第十二讲 啁啾脉冲放大器
啁啾脉冲激光放大系统中的色散研究课件
采用色散元件将展宽器及 其它光学元件产生的色散 进行补偿，从而实现对脉 冲宽度的压缩（负色散）
啁啾脉冲激光放大系统中的色散研究
4
衍射光栅
基于衍射光栅的纳秒脉冲展宽器构型
基于啁啾布拉格光栅的光纤啁啾脉冲放大系统
啁啾脉冲激光放大系统中的色散研究
5
Proctor－Wise型双棱镜对
Proctor－Wise型双棱镜对结构图
激光在棱镜间传播的过程中，短波成 分经过的空间几何路径较长，而长波 部分在棱镜中的光程较长，因此该双 棱镜对既可以提供正色散，也可以提 供负色散，如果2、3棱镜之间的距离 足够长，系统即可提供负色散补偿， 通过改变棱镜的插入量即可简单有效 地改变色散量。
赵啁环啾.脉啁冲啾激脉光放冲大激系光统中放的大色系散研统究中的色散研究[J].宇航计测技术,2013,33(1)6:23-30
脉冲在放大过程中经历的色散有两部分的贡献，一是光学元件色散，如增益介质 和光学玻璃(透射) 引入的色散; 二是色散元件引入的色散，如光栅、棱镜对引入 的色散。
展宽器
放大器
压缩器
引入正色散将种子脉冲进
行展宽，这样在放大过程 中脉宽始终是增加的
展宽后的脉冲在放大过程 中获得的是正色散(例如增 益介质和镀膜引入的正色 散)
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，脉冲峰值功率便能得到极大的提高。
3
展宽器和压缩器
正色散——长波部分速度快，渐渐超前，短波部分速度慢，渐渐落后 负色散——长波部分落后，短波部分超前。
谈2018年诺奖中的啁啾脉冲放大技术
谈2018年诺奖中的啁啾脉冲放大技术2018年诺贝尔物理学奖除给了光镊发明者Arthur Ashkin，另一部分给了啁啾脉冲放大技术（CPA）的发明者Mourou先生和他的学生Strickland教授。
既出人意料，也在意料之中。
飞秒激光脉冲的放大，在很长时间内是令人头痛的问题。
主要问题是，极短的脉冲不利于吸收放大介质中的能量，和高峰值功率极易破坏放大器中的光学元器件。
对后者，简单的解决方法是，将脉冲的光束截面扩大，以减少单位面积内的脉冲能量和功率。
可是，面积的扩大可能会带来泵浦能量密度的减少，更不利于吸收增益介质储存的能量。
而且，光束面积的扩大是有限的。
Mourou先生及其学生Strickland，联想到雷达放大技术。
雷达脉冲放大，就是利用雷达脉冲的宽带频谱，把雷达脉冲调制为频域的啁啾（类似鸟的叫声），在时域就是脉冲的展宽，再放大，以避免高峰值功率破坏的。
能不能把这个技术移植到激光脉冲放大呢？因为飞秒激光脉冲本身也对应着非常宽的光谱。
利用色散技术（不同的波长速度不同），将脉冲在时域展宽，然后再放大，不就既能避免放大中的光学损伤，又能更有效地获取增益了吗？接下来的问题是，介质材料的色散实在太小，有限长度内展宽不了多少。
所幸的是，时间已至1980年代中期，光纤技术已经成熟。
用光纤啊！于是，他们就用几公里的光纤，把脉冲展宽到了几百皮秒。
后面的放大就顺理成章了。
因为是利用频率的啁啾将脉冲展宽再放大的，这种技术就被命名为啁啾脉冲放大技术（chirped pulse amplification，CPA）。
放大后，脉冲再压缩原来的宽度。
但是发现，因为高阶色散的失配，光纤展宽后的脉冲再压缩并非完美。
直到光栅脉冲展宽器发明，光纤脉冲展宽器才被淘汰（当然有的场合还在用），脉冲压缩才逐渐完美。
这是后话了。
这个发明可不得了。
飞秒脉冲的峰值功率从原来的千瓦级，一下子就蹿升到了兆瓦（106W），到太瓦（10^12W），直到现在的拍瓦（1015W）【见下图】。
第十二讲 啁啾脉冲放大器电子版本
560 TW OPCPA by Russia
Main Routes for Petawatt laser
•CPA based on Ti:Sapphire: 800 nm wavelength; broad
bandwidth (30 fs), repetitive (0.1 Hz); 30 J
•CPA based on Nd:glass: 1053 nm, 400 fs, >200 J, one
3.08 ns
Diffraction-grating pulse compressor
The grating pulse compressor also has negative second-order phase.
