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啁啾脉冲放大技术

2017-03-23 21:47阅读:
CPA技术的产生,是源自对更高激光脉冲峰值功率的不断追求。峰值功率的提高受激光增益介质损伤阈值的限制,为了突破109 W瓶颈,人们寻求损伤阈值更高的增益介质,然而效果均不理想,激光峰值功率始终徘徊在1012 W量级。1985年,Rochester大学的Gerard MourouDonna Strickland将雷达中的CPA概念引入到激光领域,改变了这一现状,为脉冲峰值功率的进一步提高奠定了基础
CPA技术的原理:首先利用展宽器(例如衍射光栅、棱镜等色散器件)在初始脉冲进入增益介质之前将其展宽:脉冲中低频成分走的路径要比高频成分要短(正啁啾),脉冲在时间上被拉宽,峰值功率得到降低。展宽器的色散量越大,脉冲被拉宽的程度越高,峰值功率降低越多;随后,展宽脉冲进入增益介质进行放大,由于脉冲已被展宽,可以提取更多的能量而不致使增益介质发生损伤;最后,放大脉冲进入压缩器(色散器件),压缩器的色散与展宽器的色散极性相反,此时放大脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿,放大脉冲被压缩设定脉宽(甚至是傅里叶变换极限脉宽),脉冲峰值功率便能得到极大的提高。
啁啾脉冲放大技术

啁啾脉冲放大系统原理图
CPA系统中,脉冲展宽与再压缩巧妙地避免了增益介质损伤,可使激光聚焦功率密度高达1020 W/cm2量级。展宽器和压缩器的色散量直接决定了脉冲的最大展宽宽度,色散量越大,脉冲在增益介质发生损伤之前能够提取的能量上限越大;压缩器作为CPA系统中最后一级,承载的峰值功率最大,因此,压缩器的损伤阈值高低直接关系整个系统的负载能力大小。
衍射光栅对
CPA系统中最为关键的器件是压缩器与展宽器,其性能影响着激光脉冲能量的提高。棱镜对、光纤以及啁啾镜都是常用的压缩器与展宽器,但是棱镜对色散能力所,光纤能承载的能量小,因而适用于激光驱动器的展宽器或压缩器是衍射光栅对。在高功率激光驱动器中,为了获得近衍射极限的聚焦光斑以提高聚焦功率,脉冲波前往往需要有着很好的品质,因此衍射光栅必须有着很高的表面平整度和尽量小的条纹曲率。然而,这些指标随着衍射光栅尺寸的增大而变得尤为困难。受限于衍射光栅损伤阈值,目前CPA技术能获得高功率密度在1020 W/cm2量级,更高能量的获得只能求助于更大的口径或更多的束数。拍瓦级的激光系统要求衍射光栅的工作区域达到1m×1,制备如此大面积的衍射光栅是对制备工艺的一个极大挑战。
啁啾脉冲放大技术
大功率激光驱动器脉冲压缩原理示意图

英国Vulcan升级10 PW所采用的脉冲压缩器由四块衍射光栅组成,衍射光栅工作中心波长800nm,带宽150nm,预计将纳秒级脉冲压缩到数十飞秒。该光栅口径接近1 m,重约300 kg(连同夹具),每块衍射光栅的安置都需要专门的工程队,而且为了准直的需要,光栅的安装精度要求达到毫米量级,每次调试都需要花费数月的时间。如此大面积的衍射光栅出现损伤的几率和复杂程度也将大大增加,一旦光栅某个小区域出现损伤,整个光栅都需要更换,运行、维护成本极高。
啁啾脉冲放大技术
基于衍射光栅的纳秒脉冲展宽器构型
采用衍射光栅对压缩纳秒量级脉冲的另一个缺点是:装置体积庞大。Mourou设计的纳秒脉冲展宽器,两块衍射光栅G1G2的线对数为1700 line/mm,衍射角度为65o,两光栅间隔3 m,初始脉冲(FWHM脉宽:0.7 ps)在该展宽器中经历四程展宽后,脉宽达到1 ns。在高功率激光驱动器中,衍射光栅的口径往往只是稍大于光束口径,即难以使用两块光栅实现四程展宽,这意味着展宽器的体积将更加庞大。
很显然,如果能寻求到一种损伤阈值更大、色散能力更强的展宽器或压缩器,无论是器件的口径还是体积都能大大缩小,安装、运行以及维护都会变得简单、快捷以及低成本。因此,科学家们在不断改进衍射光栅制作工艺的同时,也在寻求一种新的适用于高能高功率驱动器的脉冲压缩与展宽器件。该器件要求有很高的激光损伤阈值、较低的损耗以及更大的色散能力。
啁啾布拉格光栅
1998年,Galvanauskas等人首次使用啁啾布拉格光栅构建了光纤CPA系统。啁啾布拉格光栅首先将初始脉冲从2 ps展宽到25 ps,在脉冲放大后将展宽脉冲压缩至2.8 ps,压缩效率为30%。该啁啾布拉格光栅的基质材料为氢载锗硅酸盐玻璃,口径为200μm×300μm,厚度为5 mm。值得一提的是,在该实验中展宽器和压缩器均是同一块啁啾布拉格光栅,按照入射方向的不同,啁啾布拉格光栅既能够提供正常色散,又能够同时提供反常色散。这一特性使得基于啁啾布拉格光栅的CPA系统小巧、紧凑。
啁啾脉冲放大技术
基于啁啾布拉格光栅的光纤啁啾脉冲放大系统

2005年,Liao等人利用啁啾布拉格光栅构建了光纤CPA系统,啁啾布拉格光栅的口径为5mm×5mm,厚度为10 mm。如 6所示,啁啾布拉格光栅将初始脉冲从1 ps展宽到100 ps,并利用掺铒光纤放大器将脉冲能量放大至61.5 nJ,最后采用同一块啁啾布拉格光栅将放大脉冲压缩至1 ps该光栅制作采用的材料为无机玻璃材料,损伤阈值高达20 J/cm2(脉宽1ns,中心波长1064nm,有利于降低展宽器和压缩器的通光面面积。

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