基于“神光-Ⅱ”装置的飞秒拍瓦级光学参量啁啾脉冲放大的特性分析与系统设计

用计算机仿真分析了光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）的特性及其影响因素（如相位失配、高阶非线性效应等）-就脉冲放大机理、时间同步、光谱漂移、增益窄化等相似问题与现有的啁啾脉冲放大技术做了比较与讨论-基于“神光-Ⅱ”装置，设计了飞秒拍瓦级OPCPA系统，以期望实现快点火- 关键词： 超短超强激光 啁啾脉冲放大 光学参量啁啾脉冲放大 数值模拟     

利用光孤子机制实现超宽范围波长调谐的理论和实验研究

以获得光参量啁啾脉冲放大系统主激光与抽运光两种波长、宽带、超短脉冲的产生及精密同步为目标,探索采用光孤子机制实现超宽带宽范围的可调谐超短脉冲产生. 数值模拟了孤子传输过程中的时域-频域演化过程及与其他非线性效应的相互作用过程和特性. 实验验证了利用光孤子机制产生可调谐脉冲的方法. 同时还观察到孤子的形成、分裂、自频移等现象,在可见光到近红外波段都演示了波长可调谐的输出特性,并且与理论分析结果符合较好. 关键词： 光参量啁啾脉冲放大 可调谐脉冲产生 非线性薛定谔方程 孤子机制     

全光纤多种子激光脉冲产生系统

报道一种可精确同步输出宽带啁啾脉冲、纳秒级整形脉冲以及窄带光参量啁啾放大抽运脉冲的全光纤多种子激光脉冲产生系统.采用掺镱光纤锁模激光器和掺镱单纵模光纤振荡器作为系统的光源,将掺镱光纤锁模激光器输出的超短脉冲分束啁啾展宽至0.9ns后,一路进行放大产生10μJ量级的宽带啁啾脉冲为高能拍瓦激光器系统提供种子光脉冲,另一路通过1.2nm滤波产生140ps的基元脉冲,通过光纤堆积器产生可编程整形的2.3ns脉冲,再经过放大达到10μJ量级,提供任意整形的压缩脉冲.同时,将部分掺镱光纤锁模激光器输出的超短脉冲进行光电转换并锁相后,产生与锁模超短脉冲高精度同步的电脉冲用于触发幅度调制器,将掺镱单纵模光纤振荡器输出的连续光削波放大,产生光参量啁啾放大抽运脉冲.该系统能够根据物理实验的需要,非常灵活地在输出各种脉冲之间做出选择.     

高非线性光纤产生自相似抛物线脉冲的特性研究

基于脉冲在光纤中传输所满足的非线性薛定谔方程,采用数值计算的方法对脉冲在高非线性光纤中演化成自相似抛物线脉冲的传输特性进行了研究。结果表明,脉冲在不同初始能量和啁啾参量的情况下,高非线性光纤产生自相似抛物线脉冲,且随着归一化长度的增大,脉冲的自相似指数从0.0796减小到0.0720。进一步的研究表明:啁啾高斯脉冲在光纤传输过程中,脉冲逐渐展宽,同时正啁啾越大,其自相似演化结果越差;参数N=8的正负啁啾脉冲分别演化成平顶自相似抛物线脉冲以及三角形脉冲。     

啁啾飞秒激光脉冲形成的光纤光栅的Bragg反射特性

在800nm飞秒脉冲激光照射下光敏玻璃As₂S₃光纤具有双光子吸收 现象，当一束超短激光脉冲与另一束啁啾超短激光脉冲在As₂S₃光纤相遇时，干涉图案将 永久地记录一个空间啁啾光栅.研究了该光栅结构与入射超短脉冲激光脉冲参数的关系，数值计算表明该光栅具有较大的Bragg反射带宽. 关键词： 啁啾光纤光栅 飞秒激光脉冲 双光子吸收效应     

与794nm飞秒激光精确同步的无直流背底的1064nm脉冲光的产生

基于非共线光参量放大(NOPA)，以宽带794nm飞秒激光的倍频光为抽运光，以连续的He-Ne激光为信号光，产生了与宽带794nm飞秒激光精确同步的无直流背底的1064nm的脉冲光.实验结果显示该1064nm的光脉冲可作为光参量啁啾脉冲放大系统的抽运激光链的种子光，从而实现用全光学方法实现OPCPA系统抽运光和信号光的精确同步.还将非共线光参量放大器置于经特殊设计的He-Ne激光腔内，也同样成功得到了无直流背底的1064nm的光脉冲.经一次光参量放大后所得到的1064nm光的光谱和空间啁啾特性与非共线光参量放大器置于He-Ne激光腔外时得到的1064nm的光脉冲相同，而其单脉冲能量约为腔外NOPA的10倍. 关键词： 非线性光参量放大 光参量啁啾脉冲放大 时间同步     

