啁啾脉冲放大
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啁啾脉冲放大技术简介
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
基本步骤
展宽
放大
压缩
功率
时域展宽→
功率放大→
时域压缩→
时间
时域展宽/压缩：利用光的色散实现不同频率光脉冲信号在时域上错位从而实 现展宽，类似通信中的线性调频 (linear frequency modulation)。因线性调频 后的声音信号类似鸟声，所以这种调制又称为啁啾 (chirp) 。
详见课件4.1例6
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
光脉冲啁啾(展宽)：系统对入射光脉冲中不同频率的光信号产生不同的时延， 从而使出射光脉冲变宽，且瞬时频率随时间成线性变化
功率 时间
展宽系统
不同频率光 脉冲分量的 时延不同 红光时延小 紫光时延大
对光信号而言，实现这一步相对 容易：因光速随介质折射率变化， 而介质色散造成低频（红光）折 射率较小，光速快；高频（紫光） 折射率较大，光速慢。最初的 CPA通过1.4km光纤实现光脉冲啁 啾展宽。
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
光脉冲啁啾(压缩)：系统对入射光脉冲中不同频率的光信号产生不同的时延， 从而各分量同时出射，形成窄脉冲，并得到更高瞬时功率。
压缩系统
功率 时间
利用一对衍射光栅形成红光光 程长，紫光光程短的系统
不同频率光 脉冲分量的 时延不同 红光时延大 紫光时延小 与展宽时相 反
思考题
传言称，Mourou 由另一个学生 Steve Williams 的 实验问题想到了这个放大的点子，一看实验室里 Strickland正巧还在，于是就让她加了个班做了一 下这个实验……
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification， 简称CPA)，是一种激光功率放大技术。
激光按照工作方式不同可分为连续激光和脉冲 激光， CPA 主要用于脉冲激光功率放大。
CPA 解决了激光放大器对于高功率信号的增益 饱和问题，使激光峰值功率大大增加。
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
理想的激光放大器对于任意输入功 率的激光应该有相同的增益，即线 性增益。
实际的激光放大器存在增益饱和问 题，入射激光功率很大时，增益变 小，即非线性增益。
(0t
)
=0，常数ຫໍສະໝຸດ ( ) 2(
t
)
=
d dt
0t + t2
= 0 + 2 t，随时间变化
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
fs=8192;%抽样频率 T=1/fs; %抽样周期 n=[0:fs*10]; %样点数量 t=n*T; %时间变量 w0=100*2*pi; %基准频率 beta=5000; %调频系数 x=sin(w0*t+beta*t.*t); %线性调 频信号 spectrogram(x,[],8192); %短傅 里叶变换STFT)，瞬时频率分析 sound(x,fs); %音频输出
Introduction to Chirped Pulse Amplification 北京邮电大学 尹龙飞
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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
基本步骤
展宽
放大
压缩
功率
时域展宽→
功率放大→
时域压缩→
时间
时域展宽/压缩：利用光的色散实现不同频率光脉冲信号在时域上错位从而实 现展宽，类似通信中的线性调频 (linear frequency modulation)。因线性调频 后的声音信号类似鸟声，所以这种调制又称为啁啾 (chirp) 。
详见课件4.1例6
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
光脉冲啁啾(展宽)：系统对入射光脉冲中不同频率的光信号产生不同的时延， 从而使出射光脉冲变宽，且瞬时频率随时间成线性变化
功率 时间
展宽系统
不同频率光 脉冲分量的 时延不同 红光时延小 紫光时延大
对光信号而言，实现这一步相对 容易：因光速随介质折射率变化， 而介质色散造成低频（红光）折 射率较小，光速快；高频（紫光） 折射率较大，光速慢。最初的 CPA通过1.4km光纤实现光脉冲啁 啾展宽。
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
光脉冲啁啾(压缩)：系统对入射光脉冲中不同频率的光信号产生不同的时延， 从而各分量同时出射，形成窄脉冲，并得到更高瞬时功率。
压缩系统
功率 时间
利用一对衍射光栅形成红光光 程长，紫光光程短的系统
不同频率光 脉冲分量的 时延不同 红光时延大 紫光时延小 与展宽时相 反
思考题
传言称，Mourou 由另一个学生 Steve Williams 的 实验问题想到了这个放大的点子，一看实验室里 Strickland正巧还在，于是就让她加了个班做了一 下这个实验……
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification， 简称CPA)，是一种激光功率放大技术。
激光按照工作方式不同可分为连续激光和脉冲 激光， CPA 主要用于脉冲激光功率放大。
CPA 解决了激光放大器对于高功率信号的增益 饱和问题，使激光峰值功率大大增加。
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
理想的激光放大器对于任意输入功 率的激光应该有相同的增益，即线 性增益。
实际的激光放大器存在增益饱和问 题，入射激光功率很大时，增益变 小，即非线性增益。
(0t
)
=0，常数ຫໍສະໝຸດ ( ) 2(
t
)
=
d dt
0t + t2
= 0 + 2 t，随时间变化
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
fs=8192;%抽样频率 T=1/fs; %抽样周期 n=[0:fs*10]; %样点数量 t=n*T; %时间变量 w0=100*2*pi; %基准频率 beta=5000; %调频系数 x=sin(w0*t+beta*t.*t); %线性调 频信号 spectrogram(x,[],8192); %短傅 里叶变换STFT)，瞬时频率分析 sound(x,fs); %音频输出