超快激光啁啾放大技術(shù)的原理及應(yīng)用

自激光發(fā)明以來(lái)，各種各樣的激光器層出不窮，激光系統(tǒng)向著短脈沖、高功率、高質(zhì)量的方向不斷發(fā)展。在調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)的放大遭遇技術(shù)瓶頸時(shí)，啁啾放大技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文首先介紹了啁啾脈沖放大技術(shù)的相關(guān)背景，并通過(guò)“拆分-放大-聚合”三個(gè)過(guò)程分步介紹了該技術(shù)的基本原理。
接著，我們選舉實(shí)例進(jìn)行分析，分別討論了應(yīng)用啁啾脈沖放大的摻鉺全光纖結(jié)構(gòu)激光器以及雙向脈沖啁啾補(bǔ)償?shù)腡i : A1 2 0 3 激光器，重點(diǎn)分析了其進(jìn)行激光脈沖放大的方式以及對(duì)光束進(jìn)行展寬和壓縮的措施。
最后，我們通過(guò)MATLAB對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模擬啁啾高斯脈沖的影響得出了一些結(jié)論，方便我們更好的理解CPA技術(shù)。

引言

在2018年公布的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了光鑷技術(shù)的Arthur Ashkin，以及啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的Mourou先生和他的學(xué)生Strickland教授。光鑷技術(shù)使得我們可以利用激光固定微小粒子，從而方便對(duì)其進(jìn)行研究處理。啁啾放大技術(shù)援引于雷達(dá)脈沖放大技術(shù)，它能夠縮短激光脈沖寬度，為脈沖峰值功率的進(jìn)一步提高奠定了基礎(chǔ)。
在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著鎖模技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)、啁啾脈沖放大技術(shù)的研究與發(fā)展，激光脈沖寬度不斷被縮短，激光脈沖的峰值功率不斷被提高，因此出現(xiàn)了不同于以往連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光的超快激光，它具有脈沖很短、峰值功率、重復(fù)頻率高和光譜范圍寬的顯著特點(diǎn)，包括飛秒激光在內(nèi)的一系列超快激光技術(shù)目前已經(jīng)深入我們生活的方方面面，成為目前激光領(lǐng)域有發(fā)展前景的研究方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。
在本文中我們著重介紹有關(guān)啁啾放大技術(shù)相關(guān)理論研究，并通過(guò)分析現(xiàn)有超快激光系統(tǒng)進(jìn)而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到適普性結(jié)論。

啁啾脈沖放大系統(tǒng)基本理論

1.1 啁啾放大技術(shù)原理
啁啾脈沖放大技術(shù)主要思想是通過(guò)利用頻率的啁啾，將脈寬展寬后進(jìn)行放大，最后通過(guò)壓縮達(dá)到原來(lái)的寬度，以此達(dá)到提高激光脈沖的峰值功率，壓縮脈沖寬度的目的。
為了方便理解，CPA技術(shù)可以概括為以下三個(gè)步驟：

1.1.1 “拆”過(guò)程
在初始階段，我們利用展寬器對(duì)激光進(jìn)行色散，使得其在初始脈沖進(jìn)入增益介質(zhì)放大之前將其展寬，如圖所示，一束激光出射經(jīng)過(guò)一個(gè)半反半透鏡，透過(guò)的光束經(jīng)過(guò)反射鏡照射在光柵上進(jìn)行分光，于是不同波長(zhǎng)的光束就被分散開(kāi)，脈沖中低頻成分走的路徑要比高頻成分要短，脈沖在時(shí)間上被拉寬，峰值功率得到降低。為了使展寬效果更明顯，我們?cè)儆靡粋€(gè)光柵進(jìn)行反射，通過(guò)反射鏡使光原路返回，這使得不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)的光程差增大。展寬器的色散量越大，脈沖被拉寬的程度越高，峰值功率降低越多。
1.1.2 “放大”過(guò)程
此時(shí)的脈沖脈寬較長(zhǎng)，并且峰值功率較低，我們將其送入激光諧振腔，于是展寬脈沖進(jìn)入增益介質(zhì)得到放大，由于脈沖已被展寬，因此可以提取更多的能量而不致使增益介質(zhì)發(fā)生損傷。
1.1.3 “合”過(guò)程
在得到頻譜較寬并且能量較大的脈沖后，我們使光束再次經(jīng)過(guò)光柵組合（壓縮器）進(jìn)行色散，此時(shí)的壓縮器的色散與展寬器的色散極性相反，即光程差與通過(guò)展寬器分光時(shí)正好相反，放大脈沖中的啁啾可被部分或全部補(bǔ)償。此時(shí)，放大脈沖被壓縮設(shè)定脈寬，脈沖峰值功率得到極大的提高。
在整個(gè)CPA過(guò)程中，我們可以看到脈沖展寬和再壓縮巧妙地避免了增益介質(zhì)的損傷，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應(yīng)，有利于高效吸收增益介質(zhì)儲(chǔ)存能量，極大地提高了脈沖激光的峰值功率。

