反射式棱栅对展宽器用于啁啾脉冲放大激光的研究

在啁啾脉冲放大(CPA)系统中, 脉冲的展宽是实现安全有效放大的重要保证. 本文介绍了一种新型的由色散棱镜与光栅组合而成的反射式棱栅对展宽器. 并利用光线追迹法对色散进行了数值模拟, 测量实验结果验证了理论计算的正确性. 在此基础上, 分析了以棱栅对为展宽器和ZF7玻璃材料为压缩器的下啁啾(down-chirped)脉冲放大系统中的色散比较传统的上啁啾脉冲放大系统, 结果表明棱栅对可以同时提供负的二阶色散和三阶色散, 这样能更好地补偿放大器中材料的高阶色散, 从而获得近傅里叶变换极限的压缩脉冲. 此外以块材料作为压缩器不仅提高了传输效率, 而且简化了实验装置, 增强了系统的稳定性. 这样的展宽压缩组合在高重复频率的飞秒啁啾脉冲放大系统中具有明显优势. 关键词： 反射式棱栅对 啁啾脉冲放大 色散 飞秒脉冲     

基于Herriott型多通结构的块材料展宽与棱栅对色散补偿的啁啾脉冲放大

本文报道了基于块材料展宽与棱栅对压缩的飞秒啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification,CPA)系统.展宽器采用基于Herriott型多通结构的块材料作为色散元件,压缩器采用透射光栅与色散棱镜组合的棱栅对,由于它可以同时提供负的二阶和三阶色散,通过优化光栅刻线与棱镜顶角,可以实现对放大器中材料的三阶色散完全补偿,获得更窄的压缩脉冲.实验中,将展宽后的脉冲注入到环形再生腔中进行放大,放大后的脉冲由棱栅对压缩到39.6 fs,非常接近傅里叶变换极限的35.2 fs.由于采用块材料展宽器和棱栅对压缩器,整个放大系统非常紧凑,可作为后续放大以及超快现象研究的可靠光源.     

OPCPA系统中光栅对不平行度对脉冲时间波形的影响

 利用光线追迹法和四阶龙格-库塔法分析了光参量啁啾脉冲放大系统中实际展宽器和压缩器所带来的各阶色散，并将其代入放大过程数值模拟了脉冲变化的情况，讨论了压缩器光栅对表面不平行、刻线不平行、信号光强度、泵浦光强度等因素对输出脉冲宽度和时间波形的影响。结果表明，光栅对表面不平行将引起脉冲宽度变大，且光栅顺时针旋转对脉冲宽度和波形影响更大。而光栅刻线不平行时，当仅考虑二阶色散时，夹角为0.8°时脉宽最小，考虑到三阶色散时，夹角为1°脉宽最小，且光栅顺时针和逆时针旋转对脉冲的作用相同。对实际OPCPA系统，当放大晶体材料及长度一定时，尽量调整压缩器光栅平行，信号光强度和泵浦光强度有一最佳值能使输出脉冲宽度达到最小。     

连续线性温度梯度场对啁啾脉冲放大系统中啁啾光纤光栅的色散调节效应

利用啁啾光纤光栅的温度可调谐效应,提出了一种新型的色散补偿方法.该方法使啁啾光纤光栅处于一个连续的线性温度梯度场中,通过调节啁啾光纤光栅两端的温度差,改变其色散量,实现在以啁啾光纤光栅为展宽器和以体光栅为压缩器的超快激光系统中对输出脉宽的连续精密调节,并通过实验验证这一方法的可行性.实验结果表明:沿着啁啾光纤光栅应用连续的温度梯度场,当温差从0℃到50℃变化时,可以连续地调节啁啾光纤光栅的色散参数.展宽器和压缩器之间的色散失配可以通过调节线性温度场的温度梯度得到补偿,避免了繁琐的脉宽优化步骤.本文是以啁啾体光栅为压缩器的光纤啁啾脉冲放大系统中通过调节施加在展宽器上的连续线性温度场的梯度,实现对啁啾脉冲系统中的色散失配进行精密调制的技术方案.     

光栅的角色散放大原理

本文发展了一种衍射光栅的角色散放大原理,导出了光栅系统在缩京工作条件下的角色散理论公式,并列举了几种实用的光栅色散放大系统。     

16×10Gb/s啁啾光纤光栅色散补偿系统性能研究

运用啁啾光纤光栅法对在G.652光纤传输的16×10 Gb/s信号实现色散补偿数值模拟和研究,分析了入纤光功率、色散斜率以及啁啾光纤光栅色散补偿带宽对系统误码率的影响,结论是:入纤光功率在8～16 dBm之间时系统的性能较好;啁啾光纤光栅的色散补偿带宽对系统的影响较大;光纤的色散斜率对系统误码率有一定的影响.     