Grating #2
d2 d 2 0
03 2c2d
2
Lsep
cos2 (' )
t = t [d/d]–1 = 0.44 [d/d]–1 = 0.44 2/c0
where we’ve neglected the minus sign since we’re computing the bandwidth, which is inherently positive. So the bandwidth is:
shot per hours;
• OPCPA based on KD*P: 40-80 fs; 910 nm or 1053 nm,
35 J; single shot
Petawatt example: petawatt hybrid OPCPA-Glass laser-Texas
Petawatt scheme
where d = grating spacing (same for both gratings)
堆积脉冲光参量啁啾脉冲放大器
堆积脉冲光参量啁啾脉冲放大器
李晓莉;石顺祥;赵卫;刘红军
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2010(39)7
【摘要】以自启动被动锁模掺镱光纤堆积脉冲激光器为种子源,采用非共线相位匹配的方法,进行了光参量啁啾脉冲放大器的实验研究,得到了两级放大总增益为1.1×107,单脉冲能量为11mJ,能量稳定性小于2%rms,8nm的放大谱宽.实验结果表明,采用这种结构的光参量啁啾脉冲放大器,放大增益高,系统稳定、结构紧凑、便于调节,同时通过调节种子源中的堆积器,可以得到不同宽度的放大信号脉冲.
【总页数】4页(P1235-1238)
【关键词】激光放大器;参量振荡器与放大器;超快激光;超快技术
【作者】李晓莉;石顺祥;赵卫;刘红军
【作者单位】西安电子科技大学技术物理学院;中国科学院西安光学机密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
【相关文献】
1.稳定高质量光参量啁啾脉冲放大系统优化设计 [J], 邓青华;刘勇;丁磊;谢旭东;唐军;高松;陈远斌;陈林;刘建国;王正辉;卢振华
2.光参量啁啾脉冲放大过程中脉冲特性理论研究 [J], 黄小军;张树葵;袁晓东;王晓
东
3.基于光束偏转的扫描式宽带光参量啁啾脉冲放大 [J], 叶荣;钟哲强;吴显云
4.高效三通光参量啁啾脉冲放大器 [J], 李晓莉;石顺祥;刘红军;赵卫
5.基于Ti∶sapphire振荡源的光参量啁啾脉冲放大器 [J], 李晓莉;石顺祥;刘红军;王红英;赵卫
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2018诺贝尔物理学奖评论：啁啾脉冲放大技术为什么这么重要？（推荐5篇）
2018诺贝尔物理学奖评论：啁啾脉冲放大技术为什么这么重要？（推荐5篇）第一篇：2018诺贝尔物理学奖评论：啁啾脉冲放大技术为什么这么重要？2018诺贝尔物理学奖评论：啁啾脉冲放大技术为什么这么重要？2018年10月2日下午，有着近300年历史的皇家瑞典科学院揭晓了2018年诺贝尔物理学奖。
获奖的三位科学家在激光物理领域取得了开创性发明。
奖项的一半授予美国贝尔实验室的Arthur Ashkin，表彰他所发明的光镊技术，并将此技术应用于生物体系。
另一半被法国籍科学家Gérard Mourou（法国巴黎综合理工学院教授、美国密歇根大学名誉教授）和他的学生Donna Strickland（加拿大滑铁卢大学副教授）所分享。
他们提出的啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification, CPA）正是现在产生超强超短脉冲激光的独创性方法。
这里，我们来聊一聊产生超强超短激光脉冲的啁啾（zhōu jiū）脉冲放大技术。
自1960年美国加州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了第一束激光以来，激光技术早已融入日常生活。
无论是老师上课时手持的激光笔，还是耗资数十亿欧元、长度超过3公里的欧洲自由电子激光装置，各种激光器遍及工业、通讯、科学及娱乐领域。
激光物理中定义的超短脉冲是指时间尺度小于皮秒量级（1 ps = 10-12 s）的电磁脉冲。
照相机所使用的闪光灯，闪一次的时间大约是百分之一秒（0.01 s）。
如今超短激光脉冲的闪亮时间早已达到飞秒（1 fs = 10-15 s），甚至阿秒（1 as = 10-18 s = 0.***001s）量级。
众所周知，功率的单位是瓦特W，1 W = 1 J / 1 s。
当激光脉冲的能量越大，激光脉冲的时间尺度越短，对应的峰值功率就越大（即增大分子，缩小分母）。
为了获得极高的峰值功率，科学家不仅需要缩短激光脉冲的时间尺度，同时还需不断放大激光脉冲的能量。
超强超短激光技术的革新时刻推动着高能物理、聚变能源、精密测量、化学、材料、信息、生物医学等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。
啁啾脉冲放大
Introduction to Chirped Pulse Amplification 北京邮电大学 尹龙飞
1
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
2018年， Donna Strickland 及其导师 Gerard Mourou 因啁啾脉冲放大技术 上的贡献共同获得诺贝尔物理学奖。
对于课程中的无失真传输系统，为保证各频率分量时 延相同，系统相频响应特性需满足线性相位条件；那 么对于光脉冲啁啾系统，需让不同频率分量产生不同 的时延，其相频响应特性应满足什么条件？
3.总结
• 啁啾脉冲放大 • 线性增益，非线性增益 • 线性调频 • 光脉冲啁啾
学好信号与系统 低通高通路路通
北京邮电大学信号与系统 智慧教学研究组
CPA 技术针对这一问题： ✓ 先将激光脉冲在时域展宽，使其
