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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

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物理学报 2022年第11期71卷 171-177页

作者：张鹏滕浩杨浩吕仁冲王柯俭朱江峰魏志义西安电子科技大学光电工程学院西安710071 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190 中国科学院大学物理学院北京100049 松山湖材料实验室东莞523808

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... 详细信息

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.

关键词：啁啾脉冲放大脉冲展宽器棱栅对压缩色散补偿

啁啾脉冲放大技术——从超快激光技术到超强物理世界

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物理 2018年第12期47卷 763-771页

作者：魏志义王兆华滕浩韩海年常国庆中国科学院物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

2018年的诺贝尔奖揭晓,3位科学家因在光学技术领域作出的开创性发明而获得物理学奖。其中Arthur Ashkin教授因为发明光镊技术(Optical Tweezer)分享了一半的奖金;Gérard Mourou教授和Donna Strickland副教授因共同发明啁啾脉冲放大技术... 详细信息

2018年的诺贝尔奖揭晓,3位科学家因在光学技术领域作出的开创性发明而获得物理学奖。其中Arthur Ashkin教授因为发明光镊技术(Optical Tweezer)分享了一半的奖金;Gérard Mourou教授和Donna Strickland副教授因共同发明啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification,CPA)分享了另一半奖金。作为突破高强度激光发展瓶颈的重大技术创新,CPA技术自发明以来一直是激光物理研究、特别是超快激光研究的核心技术。文章将主要简述该技术发明的相关背景、原理、结构及所导致的激光进展和开拓的超强物理应用。

关键词：飞秒啁啾脉冲放大超快激光超强激光诺贝尔物理学奖

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啁啾脉冲放大系统中色散补偿的研究

啁啾脉冲放大系统中色散补偿的研究

作者：杨浩西安电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：啁啾脉冲放大色散补偿再生放大器展宽器压缩器

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百微焦飞秒光纤啁啾脉冲放大激光系统

中国激光 2021年第7期48卷 1-10页

作者：赵其锴丛振华刘兆军张行愚赵智刚山东大学信息科学与工程学院山东青岛266237 山东省激光技术与应用重点实验室山东青岛266237

报道了一套基于棒状光子晶体光纤放大器的高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大激光系统。该系统主要由锁模光纤振荡器、脉冲展宽器、脉冲选单单元、脉冲延时单元、掺镱光纤预放大器、棒状光子晶体光纤主放大器以及光栅压缩器组成。通过精细调节... 详细信息

报道了一套基于棒状光子晶体光纤放大器的高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大激光系统。该系统主要由锁模光纤振荡器、脉冲展宽器、脉冲选单单元、脉冲延时单元、掺镱光纤预放大器、棒状光子晶体光纤主放大器以及光栅压缩器组成。通过精细调节展宽器和压缩器中的光栅位置及入射角度优化系统的色散,当输出脉冲的重复频率为500 kHz时,获得了平均功率为51.5 W、单脉冲能量为103μJ、脉冲宽度为251.7 fs的高脉冲质量高稳定性的飞秒激光输出。在1 MHz的重复频率下,获得了平均功率为61.5 W、脉冲宽度为273 fs的高脉冲质量飞秒激光输出;使用偏硼酸钡(BBO)晶体进行非线性频率变换,获得了平均功率超过20 W的517 nm绿光激光输出。

关键词：激光器光纤激光器啁啾脉冲放大飞秒激光超快激光

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啁啾脉冲放大系统展宽压缩器各阶色散分析

强激光与粒子束 2008年第11期20卷 1877-1882页

作者：刘兰琴彭翰生魏晓峰朱启华中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

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... 详细信息

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。

关键词：啁啾脉冲放大展宽器压缩器色散解析式光线追迹

基于耗散孤子种子的啁啾脉冲光纤放大系统输出特性

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物理学报 2016年第8期65卷 136-143页

作者：时雷马挺吴浩煜孙青马金栋路桥毛庆和中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省光子器件与材料重点实验室合肥230031 中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所北京100029

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... 详细信息

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.

