光参量啁啾脉冲过饱和放大实现超短脉冲的频谱整形

光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)非线性过程是个可逆过程,信号光增大到最大值时抽运光能量已几乎被耗尽,随即进入过饱和放大阶段,能量会由信号光和闲频光重新回到抽运光中.提出了利用这一过程实现啁啾脉冲频谱整形的一种新方法.通过数值模拟说明了这种啁啾脉冲频谱整形方法的原理.计算结果也表明了通过改变抽运光强、调节相位匹配角、改变抽运脉冲波形能实现对脉冲频谱整形结果的有效控制,甚至可以通过选择适当的抽运光和信号光的同步关系,使放大后输出信号光有一定的频移,这一点可以用来抑制钛宝石饱和放大引起的光谱红移.     

小型化超宽带光学参量啁啾脉冲放大系统的研究

光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术将是替代CPA技术而产生脉宽更短、峰值功率更高脉冲激光的最新技术．目前超短超强脉冲激光技术发展的方向是采用OPCPA技术建立高柬质、高效率、脉宽小于30fs的峰值功率大于TW的小型化台面超短超强脉冲激光系统．     

1030nm皮秒级光参量啁啾脉冲放大抽运源

利用低温工作状态下Yb∶YAG再生放大器,对1030nm光纤锁模激光器输出的250pJ的种子光进行放大。电光开关门宽控制种子光在放大器内20程往返,最大单脉冲能量为217μJ,输出频率10Hz,同时由于其增益窄化效应光谱宽度由8.9nm减小到0.3nm,相应的脉宽由18.0ps被压缩到5.5ps,这与理论模拟结果的0.4nm,4.2ps基本吻合。实验结果论证了采用窄增益带宽的再生放大器可以同时实现亚皮秒光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)对抽运脉冲宽度和光谱宽度的要求,避免使用光纤光栅对光谱滤波带来的高阶非线性效应。     

用于拍瓦级激光系统的三维光参量啁啾脉冲放大的数值模拟

建立了光参量啁啾脉冲传输放大(OPCPA)的物理模型,采用分步傅里叶算法编写了三维OPA+CPA数值模拟程序,利用该程序可以研究OPCPA系统中的能量放大、增益窄化、自相位调制、空间自聚焦以及脉冲的时间信噪比等问题,对OPCPA系统进行优化设计。利用该程序对神光II第九路拍瓦升级系统(SG-II-U-PW)进行了数值模拟研究,计算结果表明,第九路光路无需作太大改动即可满足拍瓦升级指标,并提出了第九路主放大链的两种运行方案。三维OPA+CPA模拟程序经过简单修改后也可以对飞秒(fs)OPCPA系统、以及未来峰值功率为exawatt级(1018W)的激光系统进行优化设计。     

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)     

拍瓦级光参量啁啾脉冲放大系统中光参量相位演化研究

在基于光参量啁啾脉冲放大的拍瓦级超短超强飞秒激光装置中,光参量相位是阻碍脉冲时域压缩的关键因素。对中国工程物理研究院的数拍瓦全光参量啁啾脉冲放大装置（SILEX-II）的光参量相位演化进行了详细研究。研究结果表明,通过光参量放大过程累积的群延迟色散高达532 fs2,三阶色散高达5782 fs3,在未补偿光参量相位的情况下,压缩脉冲的时域峰值强度仅为傅里叶变换极限脉冲的43%。通过调节压缩器光栅间距,补偿了光参量相位的群延迟色散,将压缩脉冲的时域峰值强度增加至傅里叶变换极限脉冲的94%。研究结果为SILEX-II激光装置的脉冲时域压缩提供了有效指导,同时也为未来基于全光参量啁啾脉冲放大技术的10～100 PW高峰值功率激光器的设计提供了依据。     