瞬时功率下降； ✓ 然后放大，这样能够获得较大增
益； ✓ 最后再将脉冲在时域压缩，进一
步增大功率。
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
具有高瞬时功率的超短脉冲激光：
近视手术
核光学
1985年， Donna Strickland 实现并报道
了CPA 技术，将当时的激光峰值功率提
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
线性调频/啁啾信号：指瞬时频率随时间成线性变化的信号
单频信号：f1 (t ) = cos (0t )，角频率为常数 啁啾信号：f2 (t ) = cos (0 + t ) t ，角频率随时间线性变化
定义瞬时角频率 (t )：信号三角函数相位随时间的导数。
1
(
t
)
=
d dt
粒子
高了3个数量级。
加速
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
十二 啁啾脉冲放大器PPT课件
t = t [d/d]–1 = 0.44 [d/d]–1 = 0.44 2/c0
where we’ve neglected the minus sign since we’re computing the bandwidth, which is inherently positive. So the bandwidth is:
.
23
Petawatt scheme
.
24
OPCPA scheme
.
25
Nd:glass hybrid amplifier
.
26
Suppression gain narrowing by hybrid amplification
.
27
Compression grating
.
28
Results
.
3
CPA: Why?
1. Efficient amplification 2. Avoid optical damage in amplification
medium due to high optical intensity 3. Reduce the nonlinear effect in Nhomakorabeamedium
.
4
Pulse stretching by grating pair
.
5
Pulse to be strecthed due to GDD
30 fs + 109 fs2
3.08 ns
.
6
Diffraction-grating pulse compressor
The grating pulse compressor also has negative second-order phase.
啁啾脉冲激光放大的理论与数值模拟分析
啁啾脉冲激光放大的理论与数值模拟分析蔺玉珂;李建平【摘要】为了比较啁啾脉冲在均匀加宽与非均匀加宽介质中传输的特性,采用分步傅里叶方法进行了理论分析和实验验证,得到了增益窄化、增益饱和、自相位调制效应对脉冲在两种不同介质中频域、时域的演化特征曲线.结果表明,在非均匀加宽介质中,增益窄化效应更加明显,而且增益饱和效应得到了很好抑制,两种加宽介质中脉冲的频谱都起到了拓宽作用,非均匀加宽介质中的频谱比较对称,而均匀加宽介质中的频谱出现了畸变.这一结果对研究啁啾脉冲在综合加宽介质中传输特性是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)006【总页数】4页(P770-773)【关键词】非线性光学;啁啾;分步傅里叶方法;均匀加宽;非均匀加宽【作者】蔺玉珂;李建平【作者单位】重庆电子工程职业学院,通信工程系,重庆,401331;北京邮电大学,信息光子学与光通信研究院,北京,100876【正文语种】中文【中图分类】O437引言惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)中对激光放大器系统不仅要求具有足够多的驱动能量，而且要求激光光束具有极高的光束质量，它不仅对光束的空间特性有很高的要求，而且对脉冲的时间特性同样具有严格的要求。
光束质量也是强激光光束变换的一个重要的研究对象，这就需要研究激光脉冲在放大介质中的传输与放大情况，其中介质中非线性效应、增益分布和色散是影响光脉冲传播特性的3个基本因素。
在皮秒光脉冲有限传播有限传播距离内，群速度色散和增益色散的影响可以不考虑[1]。
因此，非线性效应、增益分布因素的研究对如何得到高能量高质量的激光脉冲具有重要的意义。
目前，啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,CPA)[2]已经成为高功率激光放大器中应用最广泛的技术，它可以在增益介质中提取足够的能量，同时尽可能地降低非线性效应对脉冲的影响。
兹展宽器的啁啾脉冲放大器特性研究
自从啁啾脉冲放大 （ ()*） 技术发明以来， 飞秒 脉冲的峰值功率已可达太瓦级
［%—!］
! 对一个 ()* 系
统而言， 主要目标是得到高的峰值功率和窄的脉宽 ! 展宽、 放大、 压缩 ! 当输入脉冲在 ()* 系统有三部分： 通常认为压缩器可以完全补偿展宽器 %""34 以上时， 例如 $"34 左右 和材料的色散， 但当脉宽小于 %""34， 时， 展宽器球面镜的色差和球差对系统带宽影响很 大 ! 减小展宽器像差引起的色散和减小材料色散是 控制系统色散的两种方法 ! 为了减小展宽器像差引 起的色散， 研究人员设计出了无像差展宽器 （欧浮纳
关键词：马丁内兹展宽器， 啁啾脉冲放大系统， 相位修正因子， 优化
!"##：,$-’.，,$%’/
本文从始至终保留了相位修正因子项， 给出了
%2 引
言
使用马丁内兹展宽器 （ ()*） 系统的相位解析表达 式， 用此公式讨论了展宽器中各参数对系统的影响， 并用此方法优化了实际的 ()* 系统 ! 这不仅是为了 与椎希模型相同， 更是为了系统的自洽 ! 本文暂时没 有考虑再生腔的谱宽和增益窄化效应对系统脉宽的 影响 2 为解决这些问题， 人们采用了一些其他方法， 这里不再赘述 !
