基于深度学习的光纤超短脉冲啁啾放大研究

全光纤超短脉冲啁啾放大技术在激光技术和超快光学领域备受关注。针对传统数值方法分析光纤中超短脉冲啁啾放大过程存在计算量大、效率低等问题,采用深度学习方法开展全光纤超短脉冲啁啾放大过程建模研究。首先分析脉冲啁啾参量等参数对超短光脉冲传输过程的影响。预训练设计的深度神经网络模型,分析网络对不同初始脉冲啁啾参量的预测精度,进一步探索了不同初始脉冲半峰全宽、峰值功率和啁啾参量等复杂情况下网络的泛化性及预测精度。本研究拓宽了数据驱动方法在激光行为预测方面的应用,为光纤中超短脉冲的特性研究提供了新思路。

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。

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。

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。

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。

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．

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。

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.

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。

钛宝石飞秒激光的啁啾脉冲再生放大

根据多通放大理论计算分析了再生放大器的激光放大特性，并采用啁啾脉冲放大技术完成了钛宝石飞秒脉冲激光的再生放大实验，获得了２ｍＪ的输出脉冲能量，增益大于１０６，对有关现象作了讨论。

高重复频率高效率光参量啁啾脉冲放大研究

准相位匹配晶体在光参量放大过程具有更大的有效非线性系数,数值分析显示在光参量前级放大过程中就能够提供6.2×106 的高增益饱和放大,参量转换效率大于25%,并基于准相位匹配的参量增益特性给出了一个全二极管激光器泵浦的亚TW级高重复频率OPCPA系统的优化设计。

啁啾脉冲放大激光系统中展宽器色散的解析算法

时域色散精密控制是超短激光产生及其应用中的关键技术之一,它通过控制各波长的光程产生相对延迟从而改变脉冲宽度.展宽器是啁啾脉冲放大激光系统中对激光脉冲展宽的装置,基于光线追迹法研究光线在展宽器中的传输路径,可计算飞秒脉冲中各波长的光程,进而计算脉冲展宽量并应用于系统设计.由于展宽器的光程表达式复杂,直接对其求导获得色散表达式较困难,目前只能采用数值导数获得近似解,这在计算过程中会引入误差,不利于激光系统精确设计和优化.本文介绍了一种易实现的求解展宽器色散的解析算法,通过归纳展宽器光程表达式特点,引入四个基元函数,将光程表达式分解和反复代换,可得到高阶色散的精确解析值.本文首先对Martinez型展宽器重新光线追迹,获得与Offner型展宽器一致的相位表达式,其次通过解析算法获得了两种展宽器的精确高阶色散值,最后将解析算法与数值算法的结果进行了比较.该解析算法对于啁啾脉冲放大系统的参数设计具有实用价值.

从啁啾脉冲放大到强场激光物理——2018年诺贝尔物理学奖解读

1985年,Donna Strickland和Gérard Mourou等提出了啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification,CPA)技术的概念,这是超高峰值功率超短脉冲激光技术发展的一个重要里程碑,直接推动了超强超短激光和强场激光物理等研究领域的诞生。目前,利用CPA技术已经可以获得峰值功率达到10拍瓦(PW,1 PW=10^(15) W)量级的激光脉冲,被认为是"将影响从聚变到天体物理的每一项研究"的成果。也正因此,发明啁啾脉冲放大(CPA)技术的法国科学家Gérard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland,获得了2018年诺贝尔物理学奖。首先,初步介绍了Strickland和Mourou提出的啁啾脉冲放大(CPA)技术;然后,结合上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点室在超强超短激光技术和强场激光物理研究等方面的成果,以及承担的国家重大科技基础设施项目"上海超强超短激光实验装置",简单介绍了Gérard Mourou和Donna Strickland获奖的意义;最后,对相关领域未来发展进行了初步的展望。

基于Herriott型多通结构的块材料展宽与棱栅对色散补偿的啁啾脉冲放大

本文报道了基于块材料展宽与棱栅对压缩的飞秒啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification,CPA)系统.展宽器采用基于Herriott型多通结构的块材料作为色散元件,压缩器采用透射光栅与色散棱镜组合的棱栅对,由于它可以同时提供负的二阶和三阶色散,通过优化光栅刻线与棱镜顶角,可以实现对放大器中材料的三阶色散完全补偿,获得更窄的压缩脉冲.实验中,将展宽后的脉冲注入到环形再生腔中进行放大,放大后的脉冲由棱栅对压缩到39.6 fs,非常接近傅里叶变换极限的35.2 fs.由于采用块材料展宽器和棱栅对压缩器,整个放大系统非常紧凑,可作为后续放大以及超快现象研究的可靠光源.

基于耗散孤子种子的啁啾脉冲光纤放大系统输出特性

以不同滤波器带宽下获得的全正色散光纤激光器耗散孤子作为啁啾脉冲放大(CPA)系统的种子脉冲,研究了光栅对和光纤展宽器CPA系统输出脉冲的可压缩性.结果表明,对于大能量耗散孤子种子脉冲,当CPA系统采用正色散光纤展宽器时,光纤群速色散与自相位调制之间的相互作用不仅可抑制耗散孤子脉冲光谱调制的影响,还可使脉冲在光纤展宽器中自相似演化,从而可提高CPA输出脉冲的可压缩性.通过优化光纤展宽器长度,对于耗散孤子种子源,采用光纤展宽器的CPA系统输出脉冲可压缩性与主脉冲所占脉冲总能量之比均优于采用光栅对展宽器时的情况.