中红外大能量高功率周期量级光学参量啁啾脉冲放大的发展及应用（特邀）

近十年来,超强超短脉冲是激光光学发展的一个重要趋势。尤其是在中红外（MIR）波段,由于中红外波长具有更大的有质动力并且其光谱范围几乎包含了所有分子“指纹”共振峰,这使得中红外激光的研究在强场物理、中红外光谱学、材料加工以及生物医学研究等领域中至关重要。目前已经有许多比较成熟的激光技术可以对脉冲进行整形、放大,例如差频（DFG）、啁啾脉冲放大（CPA）、光学参量放大技术（OPA）以及光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）等。利用OPCPA技术具有的高放大增益、高信噪比、宽增益带宽的优点在高非线性系数的非线性晶体中进行脉冲放大已经成为当前获取超强超短中红外脉冲的主要手段之一。文中总结了利用OPCPA技术在2~20 μm波长范围内产生和放大MIR少周期脉冲的研究进展,并对其在强场物理、分子频谱探测以及生物医学方面的应用进行了简要的阐述。     

声光光谱色散滤波器对超短脉冲光谱主动控制技术研究

报道了声光光谱色散滤波器(AOPDF)对啁啾脉冲放大系统中脉冲光谱整形及控制技术的实验研究.声光光谱色散滤波器基于共线的声光相互作用,通过控制声光相互作用的位置,产生不同光谱的位相延迟.由于声波信号的幅值决定了光谱的散射效率,因此控制声波信号的振幅可以获得光波频谱的幅值整形.将声光光谱色散滤波器应用到啁啾脉冲放大系统中,可以很好克服增益窄化效应,使放大后脉冲的光谱保持足够的宽度,最终获得更窄脉宽的压缩脉冲.     

OPCPA系统中压缩器表面失配时啁啾脉冲时间波形的研究

利用光线追迹法和四阶龙格-库塔法分析模拟了啁啾脉冲在OPCPA系统中传输时脉冲变化的情况,讨论了压缩器光栅对表面失配对输出脉冲宽度和时间波形的影响。结果表明,当光栅对表面失配时,光栅旋转方向以及初始啁啾共同作用导致脉冲宽度略大于或小于无初始啁啾脉冲的宽度。总体上,光栅G2顺时针旋转时的脉宽变化比G2逆时针旋转时脉宽变化快。而当脉冲有初始啁啾时,将对脉冲出现的预脉冲、尾脉冲有一定的削弱作用,脉冲前后沿的对称性也发生了变化。     

飞秒脉冲光参量中的色散和高阶非线性效应研究

通过数值模拟超强超短激光脉冲泵浦下的MgO:LiNbO3晶体的光参量放大过程,讨论了群速度色散和高阶非线性效应对能量转换效率和脉冲波形的影响。结果表明,群速度色散会使泵浦光脉宽增加,功率密度降低;同时,大功率泵浦下高阶非线性效应的影响不可忽略,它会进一步减小能量转换效率,还会使信号光的频谱展宽。为了提高单位晶体长度的参量放大增益,可以通过引入初始啁啾来抵消群速度色散的影响。     

基于YCOB晶体分析信号光脉冲时间特性对光参变啁啾脉冲放大光谱和转换效率的影响

基于YCOB晶体中三波耦合方程理论模型,在抽运光波形和能量、晶体长度相同的条件下,研究信号光的时间波形对光参变啁啾脉冲放大(OPCPA)光谱和转换效率的影响。计算过程中,抽运光和信号光能量分别为45J和500mJ,光斑直径分别为60mm和50mm。抽运光脉宽取3ns,信号光脉宽为1.2ns。数值结果显示,信号光放大后的光谱和转换效率与输入信号光的时间波形有关。1阶高斯型脉冲光谱的半峰全宽(FWHM)得以展宽,由原来的36nm展宽为放大后的61nm,2阶超高斯脉冲频谱展宽为47nm,高斯脉冲的阶数越高,谱宽展宽越小,5阶和5阶以上的高斯脉冲光谱不再展宽,几乎保持原来36nm不变;1阶高斯脉冲的转换效率最高,达到32%左右,2阶高斯脉冲只有25%,8阶以上转换效率基本变化不大,约为19%。信号光脉冲时间特性对OPCPA的光谱输出和转换效率产生很大的影响。     

可调谐超短中红外激光脉冲的参变产生与放大及其最新进展

介绍了基于非线性光学参变过程产生和放大中红外可调谐超短激光脉冲的主要方法,比较了参变振荡、差频产生、光学参变放大和啁啾脉冲光学参变放大等4种产生与放大方法的技术特点,重点评述了最近10年来国内外利用光学参变放大和啁啾脉冲光学参变放大实现大增益宽带和高峰值功率输出的最新进展.探讨了获得更高能量/功率和更短脉冲(更大带宽)...     

