啁啾脉冲放大系统中色散补偿的研究

作     者：杨浩 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱江峰;滕浩

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：啁啾脉冲放大 色散补偿 再生放大器 展宽器 压缩器 

摘      要：超快超强激光在强场物理、激光加速器、时间分辨光谱学、激光超精细加工等研究领域有着广泛的应用,而啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)技术是产生超快超强激光的主要途径。在CPA系统中,色散管理贯穿整个系统全过程,良好的色散补偿具有非常重要的作用,甚至决定了CPA系统的最终输出激光指标。本文围绕CPA系统中的色散补偿开展了理论和实验研究。论文的主要研究内容和创新性成果如下:1.从理论出发分析了色散对超短激光脉冲的影响,给出了CPA系统中各模块常见器件的色散量分析和计算,包括透射元件引入的色散以及经典的Martinez型展宽器、(?)ffner型展宽器和光栅对压缩器的基本原理和各阶色散的计算。为了精确补偿CPA系统的色散,介绍了展宽器和压缩器的匹配方案设计。以光栅对压缩器为例,在已知展宽器和放大器中引入的群延迟色散和三阶色散的条件下,推导了光栅对压缩器结构参数的表达式;2.设计并搭建了基于透射光栅的同心展宽器,理论上分析了该展宽器的色散特性,并应用于k Hz钛宝石再生放大器中。采用同心展宽器将钛宝石振荡器输出的飞秒种子光脉冲展宽至百皮秒量级,然后导入钛宝石放大器中进行能量放大,最后采用反射式光栅对补偿色散。利用展宽压缩程式计算了光栅对压缩器的结构参数,最终得到了脉冲宽度为47.5 fs、单脉冲能量为1.5 m J的超短激光脉冲;3.通过模拟计算,棱栅对能同时提供负的群延迟色散和三阶色散,而大多数材料在近红外波段引入的群延迟色散和三阶色散均为正,因此在钛宝石放大器系统中设计了块材料展宽-棱栅对压缩方案。搭建了多通道池块材料展宽器,使用总通光长度为500 mm的H-ZF52A材料,将种子光展宽至15.5 ps。在棱栅对压缩器中,选用1250线/mm的透射光栅和顶角为57.3°的熔石英色散棱镜。为提高透射光栅的衍射效率,以1250线/mm的光栅对应的Littrow角入射棱栅对。经过调节色散棱镜和光栅之间的间距以及棱镜插入量,最终压缩得到脉冲宽度为50.6 fs的超短激光脉冲;4.搭建了10 Hz太瓦级钛宝石放大系统。采用Martinez展宽器将钛宝石振荡器输出的种子光脉冲宽度展宽至250 ps。前级再生放大器将单脉冲能量放大到12.2 m J,主放大器采用六通Bowtie对称结构,将单脉冲能量放大到81.4 m J。采用反射光栅对压缩器压缩后得到单脉冲能量为58.2 m J、脉冲宽度43.7 fs的超短激光脉冲,对应峰值功率为1.3 TW。