉冲具有与窄带脉冲基本一致的的增益水平。

BBO,LBO,KDP晶体光参量啁啾脉冲放大特性的比较研究

对BBO,LBO,KDP晶体I类非共线匹配下的光参量啁啾脉冲放大的相位匹配、参量范围、增益特性等进行了理论分析,重点对BBO和LBO的光参量啁啾脉冲放大特性进行了比较。结果表明对于以光参量啁啾脉冲放大系统代替800nm中心波长的Ti:sappire再生放大系统,用BBO晶体可获得更宽的增益带宽,而对1053nm中心波长的种子光用LBO晶体更好。

光参量啁啾脉冲饱和放大的增益稳定性

光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)在饱和放大区存在一个增益稳定点,据此设计了一个输出稳定的三级OPCPA系统;第一、二、三级分别选用准相位匹配的周期极化钛氧磷酸钾(PPKTP)晶体、LBO晶体和KDP晶体作为增益介质。饱和放大时,增益随泵浦光强度变化时的增益输出稳定性明显改善,在泵浦光强度抖动低于6%的情况下,各级光参量放大器OPA输出的增益抖动小于1%。前级采用准相位匹配的PPKTP晶体作为增益介质,在远低于破坏阈值的30MW/cm2的泵浦功率密度下,可得到2×105的饱和放大增益和20%的能量转换效率。

光参量啁啾脉冲放大中时间同步抖动对增益稳定性的影响

在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、相位失配和时间同步抖动情况下,给出了计算光参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1 ns的时间同步抖动情况下,对比分析了光参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响非常大,使放大信号光脉冲的增益光谱发生了明显的偏移,波形不对称和整个增益降低;并且信号光光谱越宽,光参量放大间的时间同步抖动对其增益影响越严重;但随着参量放大增益饱和的出现和加深,信号光和抽运光之间的同步时间抖动对放大信号光的输出强度影响减弱,即在饱和放大处可以获得更稳定的放大信号光输出。

高功率全光纤啁啾脉冲放大激光系统

采用基于非线性偏振旋转原理的光纤被动锁模激光器作为主振荡器。输出信号脉冲的重复频率为30MHz,脉冲半高全宽为265fs。信号脉冲通过全光纤啁啾脉冲激光放大系统展宽至100ps后,经过1级芯径10μm的光纤预放大器和1级芯径50μm的光纤功率放大器将脉冲平均功率放大至10W,斜率效率41.5%。输出脉冲经光栅压缩器将脉宽压缩至594fs。

啁啾脉冲激光放大的数值分析

从Ｍａｘｗｅｌ波动方程出发，建立了描述脉冲在啁啾放大系统中传播的非线性薛定谔方程；采用数值计算，系统地分析研究了放大过程中的各种效应对脉冲的影响，给出了啁啾脉冲在频域、时域内及放大压缩后脉冲信噪比的动态演化特征；讨论了展宽器附加色散量在放大过程中的影响。

啁啾匹配OPCPA方案用于消除超短激光脉冲的预脉冲

采用了一种利用啁啾匹配光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术来消除泵浦脉冲时间窗口内的预脉冲的方法,并对该方法展开了数值模拟研究。分析了泵浦光脉冲形状、预脉冲提前时间等因素对预脉冲消除效果以及信噪比提升情况的影响。通过与传统的非共线OPCPA方案对比,发现啁啾匹配OPCPA方案可以消除掉离主脉冲更近的预脉冲,且它对预脉冲的消除效果受泵浦光脉冲形状的影响较小。

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

基于宽带脉冲的计算模型,采用4阶龙格-库塔法研究了光学参量放大所满足的三光波耦合方程。数值结果表明:时间不同步导致大量本底能量不能被压缩,使本底形成,导致飞秒脉冲展宽,如抖动从0变化到150 ps,则其预脉冲宽度由0.2 ps展宽到0.7 ps,降低了输出飞秒激光对比度,并导致输出能量稳定性降低。采用长而平滑泵浦光脉冲、选择适当长度的非线性晶体、并使系统工作于增益饱和区,能实现高对比度和高稳定的飞秒激光输出。

啁啾脉冲放大系统展宽压缩器各阶色散分析

通过在光程差中增加相位校正项,重新推导了更为完善的压缩器各阶色散解析式。并对压缩器的各阶色散作了光线追迹的模拟计算,得到与解析式完全一致的计算结果,从而验证了解析式的正确性。基于解析式和光线追迹的方法,更加系统完善地对比较常用的Offner展宽器的各阶色散进行了研究,分析了入射角、光栅与凹面镜距离对其各阶色散及剩余各阶色散的影响。同时,还对非匹配的展宽压缩系统的剩余色散的影响因素进行了讨论。

啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究

根据啁啾脉冲激光参量放大技术 ,数值模拟了光参量放大在啁啾脉冲放大中的应用。研究啁啾脉冲参量放大增益及时间特性 ,特别是在大信号注入与小信号注入两种有代表意义的情况下 ,详细分析了群速度失配、相位失配对放大过程的影响。研究泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步要求 ,讨论了放大系统的稳定性。

高功率光纤啁啾脉冲放大光源中的B积分受限

基于金斯堡-朗道方程模型,针对100kHz光纤啁啾脉冲放大系统中的B积分受限问题进行了理论分析,包含群速色散、增益色散、平均功率饱和和能量饱和效应及自相位调制效应。给出了典型放大器构型下脉冲可压缩性随B积分的变化关系。得到了展宽脉冲宽度为1ns条件下,亚ps压缩脉冲对系统总的B积分限值约为40rad。对短间隔脉冲串放大特性和B积分进行了理论研究,验证了在单脉冲B积分受限不变的情况下可以实现总脉冲能量倍增。