超快激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)舉例

2.1 應(yīng)用啁啾脈沖放大的摻鉺全光纖結(jié)構(gòu)激光器【14】
前面提到，為了解決激光脈沖在放大過(guò)程中容易由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生畸變這一問(wèn)題，我們采用啁啾脈沖放大結(jié)構(gòu)。而對(duì)于全光纖結(jié)構(gòu)的啁啾脈沖放大系統(tǒng)，最主要的技術(shù)難點(diǎn)在于采用光纖或者相關(guān)結(jié)構(gòu)的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)種子激光脈沖的展寬和放大后高能量激光脈沖壓縮。下面這個(gè)例子中作者實(shí)現(xiàn)了一套基于CPA原理的全光纖結(jié)構(gòu)摻鉺放大器系統(tǒng)，其采用了色散補(bǔ)償光纖和單模光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈沖的正負(fù)色散的控制，精確調(diào)整長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了飛秒帶寬的高功率激光輸出。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖
如圖所示，該裝置使用一個(gè)環(huán)形的光纖振蕩器輸出種子脈沖，環(huán)形腔中使用一段摻鉺單模光纖(EDF)作為增益介質(zhì)。其中偏振相關(guān)隔離器(ISO) 不僅使得激光能夠按照預(yù)定的方向行進(jìn)，還和兩側(cè)的偏振控制器(PC) 一起來(lái)控制鎖模的產(chǎn)生。
在這里，該裝置選用色散補(bǔ)償光纖(DCF)對(duì)振蕩級(jí)輸出的種子激光脈沖進(jìn)行展寬，展寬主要由材料色散、波導(dǎo)色散和折射率分布色散引起。 展寬后的激光脈沖首*入預(yù)放大級(jí)。作者采用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，使用兩個(gè)半導(dǎo)體激光器LD進(jìn)行雙向抽運(yùn)。為了進(jìn)一步提高抽運(yùn)效率，該裝置在預(yù)放大階段加入光纖法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)，使得光束能夠兩次通過(guò)增益介質(zhì)，提高了增益效率。
在主放大級(jí)中作者使用的增益光纖為鉺鐿共摻的雙包層纖(EYDF )，仍是以兩個(gè)半導(dǎo)體激光器 (PLD) 作為抽運(yùn)源，在這一過(guò)程中，預(yù)放大后的光束在主放大級(jí)進(jìn)一步得到放大，隨后經(jīng)過(guò)光纖壓縮器進(jìn)行脈沖壓縮，結(jié)束啁啾脈沖放大過(guò)程。作者還使用一塊 PPLN 晶體對(duì)放大后的激光脈沖進(jìn)行倍頻，得到了中心波長(zhǎng)在780nm的輸出。
在光纖通信【12】中我們了解到光纖對(duì)光脈沖具有展寬作用，反映了光纖存在色散。雖然光纖色散現(xiàn)象對(duì)光纖通信極為不利，導(dǎo)致一系列脈沖碼之間互相重疊，造成傳輸失誤，但是在啁啾放大技術(shù)中光纖的脈沖展寬卻成為其一大優(yōu)勢(shì)。正如在這一裝置中，作者使用光纖進(jìn)行精確色散的控制，保證了光束經(jīng)過(guò)預(yù)放大級(jí)后近似成高斯線性，方便后續(xù)處理。在主放大級(jí)中選擇了鉺鐿共摻的雙包層增益光纖，從而具有更高的泵浦效率和增益。整體裝置結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，能夠輸出高峰值功率和窄脈寬的飛秒激光脈沖。
2.2 雙向脈沖啁啾補(bǔ)償?shù)腡i : A1 2 0 3 激光器【21】

圖3 傳統(tǒng)的線形腔結(jié)構(gòu)以及雙向啁啾補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