大啁啾光纤布拉格光栅的脉冲响应特性研究

脉冲堆积技术是高功率激光系统中产生任意种子脉冲的方案之一.该方案利用大啁啾光纤布拉格光栅的宽带特性来展宽宽带短脉冲,以满足脉冲堆积组件的需求.利用传输矩阵法模拟了大啁啾宽带光纤布拉格光栅的反射谱、时延曲线等特性.研究发现,光纤光栅的啁啾因子决定了色散量以及带宽的大小,但增加色散量的代价是降低了光纤光栅的带宽;光栅长度越长,反射带宽明显增加,但色散量变化不大.研究结果对高功率前端系统的设计具有一定的指导意义.     

平行光栅对在刻线不平行时的色散研究

 利用三维空间光线追迹法，分析了啁啾脉冲放大系统中的压缩光栅对，在刻线不平行而光栅面平行时光的衍射特性。导出了此时光通过光栅对的群延时，数值计算了系统2阶和3阶色散量，以及这些色散量在光栅对严格平行时的相对误差。得出了中心波长光的接收位置相对于光栅对严格平行时的偏移量，并且分析了它与入射角的变化关系。     

离面准李特洛色散光路的光程差

分析了离面准李特洛(off-plane quasi-Littrow,OP-QL)色散光路中子午光束、弧矢光束的对应关系,揭示了离面角将引起弧矢光束旋转,并使球面镜和光栅的弧矢光束不再相互对应的特性,指出系统弧矢光程差(optical path difference,OPD)并非各元件自身弧矢光束光程差的简单叠加,而是各元件上与光栅弧矢光束相对应光束的光程差之和。基于以上结论,提出了求解球面镜上沿任意方向的光线与主光线之间光程差的方向导数法,并运用它求解出OP-QL光路的光程差。最后,基于小阶梯光栅和中阶梯光栅的实例共同验证了文中分析结论和计算方法的合理准确性。     

双光栅快速扫描光学延迟线的色散补偿

光学相干层析成像(OCT)系统的纵向分辨力不仅与光源的带宽有关,而且与系统中两干涉臂间的色散匹配有关。如果色散没有得到精确匹配,将使光学相干层析成像系统的纵向分辨力达不到所预期的理论值。色散问题在超高分辨光学相干层析成像系统中尤为突出。提出了一种基于双光栅快速扫描光学延迟线(RSOD),用于光学相干层析成像系统的色散补偿。该方法中新增的光栅引入了光栅间距这一独立变量,其与常规单光栅快速扫描光学延迟线机构中的光栅离焦量一起,可使光学相干层析成像系统中的群速度色散(GVD)和三阶色散(TOD)同时得到补偿。分析了双光栅快速扫描光学延迟线的色散特性和色散调节原则,并提供了一个典型光学相干层析成像系统中的色散补偿实例。     

啁啾脉冲放大激光系统中展宽器色散的解析算法

时域色散精密控制是超短激光产生及其应用中的关键技术之一,它通过控制各波长的光程产生相对延迟从而改变脉冲宽度.展宽器是啁啾脉冲放大激光系统中对激光脉冲展宽的装置,基于光线追迹法研究光线在展宽器中的传输路径,可计算飞秒脉冲中各波长的光程,进而计算脉冲展宽量并应用于系统设计.由于展宽器的光程表达式复杂,直接对其求导获得色散表达式较困难,目前只能采用数值导数获得近似解,这在计算过程中会引入误差,不利于激光系统精确设计和优化.本文介绍了一种易实现的求解展宽器色散的解析算法,通过归纳展宽器光程表达式特点,引入四个基元函数,将光程表达式分解和反复代换,可得到高阶色散的精确解析值.本文首先对Martinez型展宽器重新光线追迹,获得与Offner型展宽器一致的相位表达式,其次通过解析算法获得了两种展宽器的精确高阶色散值,最后将解析算法与数值算法的结果进行了比较.该解析算法对于啁啾脉冲放大系统的参数设计具有实用价值.     

