超短脉冲第六章

1. 优点：
1) 高效率： 小信号能量放大倍数可达106至107；几十pJ到几 nJ的种子脉冲放大到几mJ至数十mJ。
2) 高光束质量：再生放大器本身模式可以调到标准的TEM00模。 如果入射的种子脉冲的模式与再生放大器的腔模相吻合, 则输 出脉冲的模式也可以是很好的TEM00模。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 2. 四分之一波电压再生放大器：
TFP（薄膜偏振片）:只对 某一方向的偏振光反射,对 另一方向的偏振光透射.
PC（Pockels Cell普克尔 盒）：加四分之一波长电 压以后作用相当于四分之 一波片。
再生放大器谐振腔1: 高重复频率低能量型
四分之一波片:偏振光一次 通过变成圆偏振，两次通 过改变偏振方向。
再生放大器谐振腔1: 高重复频率低能量型
PC放在腔的一端, 要求电压的 上升沿几乎等于整个腔内往复 时间。假定腔长仍为1.5-m, 此 时要求电压的上升沿为<8-ns。 电压也只需半波电压的一半。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 3. 半波电压再生放大器
PC加半波电压, 即普克 尔盒变为半波片。
6.2.1 自相位调制
6.2.2 自聚焦
由于非线性非谐振折射率造 成的频率变化是
(t) kn2
z I(t, z' )dz' 0 t
非谐振折射率变化总是在频 率中心导致“上啁啾”。
自聚焦长度定义
LSF (t )
0.5 0
P(t) / Pcr 1
光的能量在钛宝石激光器中达 到饱和时, LSF 只有几cm。
Advantages: eliminate nonlinear self-
focusing
Hale Waihona Puke improve amplification
quality and
t
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器（Regenerative Amplifier, Regen）
Faraday rotator
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 2. 四分之一波电压再生放大器：
放大过程：（1）垂直偏振的种 子 经过两次四分之一波片变成
水平偏振。（2）被反射回来的 脉冲第二次通过普克尔盒的瞬 间, 普克尔盒施加于四分之一波 长电压 ，则返回的脉冲偏振方
向仍为水平偏振。 （3）反复 经过放大介质能量达到最大值, 将脉冲倒出腔。
显示输出波形对输入波形的依赖关系。 a. 高斯波形。b. 双曲正割波形。c. 含有尾部 的非对称高斯波形.虚线对应于入射脉冲。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.1 放大器中的脉冲成型
6.1.2 增益窄化
被放大的脉冲的频谱宽度超过一 定限度, 或者说达到与增益饱和 带宽相比拟时，放大后的脉冲带 宽是否保持得住原来的带宽？
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3 啁啾脉冲放大器
Short pulse oscillator
t
Dispersive delay line
G. Mourou and coworkers 1985
CPA is THE big development.
Chirped-pulse amplification in-
t
Solid state amplifier(s)
volves stretching the
pulse before amplifying it,
and then compressing it later. t
We can stretch the pulse by a factor of 10,000, amplify it, and then recompress it! Pulse compressor
答案：不同的光谱分量得到不同 的增益。因为每种增益介质都有 有限的带宽,放大就必然伴随一个 光谱窄化过程。
应用可编程声光色散滤波器对种 子脉冲整形补偿增益窄化。物理 学报 2005, 54(6):2764
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.2 放大器中非线性折射率的影响
强脉冲在传播和放大过程中会引起折射率的变化。因此脉冲中 各频谱分量通过介质的长度会不一样,导致可能的自相位调制 和自透镜效应
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.1 放大器中的脉冲成型
6.1.1 增益介质的饱和
增益介质的饱和影响依赖于时
间的放大系数。随着增益的饱 和, 产生相位调制。相位调制不 直接改变脉冲的包络, 但改变脉 冲在介质中的传播过程。
饱和作用有利于产生比较陡的 脉冲前沿，脉冲中心向前移动。 放大后脉冲的两翼对输入脉冲 波形非常敏感。如果要减少脉 冲的放大中的脉冲展宽或者获 得更窄的脉冲，输入脉冲波形 最好前沿陡一些。。
Two regens.
Pockels cell thin-film polarizer
The design in (a) is often used for kHzrepetition-rate amplifiers and the lower (b) at a 10-20-Hz repetition rate.
The Ti:sapphire rod is usually ~20-mm long and doped for 90% absorption.
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器
再生放大器是把种子脉冲吸入放大器腔内,待种子脉冲在腔内 多次往复被放大到最大能量时,再将脉冲倒出腔外。再生放大 器本身也是一个调Q脉冲激光器。
再生放大器谐振腔1: 高重复频率低能量型 有两个出入口, 可以把入射光和出射光分开
脉冲的入射与出射完全 取决于施加于普克尔盒 电压的时间。电压的上 升沿至少要小于半个腔 内往复时间, 如果PC是 放在腔的正中的话。假 设腔长为1.5m, 腔内往 复时间就是10ns, 因此 要求电压的上升沿为 <5ns。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 4. 脉冲在再生放大器腔内的演化
(a)脉冲在再生放大器中的演变；(b)当脉冲在腔内达到最大值时，将脉 冲导出腔外。(c)单脉冲输出。探测器为Diode。 种子脉冲能量2nJ, 100fs,脉冲经过腔内15个循环放大达到饱和，放大后 的脉冲能量为每脉冲1mJ。