超快激光啁啾放大技術(shù)的原理及應用
超快激光啁啾放大技術(shù)的原理及應用
自激光發(fā)明以來(lái)，各種各樣的激光器層出不窮，激光系統向著(zhù)短脈沖、高功率、高質(zhì)量的方向不斷發(fā)展。在調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)應運而生。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(zhù)，我們選舉實(shí)例進(jìn)行分析，分別討論了應用啁啾脈沖放大的摻鉺全光纖結構激光器以及雙向脈沖啁啾補償的Ti : 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光束進(jìn)行展寬和壓縮的措施。
最后，我們通過(guò)MATLAB對相關(guān)過(guò)程進(jìn)行仿真實(shí)驗，通過(guò)模擬啁啾高斯脈沖的影響得出了一些結論，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)獎頒給了光鑷技術(shù)的發(fā)明者Arthur Ashkin，以及啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的發(fā)明者M(jìn)ourou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，從而方便對其進(jìn)行研究處理。啁啾放大技術(shù)援引于雷達脈沖放大技術(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。
在近半個(gè)世紀以來(lái)，隨著(zhù)鎖模技術(shù)、調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，因此出現了不同于以往連續激光和長(cháng)脈沖激光的超快激光，它具有脈沖很短、峰值功率極高、重復頻率高和光譜范圍寬的顯著(zhù)特點(diǎn)，包括飛秒激光在內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)域最具有發(fā)展前景的研究方向之一，具有廣闊的應用前景。
在本文中我們著(zhù)重介紹有關(guān)啁啾放大技術(shù)相關(guān)理論研究，并通過(guò)分析現有超快激光系統進(jìn)而進(jìn)行仿真實(shí)驗，得到適普性結論。
啁啾脈沖放大系統基本理論
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)壓縮達到原來(lái)的寬度，以此達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(cháng)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，我們再用一個(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(cháng)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(cháng)，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償。此時(shí)，放大脈沖被壓縮設定脈寬，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(xiàn)性效應，有利于高效吸收增益介質(zhì)儲存能量，極大地提高了脈沖激光的峰值功率。
超快激光實(shí)驗系統舉例
2.1 應用啁啾脈沖放大的摻鉺全光纖結構激光器【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(xiàn)性效應產(chǎn)生畸變這一問(wèn)題，我們采用啁啾脈沖放大結構。而對于全光纖結構的啁啾脈沖放大系統，最主要的技術(shù)難點(diǎn)在于采用光纖或者相關(guān)結構的器件來(lái)實(shí)現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)現了一套基于CPA原理的全光纖結構摻鉺放大器系統，其采用了色散補償光纖和單模光纖實(shí)現對激光脈沖的正負色散的控制，精確調整長(cháng)度，實(shí)現了飛秒帶寬的高功率激光輸出。
圖2 實(shí)驗裝置圖
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定的方向行進(jìn)，還和兩側的偏振控制器(PC) 一起來(lái)控制鎖模的產(chǎn)生。
在這里，該裝置選用色散補償光纖(DCF)對振蕩級輸出的種子激光脈沖進(jìn)行展寬，展寬主要由材料色散、波導色散和折射率分布色散引起。 展寬后的激光脈沖首先進(jìn)入預放大級。作者采用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，使用兩個(gè)半導體激光器LD進(jìn)行雙向抽運。為了進(jìn)一步提高抽運效率，該裝置在預放大階段加入光纖法拉第旋轉鏡(FRM)，使得光束能夠兩次通過(guò)增益介質(zhì)，提高了增益效率。
在主放大級中作者使用的增益光纖為鉺鐿共摻的雙包層纖(EYDF )，仍是以?xún)蓚€(gè)半導體激光器 (PLD) 作為抽運源，在這一過(guò)程中，預放大后的光束在主放大級進(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，結束啁啾脈沖放大過(guò)程。作者還使用一塊 PPLN 晶體對放大后的激光脈沖進(jìn)行倍頻，得到了中心波長(cháng)在780nm的輸出。
在光纖通信【12】中我們了解到光纖對光脈沖具有展寬作用，反映了光纖存在色散。雖然光纖色散現象對光纖通信極為不利，導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。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)預放大級后近似成高斯線(xiàn)性，方便后續處理。在主放大級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。整體裝置結構緊湊，工作穩定，能夠輸出高峰值功率和窄脈寬的飛秒激光脈沖。
2.2 雙向脈沖啁啾補償的Ti : A1 2 0 3 激光器【21】
圖3 傳統的線(xiàn)形腔結構以及雙向啁啾補償結構
自鎖模Ti:A1203激光器實(shí)驗裝置如圖所示。（a）為傳統的“z”形折疊腔結構,脈沖啁啾為單向棱鏡補償;而( b)針對其進(jìn)行了改進(jìn)，采用了雙向啁啾補償結構，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，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，由于光的群速色散的結果將是激光脈沖的持續時(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)行了色散的補償。其中p1,p2,p5~p8為腔內色散棱鏡，p3,p4,p9,p10為腔外色散棱鏡。對于（a）圖所示，假設腔內脈沖在左側往返經(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，因此對于克爾自聚焦效應的貢獻主要來(lái)自于做左側的無(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均能得到補償，兩個(gè)方向的脈沖均能夠以較窄的脈寬通過(guò)晶體，對克爾自聚焦效應貢獻相同，因此能夠始終保持無(wú)啁啾脈沖傳輸，降低泵浦功率，提升穩定性，也加寬了鎖模運轉范圍。
基于MATLAB的仿真試驗
為了更好地理解啁啾和色散對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，驗證啁啾對脈沖的影響[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：
對脈沖的強度和頻率進(jìn)行模擬實(shí)驗，得到以下結果：
當存在啁啾時(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(xiàn)性上啁啾高斯脈沖隨時(shí)間變化模擬效果
圖6 線(xiàn)性下啁啾高斯脈沖隨時(shí)間變化模擬效果
總結
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、現代研究成果以及相關(guān)應用，還通過(guò)MATLAB對相關(guān)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，更加深刻地學(xué)習了超短脈沖與啁啾之間的關(guān)系。
做為本文的重點(diǎn)概念，我們對啁啾脈沖放大技術(shù)的操作過(guò)程以及相應色散元件進(jìn)行了詳細分步說(shuō)明，原理概括如下：在脈沖激光放大系統中，高峰值功率的脈沖激光由于自相位調制、受激喇曼散射等非線(xiàn)性效應的作用很容易產(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(xiàn)性效應，獲得更高功率的脈沖輸出。放大后的脈沖再經(jīng)負色散元件進(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，并在世界范圍內機械加工、生物醫療、科學(xué)實(shí)驗等不同領(lǐng)域得到廣泛應用。我們有理由相信基于CPA的超快激光一定會(huì )在未來(lái)具有更加廣闊的應用前景。
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本文轉載自：https://blog.csdn.net/guangdiankj/article/details/103129457
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