啁啾脉冲参量放大特性的数值模拟研究

 根据啁啾脉冲激光参量放大技术,数值模拟了光参量放大在啁啾脉冲放大中的应用。研究啁啾脉冲参量放大增益及时间特性,特别是在大信号注入与小信号注入两种有代表意义的情况下,详细地分析了群速度失配、相位失配对放大过程的影响。研究了泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步要求,讨论了放大系统的稳定性。     

基于预啁啾管理放大的掺镱锁模光纤激光器

报导了一种采用预啁啾管理放大技术实现的百飞秒级掺镱光纤激光器系统。该系统首先利用非线性偏振旋转技术搭建锁模种子激光,实现重复频率为82.3 MHz、压缩后脉宽接近180 fs的近线性啁啾稳定脉冲序列。种子脉冲通过预放大级和预啁啾管理放大级后获得了平均功率为12 W、压缩后脉宽低于100 fs的脉冲。经过预啁啾管理放大级的压缩后脉冲宽度明显优于种子激光的压缩后脉冲宽度。     

色散补偿技术中超短光脉冲传输特性的研究

本文用变分法对色散补偿技术中超短脉冲的传输特性进行了理论和数值分析.首先给出了描述超短脉冲传输特性的耦合微分方程组,然后对其进行数值求解.计算中考虑了光纤非线性系数的差异,首次引入平均非线性系数参量.分析表明,要想达到最佳的传输性能,不同的色散补偿方案,对超短脉冲的入纤能量将有不同的要求.最后给出超短脉冲最佳的入纤能量与其脉宽、色散参量比、光纤长度,以及平均色散参量间的关系图.     

光参量啁啾脉冲放大数值模拟平台中超短脉冲聚焦模拟算法

光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)数值模拟平台研发涉及到光脉冲的展宽压缩、参量放大和聚焦输出等物理模型,针对其中的超短脉冲聚焦算法,本文推导给出了输出光场范围可调、并具备快速傅里叶算法的数学表达式,解决了传统菲涅尔远场衍射聚焦算法面临如何提高光场分辨率和保持各波长分量计算网格大小一致的难题,为后续直接进行时频逆变换、高效分析超短脉冲聚焦后的时空耦合特性提供了便利.数值仿真结果揭示出,超短脉冲聚焦场暗环区域表现出强烈的时空耦合特征.本算法已成功应用于OPCPA数值仿真平台研发中,可望在超短激光脉冲装置的优化设计工作中发挥重要作用.     

超短超强激光驱动新型粒子加速器:机遇和挑战

2018年诺贝尔物理学奖授予了因发明"光学镊子"和"啁啾激光脉冲放大"两项重大技术的3位科学家。其中啁啾激光脉冲放大技术使得人们在实验室获得了前所未有的超短超强激光脉冲。文章简要介绍了由超短超强激光开拓的新兴科学前沿,特别是这种强激光技术推动下的新型粒子加速器研究的发展、机遇和挑战。     

超短激光脉冲在不同色散参量光子晶体光纤中传输的数值模拟

为了使得数值模拟更为精确,采用广义非线性薛定谔方程(GNSE)描述超短激光脉冲在光子晶体光纤中的传输演化过程,并利用二阶分步傅里叶方法通过求解方程,数值计算了相同脉宽和能量的超短脉冲在不同色散参量的光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生。比较了超短脉冲在光纤不同色散区传输时,高阶色散和非线性效应对超连续谱的产生以及对脉冲波形演化的影响。结果表明,相对于超短脉冲中心波长位于光子晶体光纤的正常和反常色散区,可以相应获得短波波段和长波波段的超连续谱输出,当超短脉冲中心波长位于零色散波长点时,通过色散和非线性效应的联合作用,更易于产生全波长段的平坦超连续谱。     

全光纤高能量飞秒脉冲激光放大系统

研究了一种全光纤飞秒脉冲放大系统。其采用非线性放大环形镜结构的谐振腔输出宽光谱种子光,通过光纤啁啾脉冲放大技术抑制功率放大过程中的非线性累积;主放大部分结合双包层光纤与大模场光子晶体光纤熔接技术,输出中心波长1030nm,平均功率16.9W的高质量皮秒脉冲,经空间光栅对补偿色散后脉冲宽度324fs,单脉冲能量12.2μJ,峰值功率约26.4MW。该放大系统采用保偏光纤特种熔接技术实现全光纤化,相较于空间耦合放大具有光路结构简单,环境稳定性高等特点,有望推动高能量飞秒光纤激光工业化进程,提升其在复杂使用环境的适应性。     