超短强激光作用下的CsLiB6O10晶体的光参量放大理论分析

对超短强激光抽运波长为355nm，脉冲宽度为10ps的CsLiB6O10。光参量放大器(OPA)的最佳晶体长度、能量转换效率和输出信号光脉宽进行了理论分析和数值模拟。得到了在IP(0)=300MW／cm^2，Is(0)=5MW／cm^2，Ii(0)=0的情况下，最佳晶体长度为27．0mm。随着抽运功率和信号光功率增大时，CsLiB6O10晶体作为光参量放大器的非线性晶体时，其作用的晶体长度变得更短。高转换效率的信号光输出取决于抽运光和初始信号光的强度及晶体长度的最佳优化值。     

飞秒光参量放大过程中高阶非线性效应的影响

用计算机仿真模拟了高强度飞秒激光抽运下的光参量放大 (OPA)过程 ,着重讨论了高阶非线性效应对参量转化效率和波形的影响。为了抑制高阶非线性效应对放大信号光波形的调制 ,改善波形质量 ,防止信号光的能量倒流回抽运光 ,并为进一步从抽运光中抽取出尽可能多的能量 ,提高参量转化效率 ,引入了适当的相位失配以抵消高阶非线性效应。利用级联非线性相移从理论上解释了这一物理原因     

BBO晶体Ⅰ类相位匹配从可见光到近红外光宽带参量放大的带宽研究

超快激光的应用,需要有高功率、窄脉宽和宽调谐的激光光源。飞秒光参量放大是产生可调谐、短至几个飞秒光脉冲的一种重要方法。为获得极窄的飞秒光脉冲,飞秒光参量放大器就应该有尽可能大的本征带宽。理论研究了BBO晶体在Ⅰ类非共线相位匹配条件下的宽带参量放大特性。将多色相位匹配技术应用于飞秒光参量放大,推导出信号光带角色散时的宽带运转条件。分别介绍了从可见光到近红外光选取合适的参数实现宽带运转的方法。基于400nm蓝光抽运的BBO晶体光参量放大器(OPA),系统地分析了非共线角和信号光角色散值对相位失配和参量带宽的影响。研究结果表明选取适当非共线角和在近红外光中引入适当的角色散可极大提高参量带宽。     

周期性极化晶体的群速匹配飞秒脉冲光学参量放大

研究了周期性极化晶体非共线参量放大的群速匹配和群速色散.提出了估算光学参量放大(OPA)光谱带宽的一般性方法.光谱带宽由波矢失配中泰勒级数展开式的第一、第二项决定,当展开式中一级项为零时,三个非共线相互作用波是群速是匹配的,这时参量带宽由群速色散决定.选择合适的光栅周期,能获得调谐范围较宽的群速匹配脉冲参量放大,参量带宽与晶体长度、非共线角及群速色散有关.研究了增益带宽与晶体长度及抽运光强度的关系,也研究了离散角和有效非线性系数等.由于群速匹配,参量带宽很大,大大增加了最大有效长度和能量转换效率.     

光参量放大拼接晶体加工误差补偿系统设计

晶体拼接技术能够解决光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中非线性晶体口径受限问题,从而有效地提高放大器的输出能力。晶体加工误差补偿是晶体拼接要解决的核心问题之一。对拼接晶体加工误差对光束质量的影响进行了分析,设计了拼接晶体加工误差补偿方案,设计并加工完成拼接晶体加工误差补偿能动反射镜。通过实验验证了拼接晶体加工误差补偿方案的可行性和稳定性,同时证明了该系统满足晶体拼接要求。     

双抽运光参量放大的增益特性

在相同条件下(如抽运光功率、信号光功率等),与单抽运相比,双抽运光参量放大(OPA)的增益大,增益带宽宽.由于信号光的增益特性与参量增益系数直接相关,因此,在建立高非线性光纤(HNLF)光参量放大的理论模型的基础上,对相位匹配条件、参量增益以及信号光饱和增益的特性进行了分析讨论,采用有限差分法,对增益饱和的特性进行了模拟.结果表明,参量增益和光纤参数、输入抽运光以及信号光的波长、功率有关,而信号光的饱和增益和输入抽运功率有关.