关键词：耗散孤子啁啾脉冲放大脉冲展宽脉冲压缩

高能量飞秒掺铒光纤啁啾脉冲放大及其倍频780 nm激光研究

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高能量飞秒掺铒光纤啁啾脉冲放大及其倍频780 nm激光研究

作者：司广阔北京工业大学

学位级别：硕士

780 nm波段飞秒激光以其超快作用时间、极强的峰值功率和高单光子能量等特点在科学研究和工业加工发挥着重要的作用。目前,在780 nm波段产生高能量飞秒脉冲激光的主要方式是钛蓝宝石激光器,但其存在整体外形笨重、价格昂贵、对使用环境... 详细信息

780 nm波段飞秒激光以其超快作用时间、极强的峰值功率和高单光子能量等特点在科学研究和工业加工发挥着重要的作用。目前,在780 nm波段产生高能量飞秒脉冲激光的主要方式是钛蓝宝石激光器,但其存在整体外形笨重、价格昂贵、对使用环境要求苛刻等问题,因此多用于实验室超净间环境,难以走向更多复杂的应用场合。将飞秒掺铒光纤激光系统输出的1560 nm激光倍频至780 nm波段,是产生该波段飞秒脉冲的另一有效途径。凭借全光纤结构飞秒激光器具有高重复频率、高光束质量、高集成度、低成本等方面的优势,以及掺铒光纤飞秒系统输出能量和倍频效率不断提高,使得全光纤结构飞秒激光器及其倍频系统有望在一些应用领域取代钛蓝宝石激光器。本论文以研制高能量飞秒掺铒光纤啁啾脉冲放大及其倍频780 nm激光为研究目标,系统的开展了包括超快掺铒光纤振荡器、高能量光纤啁啾脉冲放大系统、高能量倍频系统等方面的研究。以下为本论文的主要研究内容:1.全光纤结构超短脉冲光纤振荡器理论和实验研究开展了飞秒光纤激光器锁模机制的理论研究,对飞秒脉冲动力学方程在不同类型的被动锁模光纤激光中的求解进行了详细介绍;搭建了基于非线性偏振演化的虚拟饱和吸收体锁模激光器,实现了中心波长为1563.33 nm,重复频率为4.37 MHz,脉冲宽度为1.2ps的激光输出,并对其锁模机制进行了理论模拟;搭建了基于半导体可饱和吸收镜的实体可饱和吸收体被动锁模光纤激光器,实现了中心波长为1559.03 nm,脉冲重复频率为59.7MHz,脉冲宽度为960 fs的激光输出。2.高能量飞秒掺铒光纤啁啾脉冲放大系统实验研究介绍了几类常用的脉冲展宽器与脉冲压缩器,并对其工作机理进行对比和分析;采用色散补偿光纤作为脉冲展宽器,透射式衍射光栅对作为压缩器,搭建了高平均功率全保偏掺铒飞秒光纤激光器,实现了中心波长为1560.29nm、平均功率为3.5 W、重复频率为59.7 MHz、脉冲宽度为235 fs的飞秒光纤激光器输出;为实现高脉冲能量的激光输出,采用自制的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)作为展宽器,保偏声光调制器(PM-AOM)为脉冲选择元件、透射式衍射光栅对作为脉冲压缩器,搭建了高脉冲能量全保偏掺铒飞秒光纤激光器,实现了中心波长为1559.36 nm、脉冲重复频率为1.03 MHz、平均功率为3.02 W、脉冲宽度为640 fs的飞秒激光输出。3.PPLN晶体倍频产生高能量飞秒780 nm激光研究利用Matalab数值模拟了飞秒脉冲倍频前后的光谱和时域变化,以及温度对倍频效率的影响;搭建了一种以高平均功率全保偏掺铒飞秒光纤激光器作为基频光源的倍频系统,用于产生偏振稳定的780 nm波段飞秒脉冲,实现了平均功率为1.232 W,脉冲宽度为223 fs,重复频率为59.7MHz、脉冲能量为20.6 nJ的飞秒脉冲输出;为了获得高脉冲能量的780 nm飞秒脉冲输出,以高脉冲能量全保偏掺铒飞秒光纤激光器作为基频光源,通过优化倍频系统装置,实现了平均功率为0.46 W,脉冲宽度为620 fs,重复频率为1.03 MHz、脉冲能量为0.44 μJ的飞秒脉冲输出。