使用马丁内兹展宽器的啁啾脉冲放大器特性研究

导出了使用马丁内兹展宽器的啁啾脉冲放大（CPA）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CPA系统- 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     

Analysis of the adjustment precision of the stretcher in the petawatt laser facility

Effects of stretcher adjustment aberration on the residual dispersions of the laser system is analyzed making use of the ray tracing method. It is shown that the adjustment aberrations affect the pulse contrast and we must select an appropriate adjustment precision for the stretcher in the petawatt laser system. And as an example, a proper adjustment precision of the pulse stretcher is also proposed for the SHENGUANG (SG) II laser facility.     

Parameters optimization and phase analysis of decentered grating stretchers

A decentered grating stretcher for chirped pulse amplification systems is analyzed with oblique meridional ray tracing. Several formulae and conclusions are developed to design and optimize the stretcher. On basis of an analytical phase expression with an explicit significance, the expressions of the second-, third- and approximate fourth-order phases at the central wavelength are presented with only independent variables. These simplify the parameter design for this kind of stretcher and the phase compensation design of the whole amplifier system, which has been demonstrated with a practical example.     

Programmable dispersion compensation and pulse shaping in a 26-fs chirped-pulse amplifier

We have constructed a 26-fs chirped-pulse amplifier that incorporates a programmable liquid-crystal spatial light modulator in the pulse stretcher. The modulator serves a dual purpose. First, we apply frequency-dependent phase shifts to compensate for cubic, quartic, and nonlinear phase dispersion in the amplifier, which results in a reduction in pulse duration from 32 to 26 fs, in agreement with the transform limit of the amplified pulse spectrum. Second, we are able to produce high-fidelity compressed amplified shaped pulses by applying phase masks directly within the stretcher. Shaped pulse energies of greater than 1 mJ are routinely obtained.     

Investigation of tunable stretcher for ultrashort pulses based on silica wires with subwavelength-diameters

A new type of tunable stretcher for ultra-short pulses is presented based on silica wires with subwavelength-diameters. Through proper design of the diameters of wires and the refractive indices of surrounding environment, we obtain large second-order dispersion and small higher-order dispersion, which are beneficial for pulses broadening around the operation wavelength. Analysis proves that 5-cm of such wires can broaden over 180 times for ultra-short pulses with 30-fs pulse-width. Tunable stretching ratio of stretcher is obtained by changing refractive indices of surrounding environment.     

Round-trip Dispersion Calculation for Martinez Pulse Stretcher

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ (ＣＰＡ )ｈａｓｂｅｃｏｍｅａｓｔａｎｄａｒｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｐｕｌｓｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ.ＩｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＣＰＡｓｙｓｔｅｍｓ ,ｔｈｅｓｅｅｄｐｕｌｓｅｓａｒｅｅｘｐａｎｄｅｄｉｎｔｉｍｅｂｙｐａｓｓｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈａｓｔｒｅｔｃｈｅｒ.Ｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｅｄｐｕｌｓｅｉｓｔｈｅｎｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｔｏｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎｂｙ…     

用于OPCPA展宽器的原理和优化设计

给出了一种ffner型展宽器的原理和设计,在光线追迹法的基础上用Matlab辅助程序进行了数值模拟计算,得到了影响展宽器性能参数的直观图形,并对这些参数如何影响展宽器的性能进行了分析讨论,最后给出了用于OPCPA展宽器的最优化设计参数.结果表明这种展宽器能将15 fs的脉冲展宽到900 ps.     

A novel confocal optical pulse stretcher for laser pulses

We present an analytical and experimental study of a novel confocal optical pulse stretcher (COPS). The simple and passive pulse stretcher consists of two concave mirrors and a scraper beam-splitter and its optical configuration ensures a perfect spatial overlapping of laser pulses at the beam-splitter. The pulse stretcher is compact and suitable for laser pulses of large divergences. The confocal optical pulse stretcher is demonstrated on a pulsed copper vapour laser to convert a 40 ns (1/e² % points) pulse into a 55 ns with reduction of peak power by a factor of 1.375 without loss of pulse energy.     

Round-trip Dispersion Calculation for Martinez Pulse Stretcher

This paper proposed a ray-tracing model for the Martinez stretcher, derived the calculation formulae for the stretcher of a grating-spherical mirror system and discussed the error for the total dispersion resulted from the spatial dispersion. The calculated results show that the error could be ignored for the beam returned to the stretcher for the second pass in the wavelength range of 750 nm and 850 nm.