自鎖模Ti:A1203激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。（a）為傳統(tǒng)的“z”形折疊腔結(jié)構(gòu),脈沖啁啾為單向棱鏡補(bǔ)償;而( b)針對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，采用了雙向啁啾補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，使得輸出激光脈沖具有更窄的脈沖寬度。
該裝置使用棱鏡進(jìn)行展寬，因此在激光腔內(nèi)，光脈沖的群速色散控制是飛秒激光脈沖產(chǎn)生的關(guān)鍵。其原因在于在時(shí)域范圍內(nèi)，由于光的群速色散的結(jié)果將是激光脈沖的持續(xù)時(shí)間發(fā)生變化，使不存在啁啾的脈沖形成啁啾，從而使光脈沖展寬。
上述裝置中，兩激光器均由色散端輸出，并在腔外進(jìn)行了色散的補(bǔ)償。其中p1,p2,p5~p8為腔內(nèi)色散棱鏡，p3,p4,p9,p10為腔外色散棱鏡。對(duì)于（a）圖所示，假設(shè)腔內(nèi)脈沖在左側(cè)往返經(jīng)過(guò)色三棱鏡后，返回晶體之前的啁啾量為零，此時(shí)可以獲得最窄脈寬。而脈沖經(jīng)過(guò)晶體后將帶有正啁啾，向右往返一次再回到晶體時(shí)脈沖將會(huì)變寬，因此對(duì)于克爾自聚焦效應(yīng)的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于做左側(cè)的無(wú)啁啾脈沖，進(jìn)而需要較高的泵浦功率，也增加了不穩(wěn)定因素；而改進(jìn)后的裝置（b）使得晶體造成的啁啾在激光器兩側(cè)均能得到補(bǔ)償，兩個(gè)方向的脈沖均能夠以較窄的脈寬通過(guò)晶體，對(duì)克爾自聚焦效應(yīng)貢獻(xiàn)相同，因此能夠始終保持無(wú)啁啾脈沖傳輸，降低泵浦功率，提升穩(wěn)定性，也加寬了鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。

基于MATLAB的仿真試驗(yàn)

為了更好地理解啁啾和色散對(duì)于超快激光脈沖的影響，我們以高斯脈沖為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證啁啾對(duì)脈沖的影響[23]。
超短脈沖的光場(chǎng)可以表示成以下公式：

其中 為t時(shí)刻在r處的振幅， 為中心頻率， 為啁啾的影響相位， 為空間位置帶來(lái)的相位變化。我們首先以高斯脈沖為例，在z=0處無(wú)啁啾高斯脈沖為：

對(duì)脈沖的強(qiáng)度和頻率進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)果：

當(dāng)存在啁啾時(shí)，z=0的位置處高斯脈沖可以表示成為：

決定了其屬于上啁啾還是下啁啾。模擬效果如下：

圖5 線性上啁啾高斯脈沖隨時(shí)間變化模擬效果

圖6 線性下啁啾高斯脈沖隨時(shí)間變化模擬效果

總結(jié)

本文重點(diǎn)介紹了能夠產(chǎn)生超快激光的啁啾脈沖放大技術(shù)，先后介紹了其的相關(guān)背景、基本原理、現(xiàn)代研究成果以及相關(guān)應(yīng)用，還通過(guò)MATLAB對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，更加深刻地學(xué)習(xí)了超短脈沖與啁啾之間的關(guān)系。
做為本文的重點(diǎn)概念，我們對(duì)啁啾脈沖放大技術(shù)的操作過(guò)程以及相應(yīng)色散元件進(jìn)行了詳細(xì)分步說(shuō)明，原理概括如下：在脈沖激光放大系統(tǒng)中，高峰值功率的脈沖激光由于自相位調(diào)制、受激喇曼散射等非線性效應(yīng)的作用很容易產(chǎn)生畸變，并且高峰值功率密度極易損壞放大器中增益介質(zhì)和其他透射式光學(xué)元器件。為了解決這一技術(shù)瓶頸，科學(xué)家提出了啁啾脈沖放大技術(shù)。啁啾脈沖放大技術(shù)是在放大之前，用正色散元件將脈沖進(jìn)行時(shí)域展寬。脈沖經(jīng)時(shí)域展寬以后，其峰值功率下降，這樣就能有效地減少脈沖在放大過(guò)程中的非線性效應(yīng)，獲得更高功率的脈沖輸出。放大后的脈沖再經(jīng)負(fù)色散元件進(jìn)行壓縮，就能得到短脈沖的高功率激光輸出。如今基于啁啾脈沖放大技術(shù)的激光器系統(tǒng)已經(jīng)能夠得到高能量和高平均功率的飛秒脈沖，并在世界范圍內(nèi)機(jī)械加工、生物醫(yī)療、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我們有理由相信基于CPA的超快激光一定會(huì)在未來(lái)具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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