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宽带啁啾脉冲放大研究

蔺玉珂  
【摘要】: 啁啾脉冲放大(CPA)技术是获得高功率超短激光输出的最重要技术。但是,放大过程中存在一些不可避免的效应,比如受到增益介质内的增益窄化、增益饱和、自相位调制以及色散等效应的影响,输出脉冲的波形和频谱产生畸变,进而严重影响脉冲的有效放大、压缩及光束质量,有必要对啁啾脉冲放大系统中的光传输放大问题进行研究,从而为超短脉冲系统的优化设计提供理论参考。 当输入脉冲的宽度远远小于增益介质带宽时,一般采用窄带脉冲放大模型—Frantz-Nodvik模型,利用光子输运方程和速率方程来描述脉冲的放大过程。窄带脉冲在均匀与非均匀加宽介质中传输时,没有很大区别,但能量的提取效率较低。因此,通过引入线性啁啾将脉冲进行展宽,使输入脉冲宽度与增益介质带宽可以比拟,可采用宽带脉冲放大模型对放大过程进行分析,能量提取效率提高了,但增益窄化效应对脉冲的影响更加明显。另外,在宽带脉冲放大模型中,增益系数与增益介质的带宽与加宽线型有关。目前的研究工作都集中在均匀加宽介质中,而在非均匀加宽介质中的相关研究相对滞后。 将脉冲在均匀加宽介质中的放大理论方法完善到非均匀加宽介质中,考虑增益系数中反转粒子数的加宽线型,利用线性啁啾脉冲的时间和光谱的对应特性,将非均匀加宽介质中的脉冲分割为众多窄带脉冲序列。在脉冲序列中,利用脉冲的非线性薛定谔方程和分步傅里叶方法,采用已有窄带脉冲的处理方法对脉冲进行数值计算。通过计算比较了啁啾脉冲在非均匀加宽和均匀加宽介质中,增益窄化、自相位调制和增益饱和等效应对放大脉冲的影响,为了得到理想的增益脉冲,并根据计算结果提出相应的措施加以避免。 脉冲的压缩在啁啾脉冲放大系统中也同样重要。研究了光栅对压缩器的结构、原理,并分析了二阶色散量φ_2随入射角、光栅间距的变化情况,然后分别讨论了当脉冲通过压缩器后,增益窄化、自相位调制和增益饱和等效应对压缩后脉冲的影响。


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