高功率脉冲在大模场掺Yb3+光纤中的自相似传输放大特性

分析了高功率脉冲在增益光纤中传输放大时非线性薛定谔方程的自相似解,得出注入光的脉宽和能量满足一定关系时,优化增益光纤的长度,才能满足种子光脉冲在增益光纤中的自相似传输放大.揭示了高功率种子光脉冲在光纤中自相似演化的特征参量.此外,模拟了注入能量为400 pJ,脉宽为200 fs,波形分别为正割、高斯以及3阶超高斯的种子光脉冲在纤芯为30μm的大模场增益光纤中的传输放大特性.结果表明3种波形的种子光脉冲的时间波形与光谱均演化为抛物形,时间波形与光谱均发生展宽,但光谱两侧均发生抖动.自相似传输放大后,脉冲为线性啁啾,易于压缩,对实现全光纤高功率超短脉冲产生系统具有重要意义.     

大口径啁啾脉冲放大激光系统光的谱剪切分析

啁啾脉冲放大（CPA）技术为获得拍瓦级峰值功率和102^20W／cm^2高峰值聚焦功率密度提供了技术手段，从而使“快点火”成为可能。啁啾脉冲放大的原理是：超短脉冲激光先经过展宽器展宽，再进入放大器放大，最后放大脉冲经过压缩器压缩输出超短脉冲。展宽器和压缩器均由光栅对构成，展宽器通过引入正色散获得正啁啾脉冲，压缩器与展宽器共轭引入负色散补偿正啁啾获得超短脉冲输出。啁啾脉冲在展宽、放大和压缩中存在光谱剪切（或称光谱变化）和高阶分布，从而对输出脉冲时空特性产生影响。     

非单色光抽运的光参量啁啾脉冲放大的带宽及增益特性研究

采用傅里叶变换的方法将脉冲光分解成不同的频率成分,建立了非单色光抽运的光参量放大耦合方程组的数值求解模型.研究了非单色抽运光对光参量啁啾脉冲放大的小信号增益、大信号增益以及增益带宽的影响.非单色抽运光降低参量放大的增益水平,但同时可提高增益带宽,且抽运光谱宽越宽,对增益带宽的提高作用越大.还进一步从相位失配和参量带宽的角度分析了非单色抽运光使参量放大的增益降低、带宽增大的原因. 关键词： 光参量啁啾脉冲放大 非单色光 增益带宽 飞秒激光     

级联单模光纤中初始啁啾对高阶孤子脉冲压缩的影响

采用两段级联单模光纤对高阶孤子脉冲进行压缩。两段光纤具有不同的反常色散值,当高阶孤子脉冲在第一段光纤中获得最大程度压缩时,通过转换色散值不同的光纤,使压缩脉冲继续以高阶孤子的形式在第二段光纤中再次被压缩。每段光纤的长度都进行了优化,使得脉冲在每段光纤中都获得最大程度的压缩。基于非线性薛定谔方程,数值研究了初始啁啾对高阶孤子脉冲压缩的影响。研究结果表明,初始啁啾对高阶孤子脉冲的压缩有重要影响。与无初始啁啾时的情形相比,正的初始啁啾能增强每段光纤中脉冲的压缩效果,降低压缩脉冲的基座能量,而负初始啁啾的影响则相反。随着初始啁啾参量Cp的增大,脉冲在每段光纤中的压缩因子均增加,而基座能量、最优光纤长度均减小。     

高功率全光纤啁啾脉冲放大激光系统

采用基于非线性偏振旋转原理的光纤被动锁模激光器作为主振荡器。输出信号脉冲的重复频率为30MHz,脉冲半高全宽为265fs。信号脉冲通过全光纤啁啾脉冲激光放大系统展宽至100ps后,经过1级芯径10μm的光纤预放大器和1级芯径50μm的光纤功率放大器将脉冲平均功率放大至10W,斜率效率41.5%。输出脉冲经光栅压缩器将脉宽压缩至594fs。     

堆积脉冲光参量啁啾脉冲放大器

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.     

用于宽带啁啾脉冲光参量放大系统精确同步的新方法

基于非共线光参量放大,以波长800 nm飞秒激光的倍频光为抽运光,以激光二极管640 nm连续波激光为信号光,产生了与800 nm飞秒激光精确同步的无直流本底的1064 nm脉冲光。实验结果显示该1064 nm的光脉冲在脉冲能量和空间光束质量上均可作为1064 nm波长脉冲放大器的种子光。仅通过一级简单紧凑的非共线参量放大就可实现光周期量级的光参量啁啾脉冲放大系统的抽运激光和种子光的精确同步。