超快激光啁啾放大技术的原理及应用

      自激光发明以来，各种各样的激光器层出不穷，激光系统向着短脉冲、高功率、高质量的方向不断发展。在调Q技术和锁模技术的放大遭遇技术瓶颈时，啁啾放大技术应运而生。本文首先介绍了啁啾脉冲放大技术的相关背景，并通过“拆分-放大-聚合”三个过程分步介绍了该技术的基本原理。
      接着，我们选举实例进行分析，分别讨论了应用啁啾脉冲放大的掺铒全光纤结构激光器以及双向脉冲啁啾补偿的Ti : A1 2 0 3 激光器，重点分析了其进行激光脉冲放大的方式以及对光束进行展宽和压缩的措施。
最后，我们通过MATLAB对相关过程进行仿真实验，通过模拟啁啾高斯脉冲的影响得出了一些结论，方便我们更好的理解CPA技术。

引言

      在2018年公布的诺贝尔物理学奖颁给了光镊技术的发明者Arthur Ashkin，以及啁啾脉冲放大技术（CPA）的发明者Mourou先生和他的学生Strickland教授。光镊技术使得我们可以利用激光固定微小粒子，从而方便对其进行研究处理。啁啾放大技术援引于雷达脉冲放大技术，它能够缩短激光脉冲宽度，为脉冲峰值功率的进一步提高奠定了基础。
      在近半个世纪以来，随着锁模技术、调Q技术、啁啾脉冲放大技术的研究与发展，激光脉冲宽度不断被缩短，激光脉冲的峰值功率不断被提高，因此出现了不同于以往连续激光和长脉冲激光的超快激光，它具有脉冲很短、峰值功率极高、重复频率高和光谱范围宽的显著特点，包括飞秒激光在内的一系列超快激光技术目前已经深入我们生活的方方面面，成为目前激光领域最具有发展前景的研究方向之一，具有广阔的应用前景。
      在本文中我们着重介绍有关啁啾放大技术相关理论研究，并通过分析现有超快激光系统进而进行仿真实验，得到适普性结论。

啁啾脉冲放大系统基本理论

1.1 啁啾放大技术原理
      啁啾脉冲放大技术主要思想是通过利用频率的啁啾，将脉宽展宽后进行放大，最后通过压缩达到原来的宽度，以此达到提高激光脉冲的峰值功率，压缩脉冲宽度的目的。
      为了方便理解，CPA技术可以概括为以下三个步骤：

1.1.1 “拆”过程
      在初始阶段，我们利用展宽器对激光进行色散，使得其在初始脉冲进入增益介质放大之前将其展宽，如图所示，一束激光出射经过一个半反半透镜，透过的光束经过反射镜照射在光栅上进行分光，于是不同波长的光束就被分散开，脉冲中低频成分走的路径要比高频成分要短，脉冲在时间上被拉宽，峰值功率得到降低。为了使展宽效果更明显，我们再用一个光栅进行反射，通过反射镜使光原路返回，这使得不同波长的光经过的光程差增大。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。
1.1.2 “放大”过程
      此时的脉冲脉宽较长，并且峰值功率较低，我们将其送入激光谐振腔，于是展宽脉冲进入增益介质得到放大，由于脉冲已被展宽，因此可以提取更多的能量而不致使增益介质发生损伤。
1.1.3 “合”过程
      在得到频谱较宽并且能量较大的脉冲后，我们使光束再次经过光栅组合（压缩器）进行色散，此时的压缩器的色散与展宽器的色散极性相反，即光程差与通过展宽器分光时正好相反，放大脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿。此时，放大脉冲被压缩设定脉宽，脉冲峰值功率得到极大的提高。
      在整个CPA过程中，我们可以看到脉冲展宽和再压缩巧妙地避免了增益介质的损伤，还避免了增益饱和等许多不利的非线性效应，有利于高效吸收增益介质储存能量，极大地提高了脉冲激光的峰值功率。

超快激光实验系统举例

2.1 应用啁啾脉冲放大的掺铒全光纤结构激光器【14】
      前面提到，为了解决激光脉冲在放大过程中容易由于非线性效应产生畸变这一问题，我们采用啁啾脉冲放大结构。而对于全光纤结构的啁啾脉冲放大系统，最主要的技术难点在于采用光纤或者相关结构的器件来实现种子激光脉冲的展宽和放大后高能量激光脉冲压缩。下面这个例子中作者实现了一套基于CPA原理的全光纤结构掺铒放大器系统，其采用了色散补偿光纤和单模光纤实现对激光脉冲的正负色散的控制，精确调整长度，实现了飞秒带宽的高功率激光输出。