关键词：飞秒脉冲高能量啁啾脉冲放大倍频 780nm

反射式棱栅对展宽器用于啁啾脉冲放大激光的研究

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物理学报 2013年第9期62卷 152-158页

作者：郭淑艳叶蓬滕浩张伟李德华王兆华魏志义中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190

在啁啾脉冲放大(CPA)系统中,脉冲的展宽是实现安全有效放大的重要保证.本文介绍了一种新型的由色散棱镜与光栅组合而成的反射式棱栅对展宽器.并利用光线追迹法对色散进行了数值模拟,测量实验结果验证了理论计算的正确性.在此基础上,分... 详细信息

在啁啾脉冲放大(CPA)系统中,脉冲的展宽是实现安全有效放大的重要保证.本文介绍了一种新型的由色散棱镜与光栅组合而成的反射式棱栅对展宽器.并利用光线追迹法对色散进行了数值模拟,测量实验结果验证了理论计算的正确性.在此基础上,分析了以棱栅对为展宽器和ZF7玻璃材料为压缩器的下啁啾(down-chirped)脉冲放大系统中的色散比较传统的上啁啾脉冲放大系统,结果表明棱栅对可以同时提供负的二阶色散和三阶色散,这样能更好地补偿放大器中材料的高阶色散,从而获得近傅里叶变换极限的压缩脉冲.此外以块材料作为压缩器不仅提高了传输效率,而且简化了实验装置,增强了系统的稳定性.这样的展宽压缩组合在高重复频率的飞秒啁啾脉冲放大系统中具有明显优势.

关键词：反射式棱栅对啁啾脉冲放大色散飞秒脉冲

基于抛物线演化的宽光谱光纤啁啾脉冲放大系统

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光子学报 2022年第11期51卷 124-131页

作者：杜李靳翠红杨直崔玉栋浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室杭州310027 中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 华中科技大学武汉光电国家研究中心武汉430074

为了满足光纤激光器在宽光谱高能量应用领域的要求,搭建了一种结构紧凑的光纤型宽光谱啁啾脉冲放大系统。将色散管理型锁模激光器产生的高斯型脉冲作为种子源,注入到正色散掺铒光纤放大器中进行自相似放大,脉冲将逐渐演化成抛物线型,此... 详细信息

为了满足光纤激光器在宽光谱高能量应用领域的要求,搭建了一种结构紧凑的光纤型宽光谱啁啾脉冲放大系统。将色散管理型锁模激光器产生的高斯型脉冲作为种子源,注入到正色散掺铒光纤放大器中进行自相似放大,脉冲将逐渐演化成抛物线型,此过程中脉冲的谱宽和能量都迅速增大。随后脉冲经色散补偿光纤的时域展宽,双包层铒镱共掺光纤的功率放大,透射光栅对压缩后实现了高能量的宽光谱输出。并结合理论模拟,优化了激光器的各元件参数,最终在中心波长1 560 nm处实现了光谱宽度为30 nm,平均功率为1.3 W,脉宽为587 fs,重复频率为40.1 MHz的宽光谱高能量激光输出。该激光器结构紧凑,稳定性好,对光学频率梳、光通信等应用领域具有一定研究价值。

关键词：啁啾脉冲放大自相似放大宽光谱掺铒光纤铒镱共掺光纤