资助的课题 2 ,%!%11）
/1"
物
理
学
报
/" 卷
根据文献 ［!］ ， 压缩器的群延迟之所以用表达式 ! " # 是因为有一个相位修正因子抵消光程 ! 中的导数 项， 这个因子为 （ （(） ’ $" !%& $%& ! $ "） 同样， 在单光栅展宽器中也应该有此项 ’ 因此单光栅
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Chirped pulse amplication (CPA) Pulse stretching method Pulse compression Regenerate amplification Multiple amplification Gain narrowing Optical parametric CPA Petawatt laser example
•CPA based on Nd:glass: 1053 nm, 400 fs, >200 J, one
shot per hours;
• OPCPA based on KD*P: 40-80 fs; 910 nm or 1053 nm,
35 J; single shot
.
Petawatt example: petawatt hybrid OPCPA-Glass laser-Texas
四分之一波电压放大器
.
Regenerate amplifier
半波电压再生放大器
.
Optical Isolator
Function: (1) avoid the amplifed light feeding back to oscillator (2) Split seeding and amplified beam
.
Laser intensity evolution
CPA Lasers
引自G. Mourou
.
ICUIL 2008
Chirped pulse amplification Scheme
.
CPA: Why?
1. Efficient amplification 2. Avoid optical damage in amplification
3.08 ns
.
Diffraction-grating pulse compressor
The grating pulse compressor also has negative second-order phase.
Grating #2
d2
d
2
0
2c0 3 2d2co L2s(esp')
where d = grating spacing (same for both gratings)
t = t [d/d]–1 = 0.44 [d/d]–1 = 0.44 2/c0
where we’ve neglected the minus sign since we’re computing the bandwidth, which is inherently positive. So the bandwidth is:
.
Petawatt laser facilities in the world
FW H M0.44t02/c0
0.4402/c0 LG VM
G VM c0 0n(0)1 2n(0/2)
FW H M
0.440/L n(0)1 2n(0/2)
Calculating the bandwidth by considering the GVM yields the same result as the phase-matching bandw. idth!
medium due to high optical intensity 3. Reduce the nonlinear effect in
medium
.
Pulse stretching by grating pair
.
Pulse to be strecthed due to GDD
30 fs + 109 fs2
.
Multi-pass amplifier (1)
.
Power amplifier
.
.
Gain narrowing
.
Suppression of gain narrowing
.
.
OPCPA
Nonlinear crystal
OPCPA characteristics: (1) high gain ( >1000 for single pass) (2) large amplifying bandwidth, wavelength designable (3) Low energy conversion efficiency (4) requires synchronization between pumping and seeding laser
.
Petawatt scheme
.
OPCPA scheme
.
Nd:glass hybrid amplifier
.
Suppression gain narrowing by hybrid amplification
.
Compression grating
.
Results
.
Petawatt laser facilities
Lsep
Note that, as in the prism pulse compressor, the larger Lsep, the larger the negative GDD.
.
Grating #1
Mode locked oscillator as seeding light
.
Regenerate amplifier
.
Coupling wave equation
.
Group-velocityቤተ መጻሕፍቲ ባይዱmismatch limits
bandwidth.
Take the second-harmonic pulse to have a Gaussian intensity, for which t =
0.44. Rewriting in terms of the wavelength,
560 TW OPCPA by Russia
.
Main Routes for Petawatt laser
•CPA based on Ti:Sapphire: 800 nm wavelength; broad
bandwidth (30 fs), repetitive (0.1 Hz); 30 J