封面解读

正本封面体现了啁啾脉冲放大技术的基本原理。种子源输出的飞秒量级脉冲通过光栅基脉冲展宽器进行时域展宽获得纳秒量级的脉冲输出。通过光纤预放大器及大模场面积的光子晶体光纤(亮黄色)主放大器逐步提升激光器的平均功率。采用光栅基脉冲压缩器将激光器的脉宽重新压缩至飞秒量级。图中以"彩虹"包络的宽度和强度近似表示啁啾脉冲的时域宽度和峰值功率。     

展宽器群速度色散的几何光学方法分析

利用几何光学的方法分析推导了啁啾脉冲放大技术中几种典型光栅展宽器的群速度色散 ,给出了解析表达式。结果与Martinez用Fresnel Kirchhoff积分方法获得的群速度色散一致。     

基于光谱控制与色散优化的飞秒啁啾脉冲放大系统

飞秒激光在工业加工、精密测量、军事国防、科学研究等领域具有广阔的应用前景。报道了基于光谱控制与色散优化的高功率、高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大系统。利用与压缩器色散量相匹配的色散可调啁啾布拉格光纤光栅(CFBG)作为展宽器,通过微调CFBG色散量补偿系统的残余色散使整个系统的净色散趋于零;同时引入光谱滤波等手段,保证入射到主放大器之前的脉冲光谱形状不发生畸变,避免了放大过程中脉冲质量的劣化。最终获得了重复频率为50 MHz、平均功率为24 W、脉冲宽度为198 fs的高脉冲质量飞秒激光输出。     

利用等离子体产生超强超短激光脉冲

通过放大输出能量、压缩脉宽是获得极高强度激光脉冲的主要手段,大部分的高功率超短激光器都采用啁啾脉冲放大技术,即使用光栅先展宽脉冲再压缩以获得放大的超短激光脉冲.     

输出大啁啾脉冲的展宽脉冲锁模光纤激光器

报道了一种大啁啾脉冲输出的全光纤展宽脉冲锁模激光器,以非线性偏振旋转(NPR)实现自启动锁模。激光器其余部分为全单模光纤(SMF)结构,提供很大的正色散,光栅对提供色散补偿,输出展宽脉冲。实验中得到了重复频率36.96MHz,单脉冲能量1.81nJ的稳定锁模脉冲序列,使用频谱分析仪观测得到脉冲序列一次谐波信噪比(SNR)达到80dB。直接输出脉冲有很大的正啁啾,脉宽为2.17ps,经过腔外压缩可获得70fs的脉冲。这种能压缩到百飞秒量级的大啁啾脉冲非常适用于光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统。     

线性源啁啾对孤子脉冲压缩的影响

通过线性源啁啾对孤子脉冲压缩影响的研究,发现泵浦脉冲和孤子脉冲的源啁啾参量地脉冲压缩产生重要影响,且孤子脉冲压缩存在最佳光纤长度。在泵浦功率一定的条件下,选取负啁啾的泵浦脉冲正啁啾的孤子脉冲可以获得高压缩因子的光脉冲;同时选取负啁啾的泵浦脉冲和正啁啾的孤子脉冲易于产生更短的压缩光脉冲。     

啁啾脉冲放大系统中单光栅展宽器的优化

计算了啁啾脉冲激光放大系统中单光栅展宽器在入射角大于和小于利特罗角两种入射情况 ,发现对同一飞秒脉冲在相同展宽比条件下 ,入射角小于利特罗角时所需光栅宽度要远小于入射角大于利特罗角时所需的光栅宽度 ,且在入射角小于利特罗角时存在一最佳入射角 ,此时所对应的光栅宽度达到最小值。同时理论分析及数值计算显示 ,在上述条件下入射角小于利特罗角时此单光栅展宽器的等效光栅对间距较入射角大于利特罗角时大为缩短。     

高功率光纤飞秒激光放大器的研究现状与发展趋势

针对高功率光纤飞秒激光放大器,介绍了啁啾脉冲放大(CPA)技术的基本原理,讨论了该结构中关键的展宽器和压缩器的发展现状与瓶颈;介绍了典型的大模场面积光纤的结构和工作原理,简介了基于大模场面积光纤的CPA系统的发展现状;介绍了非线性放大技术,讨论了实现更窄脉冲宽度、更高脉冲质量的光纤飞秒激光放大方案;最后分析了全光纤结构、相干合束、单晶光纤增益介质以及皮秒种子源等新型技术,并总结了高功率光纤飞秒激光放大器的发展趋势。     

