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啁啾体布拉格光栅(CVBG)在脉冲展宽与压缩领域的应用

导读: 前言:飞秒超快强激光技术是或得高功率飞秒光源的重要手段。自上世纪80年代,Mourou等人首次将雷达信号放大理论应用于光学领域,提出啁啾脉冲放大(CPA)技术概念以来,飞秒超快强激光技术就取得了很大的发展。啁啾脉冲放大(CPA)技术的核心思想是:为避免放大过程中,光脉冲能量超过元件的损伤阈值而损伤元件,同时又可以有效地从增益介质中抽取能量,先将脉冲经过展宽器展宽后再进入放大器中放大,从放大器中出来的脉冲再经过压缩器压缩,这样就可以得到短脉冲、高功率的飞秒脉冲。

 --- 基于高损伤阈值CBG在飞秒激光中的应用
 
前言:飞秒超快强激光技术是或得高功率飞秒光源的重要手段。自上世纪80年代,Mourou等人首次将雷达信号放大理论应用于光学领域,提出啁啾脉冲放大(CPA)技术概念以来,飞秒超快强激光技术就取得了很大的发展。啁啾脉冲放大(CPA)技术的核心思想是:为避免放大过程中,光脉冲能量超过元件的损伤阈值而损伤元件,同时又可以有效地从增益介质中抽取能量,先将脉冲经过展宽器展宽后再进入放大器中放大,从放大器中出来的脉冲再经过压缩器压缩,这样就可以得到短脉冲、高功率的飞秒脉冲。

根据啁啾脉冲放大原理,飞秒强激光脉冲系统主要由四部分组成:超短脉冲振荡器、脉冲展宽器、脉冲放大器以及脉冲压缩器。飞秒脉冲系统的关键技术就是色散补偿问题,即脉冲展宽器与 脉冲压缩器的合理设计的问题。下面就简单介绍一下飞秒激光系统中的脉冲展宽器和脉冲压缩器:

(1) 脉冲展宽器设计原理:脉冲进入脉冲展宽器,经过脉冲展宽器的光栅(CBG) 衍射后,脉冲中不同频率的光因衍射角不同而分散开,而衍射元件的放置又使脉冲的蓝光部分的光程比红光部分长,这样红光就会先于蓝光离开脉冲展宽器,种子脉 冲就得到了初始展宽,经过展宽后的脉冲峰值功率低,这样就不会损伤光学元件且能避免脉冲光过强而产生的各种非线性效应。

(2) 脉冲压缩器设计原理:与脉冲展宽器正好相反,脉冲压缩器是将已经展宽的高能量光谱再压缩回其初始的光谱状态。这样,就得到了短脉冲、高功率的飞秒脉冲。
 
那么如何获取一个理想的脉冲展宽器和脉冲压缩气呢? 那么, 啁啾体布拉格光栅(CBG)是一个良好的选择。
啁啾体布拉格光栅是第一款可商业用于飞秒激光脉冲的展宽和压缩的光栅产品。它是一种反射式布拉格光栅且周期沿着光传播的方向逐渐变化。它还是目前超短飞秒脉冲激光领域能够承受高脉冲能量和高功率的最小脉冲展宽器和脉冲压缩器。
 
在目前的光栅市场中,传统的刻痕光栅只能承受10W以下的平均功率,而光纤光栅也不能承受较高的功率密度。所以,现在的高功率啁啾脉冲放大(CPA)多依赖于电介质衍射光栅进行脉冲的压缩。但是,这种电介质光栅仍然具有与传统光栅同样的缺点:体积较大、偏振敏感性强、光学设置复杂等。为了克服这些缺点,就需要重新寻找一款新型的脉冲展宽器和压缩器。终于,科研工作者通过对高分子材料——光敏玻璃(Photo-Thermo-Refractive glass简称 PTR)的加工,成功的研制出了大孔径啁啾体布拉格光栅(CBG 上海昊量光电设备有限公司-中国地区代理商)用于啁啾放大技术(CPA)的脉冲的展宽和脉冲的压缩。基于啁啾体布拉格光栅(CBG)( 上海昊量光电-中国区域代理商)设置的高功率光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统如图1所示:
 

图1  高功率光纤CPA放大系统的实验设置图
   
    随着技术的共同性,国内的一些科研工作者们也逐渐开始用这种新型的啁啾体布拉格光栅(CBG)用于脉冲的展宽和脉冲的压缩,并且得到很好的效果。具啁啾体布拉格光栅(CBG)产品及工作原理图如图(2)和图(3)所示。
 

 
图2  啁啾体布拉格光栅产品 
 
 图3  脉冲的展宽与压缩(种子光从一侧射入可展宽,另一侧则压缩)
 
2008年,我们在啁啾体布拉格光栅(CBG)充当脉冲展宽器和脉冲压缩器的光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统中已经成功的演示了最常用的两种波长:1.55um和1um.在1050nm处,我们用具有75%反射率的啁啾体布拉格光栅(CBG)作为脉冲展宽器和脉冲压缩器在光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统中得到了平均功率75W、脉冲宽度为650fs的激光脉冲。事实上,我们现在系统的平均功率远远低于啁啾体布拉格光栅(CBG)的损伤阈值,因为啁啾体布拉格光栅(CBG)至可以承担10^11W/cm^2的功率密度(可参考CBG专利资料)。
 

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