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光参量放大器件中泵浦激光位相的影响与控制研究

任红艳  
【摘要】: 光参量放大器件主要包括光参量放大器(OPAs)和光参量啁啾脉冲放大器(OPCPAs),是一类基于二阶非线性效应,实现激光脉冲放大的常规器件之一。随着超快技术的日益成熟,以及性能优良,新的非线性晶体的不断出现,OPAs极大地拓宽了获得超宽脉冲的激光波长范围。OPCPAs集合了参量放大和啁啾脉冲放大的共同优点,是一项产生超短超强高功率激光脉冲的新技术,现已获得pw量级的峰值功率输出。 脉冲(光束)质量或者信噪比一直是激光放大系统最为关注的参量之一。由于激光产生过程中未压缩的残余纵模和自发辐射放大(ASE),泵浦光总会伴随着某种程度的位相噪声,尤其是对于高能量的泵浦脉冲,总是有意地调制激光脉冲的位相来压制受激布里渊散射(SBS)。泵浦光的这种位相噪声在参量放大过程将会必然影响信号光。基于此本文主要研究了OPAs和OPCPAs中泵浦激光位相的影响与控制。通过详细分析光参量放大(OPA)过程中的位相传递机制,采用混合注入式的OPA可以在时间域和空间域同时补偿群速度失配或空间走离引起的位相转移,消除了泵浦光位相噪声对信号光的不良影响。进一步研究了双光束泵浦的光参量放大器件的空间位相特性,提出了补偿位相转移的双晶体设计方案,使OPAs在位相方面非常类比于传统的激光放大器。对于高强度的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统,泵浦光的位相噪声将会引起信噪比的下降。在此我们发现了两种影响信噪比下降的新机制,并通过混合注入的方法,在一定程度上控制了泵浦光位相噪声对信噪比的影响。这一研究结果对于超高信噪比要求的OPCPA系统的设计具有重要的意义。本文分以下部分进行论述: 第一章,综述了超快光学的发展和关键的激光脉冲放大技术,介绍了高功率固体激光器的发展状况及其伴随的信噪比问题。 在超快光学的发展历程中,克尔透镜锁模(KLM),角色散为基础的群速度色散控制,频率转换,啁啾脉冲放大(CPA)以及OPCPA等核心技术起到了突出的作用,基于此,激光系统已实现阿秒(as)量级和超过PW峰值功率的脉冲输出。而信噪比是限制高功率激光技术发展的主要问题之一,对于超高脉冲信噪比的要求,则更微弱的影响信噪比下降的因素也必须加以考虑和分析,这就激发了人们在超高脉冲信噪比新机理方面的研究。 第二章,OPAs的位相特性研究及泵浦光位相噪声对信号光的影响与控制。 基于非线性耦合波方程组,用分步傅里叶和四阶-龙格库特算法研究了OPA过程中泵浦光到信号光的位相转移特性,及其影响因素。通过混合注入的两级OPA,能够在时间域和空间域同时阻断位相转移,恢复信号光位相,消除泵浦光位相噪声对信号光的不良影响,保证信号光的脉冲和光束质量。对混合注入方式的OPA进行了全面的,详细的分析,发现了这种结构更多的优良特性。 第三章,双光束泵浦OPAs和OPCPAs的位相转移及控制。 为了提高OPAs性能,并基于双光束泵浦OPAs的多种优点,研究了双光束泵浦OPAs的空间位相特性。空间走离引起了两束泵浦光位相同时转移给信号光的复杂过程。采用一个空间走离补偿的OPA装置有效降低了两束泵浦光到信号光的位相转移,使信号光不受任何泵浦光位相噪声的影响,从而保证了信号光的光束质量。如此的OPAs不再对泵浦光的光束数量和位相(或者光束质量)敏感,进而在位相方面非常类似于传统的能级型激光放大器。 第四章,泵浦光位相噪声引起OPCPA系统信噪比的下降及信噪比的优化。 基于OPCPA技术获得高功率,周期量级激光脉冲的广阔前景,研究了OPCPA系统中泵浦激光位相噪声对信噪比的影响与控制。发现了两种影响信噪比下降的新机理:(1)群速度失配(GVM)引起的泵浦光到信号光的位相转移;(2)群速度色散(GVD)引起的泵浦光位相调制(或者频率调制,FM)到强度调制(或者振幅调制,AM) (FM-AM)的转换。采用混合注入的方式,在一定程度上控制了信噪比的下降。 最后,总结与展望


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