高展宽量八通展宽器的设计制作

在啁啾脉冲放大(CPA)技术中,提高展宽器的展宽量能有效地提高激光器的输出能力,而展宽器的展宽量与其构型及参数设计紧密相关,因此可以通过构型的选取及参数的优化来提高展宽器的展宽量。用光线追迹法导出了单光栅单透镜展宽器构型的设计解析式,利用这些解析式可以进行展宽器参数的优化,在此基础上设计制作了高展宽量的八通展宽器,并利用所研制的展宽器,将中心波长为1053 nm的93 fs脉冲展宽到4.35 ns。在该构型展宽器中,通过控制焦平面反射镜处的光强分布可以较方便地进行光谱整形,在实验中得到了和声光色散滤波器整形后类似的中心凹陷的波形。     

压缩器光栅不平行度对色散影响的光线追迹法分析

利用光线追迹方法,对啁啾脉冲激光放大系统中压缩器的色散量进行了计算,分析了压缩器中两光栅不平行度对各阶色散量产生的影响,为压缩器光栅对的调节提供了依据。     

同步抽运源光学参量啁啾脉冲放大飞秒激光系统

啁啾脉冲放大(CPA)技术已被广泛应用在几太瓦(TW)至1000 TW的许多高功率激光系统中.光学参量放大器有着宽的放大带宽,能支持短至几飞秒激光脉冲的无光谱畸变放大.近年来,一种基于光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的飞秒激光系统,已被提出和成功演示.我们实验室正在建造几太瓦级的OPCPA激光系统,该系统要求一台纳秒级的激光装置作为OPCPA系统的抽运源.本文介绍我们已建成的台式高功率倍频Nd∶硅酸盐玻璃激光装置.其输出波长532 nm、脉宽0.5 ns、能量15 J,光束口径为40 mm. 这台Nd∶硅酸盐玻璃激光装置的种子源与OPCPA激光系统一样来自于同一台飞秒1064 nm激光振荡器,它是一台由13瓦的Ar离子激光抽运的自锁模掺钛蓝宝石激光器,产生120 fs、带宽10 nm的1064 nm脉冲列.脉冲列进入一个光栅展宽器,把激光脉冲宽度展宽到0.3 ns水平,然后分出一束作为OPCPA的种子源,另一束进入一台重复频率1 Hz的Nd∶硅酸盐玻璃再生放大器,将脉冲能量从0.5 nJ放大到几毫焦耳,脉冲宽度展宽到0.7 ns. 从再生放大器输出的激光脉冲进入Nd∶硅酸盐玻璃激光放大链进行放大,最后由KDP倍频晶体对输出的1064 nm激光倍频,获得0.5 ns、15 J的绿光.输出的绿光由光学系统导向光学参量放大器,给OPCPA系统的1064 nm的啁啾种子脉冲作同步抽运,同步精度可达数十飞秒量级.(PB6)     

光脉冲色散展宽的光纤光栅透射补偿

分析讨论了利用变迹均匀光纤光栅的透射色散对光纤中传输的脉冲色散展宽进行压缩补偿。给出了啁啾高斯脉冲的补偿原理,计算了相关的曲线和光纤光栅的相应参数。通过选择光纤光栅的不同参数,可以使色散展宽的高斯脉冲经光栅后几乎完全恢复原状或受到进一步压缩。     

百微焦级飞秒光纤激光放大系统

实验研究了基于掺Yb3+光纤的啁啾脉冲放大(CPA)系统。利用半导体可饱和吸收体锁模光纤激光器作为种子源,采用啁啾脉冲放大技术,将波长为1030 nm的脉冲展宽到数百皮秒进行放大。采用多级的掺镱单模光纤和双包层光纤组成预放大器,主放大器采用大模场的掺镱棒状光子晶体光纤作为激光工作物质,实现了重复频率为211 k Hz,功率为50 W的单模皮秒脉冲输出。通过合理地控制放大系统中每一级光纤放大器的增益以及非线性积累量,有效抑制了高能脉冲放大过程中非线性效应对脉冲时域特性的影响。采用反射式光栅对,对输出的放大脉冲进行压缩,最终获得了脉宽为887 fs的激光输出,单脉冲能量达到124μJ,对应峰值功率为139.8 MW,该实验结果为国内首次报道基于光纤结构的百微焦级飞秒激光系统。     