图2 实验装置图
      如图所示，该装置使用一个环形的光纤振荡器输出种子脉冲，环形腔中使用一段掺铒单模光纤(EDF)作为增益介质。其中偏振相关隔离器(ISO) 不仅使得激光能够按照预定的方向行进，还和两侧的偏振控制器(PC) 一起来控制锁模的产生。
在这里，该装置选用色散补偿光纤(DCF)对振荡级输出的种子激光脉冲进行展宽，展宽主要由材料色散、波导色散和折射率分布色散引起。  展宽后的激光脉冲首先进入预放大级。作者采用掺铒光纤作为增益介质，使用两个半导体激光器LD进行双向抽运。为了进一步提高抽运效率，该装置在预放大阶段加入光纤法拉第旋转镜(FRM)，使得光束能够两次通过增益介质，提高了增益效率。
      在主放大级中作者使用的增益光纤为铒镱共掺的双包层纤(EYDF )，仍是以两个半导体激光器 (PLD) 作为抽运源，在这一过程中，预放大后的光束在主放大级进一步得到放大，随后经过光纤压缩器进行脉冲压缩，结束啁啾脉冲放大过程。作者还使用一块 PPLN 晶体对放大后的激光脉冲进行倍频，得到了中心波长在780nm的输出。
      在光纤通信【12】中我们了解到光纤对光脉冲具有展宽作用，反映了光纤存在色散。虽然光纤色散现象对光纤通信极为不利，导致一系列脉冲码之间互相重叠，造成传输失误，但是在啁啾放大技术中光纤的脉冲展宽却成为其一大优势。正如在这一装置中，作者使用光纤进行精确色散的控制，保证了光束经过预放大级后近似成高斯线性，方便后续处理。在主放大级中选择了铒镱共掺的双包层增益光纤，从而具有更高的泵浦效率和增益。整体装置结构紧凑，工作稳定，能够输出高峰值功率和窄脉宽的飞秒激光脉冲。
2.2 双向脉冲啁啾补偿的Ti : A1 2 0 3 激光器【21】

图3 传统的线形腔结构以及双向啁啾补偿结构

      自锁模Ti:A1203激光器实验装置如图所示。（a）为传统的“z”形折叠腔结构,脉冲啁啾为单向棱镜补偿;而( b)针对其进行了改进，采用了双向啁啾补偿结构，使得输出激光脉冲具有更窄的脉冲宽度。
      该装置使用棱镜进行展宽，因此在激光腔内，光脉冲的群速色散控制是飞秒激光脉冲产生的关键。其原因在于在时域范围内，由于光的群速色散的结果将是激光脉冲的持续时间发生变化，使不存在啁啾的脉冲形成啁啾，从而使光脉冲展宽。
     上述装置中，两激光器均由色散端输出，并在腔外进行了色散的补偿。其中p1,p2,p5~p8为腔内色散棱镜，p3,p4,p9,p10为腔外色散棱镜。对于（a）图所示，假设腔内脉冲在左侧往返经过色三棱镜后，返回晶体之前的啁啾量为零，此时可以获得最窄脉宽。而脉冲经过晶体后将带有正啁啾，向右往返一次再回到晶体时脉冲将会变宽，因此对于克尔自聚焦效应的贡献主要来自于做左侧的无啁啾脉冲，进而需要较高的泵浦功率，也增加了不稳定因素；而改进后的装置（b）使得晶体造成的啁啾在激光器两侧均能得到补偿，两个方向的脉冲均能够以较窄的脉宽通过晶体，对克尔自聚焦效应贡献相同，因此能够始终保持无啁啾脉冲传输，降低泵浦功率，提升稳定性，也加宽了锁模运转范围。

基于MATLAB的仿真试验

      为了更好地理解啁啾和色散对于超快激光脉冲的影响，我们以高斯脉冲为例进行实验，验证啁啾对脉冲的影响[23]。
      超短脉冲的光场可以表示成以下公式：

      其中 为t时刻在r处的振幅， 为中心频率， 为啁啾的影响相位， 为空间位置带来的相位变化。我们首先以高斯脉冲为例，在z=0处无啁啾高斯脉冲为：

      对脉冲的强度和频率进行模拟实验，得到以下结果：

      当存在啁啾时，z=0的位置处高斯脉冲可以表示成为：

      决定了其属于上啁啾还是下啁啾。模拟效果如下：

      图5 线性上啁啾高斯脉冲随时间变化模拟效果

     图6 线性下啁啾高斯脉冲随时间变化模拟效果

总结

      本文重点介绍了能够产生超快激光的啁啾脉冲放大技术，先后介绍了其的相关背景、基本原理、现代研究成果以及相关应用，还通过MATLAB对相关过程进行模拟仿真，更加深刻地学习了超短脉冲与啁啾之间的关系。
做为本文的重点概念，我们对啁啾脉冲放大技术的操作过程以及相应色散元件进行了详细分步说明，原理概括如下：在脉冲激光放大系统中，高峰值功率的脉冲激光由于自相位调制、受激喇曼散射等非线性效应的作用很容易产生畸变，并且高峰值功率密度极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件。为了解决这一技术瓶颈，科学家提出了啁啾脉冲放大技术。啁啾脉冲放大技术是在放大之前，用正色散元件将脉冲进行时域展宽。脉冲经时域展宽以后，其峰值功率下降，这样就能有效地减少脉冲在放大过程中的非线性效应，获得更高功率的脉冲输出。放大后的脉冲再经负色散元件进行压缩，就能得到短脉冲的高功率激光输出。如今基于啁啾脉冲放大技术的激光器系统已经能够得到高能量和高平均功率的飞秒脉冲，并在世界范围内机械加工、生物医疗、科学实验等不同领域得到广泛应用。我们有理由相信基于CPA的超快激光一定会在未来具有更加广阔的应用前景。

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[20]http://blog.sina.com.cn/s/blog_165abedf80102x7k9.html
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[22]http://blog.sina.com.cn/s/blog_165abedf80102x7k9.html
[23]https://wenku.baidu.com/view/3e07d40a4a7302768e9939f2.html

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