超短及超强脉冲激光研究进展

超短及超强脉冲激光是具有广泛应用的前沿技术，结合国际上有关该研究的最新进展，介绍了最近在周期量级脉冲激光的产生及包络相位测量、红外飞秒镁橄榄石激光研究、高精度飞秒激光同步、350 TW啁啾脉冲放大激光、飞秒激光腔外压缩等方面取得的结果。     

高功率飞秒自相似光纤激光放大系统

基于自相似光纤激光放大技术,通过非线性光谱展宽突破光纤增益带宽的限制,结合高效色散补偿以获得高功率超短脉冲放大输出,最终得到中心波长1030 nm、重复频率40 MHz、平均功率34 W、脉冲宽度50 fs的高质量脉冲输出,对应峰值功率17 MW。该系统采用可饱和吸收体锁模,采用啁啾光纤布拉格光栅补偿腔内色散,相对于啁啾脉冲放大技术具有结构简单、集成度高等优点。实验结合光纤热管理技术和数字测控技术(FPGA),显著提升了系统的稳定性和鲁棒性,极大推动了高功率飞秒光纤激光在下游诸多科学与技术领域的应用。     

光栅对刻线失配对啁啾脉冲时间波形的影响

为了研究啁啾脉冲在光参量啁啾脉冲放大系统中传输时脉冲变化的情况,采用光线追迹法和4阶龙格-库塔法,得到了压缩器光栅对刻线失配对输出脉冲宽度和时间波形的影响的模拟结果。结果表明,当光栅对刻线失配且夹角约在±4°范围内时,若只考虑2阶色散的影响,初始啁啾导致脉冲宽度略小于无初始啁啾脉冲的宽度。当考虑到3阶、4阶及更高阶色散时,脉冲宽度大于种子脉冲的初始宽度。当入射脉冲具有正啁啾时,出射脉宽随夹角α的增大不断增加,但当具有负啁啾时,脉宽随α的增大先减小后再增大。光栅G2顺时针旋转时的脉宽变化与G2逆时针旋转时脉宽变化相同。另外,初始啁啾对出射脉冲出现的预脉冲、尾脉冲有一定的削弱作用,负啁啾对脉冲展宽和失真的影响明显小于相应的正啁啾。     

百微焦飞秒光纤啁啾脉冲放大激光系统

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。     

改进的高功率飞秒脉冲系统理论研究

理论分析了由掺镱光纤放大器、高非线性光纤(HNLF)和光栅对组成的高功率飞秒脉冲产生系统。由于掺镱光纤放大器固有的有限带宽效应会导致脉冲抛物波形和线性啁啾的畸变,影响脉冲的压缩。在放大器和光栅对之间引入高非线性光纤,可以在展宽脉冲频谱的同时也保持波形和线性啁啾。针对高非线性光纤计算了不同的非线性系数和色散参量对压缩脉冲宽度和压缩效率的影响。研究表明,较高的非线性系数可以进一步降低最小压缩脉冲宽度,但是压缩效率随光纤长度增加而下降的趋势也变得越显著;较低的色散参量有利于得到更短的压缩脉冲,并且相对较高色散参量不会显著地降低压缩效率;在一定范围内,通过延长高非线性光纤可以缩短压缩脉冲,同时需要兼顾压缩效率。     

双倍密度光栅的飞秒压缩技术

飞秒激光技术是当前激光前沿领域的发展内容之一,飞秒脉冲的压缩手段更是其中重要的研究内容。在飞秒脉冲的压缩中,必须使用负的色散元件来补偿飞秒激光钛宝石晶体本身所具有的正的色散以实现压缩。现有的负色散补偿技术包括使用以下三种方式:高密度光栅对、棱镜对、啁啾镜。这三种补偿方式各有优缺点,其中,传统的高密度光栅对只能提供较大的色散量,往往用于飞秒脉冲大范围的展宽和压缩;啁啾镜提供的啁啾量较小,成本也太高;棱镜对的色散能力较小,需要较长的工作距离才能有足够的色散量,往往体积庞大,而且也太重。因此,发展一种新型的补偿方…     

光纤中双脉冲传输的频率啁啾及脉冲压缩

对双脉冲在光纤中传输时所满足的非线性耦舍方程进行了理论分析和数值计算,求得了脉冲演化时啁啾参量的一般表达式。结果表明,利用交叉相位调制效应压缩光脉冲时,无论泵浦脉冲还是信号脉冲,其线性源啁啾都对光脉冲的压缩产生重要影响。在泵浦功率一定的条件下,选取负啁啾的泵浦脉冲和正啁啾的信号脉冲易于获得更短的压缩光脉冲。