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啁啾与超短脉冲展宽

啁啾是个象声词,在网上搜索,发现它有鸟鸣和多种乐器的齐奏声等多种解释,更有许多著名的文人骚客以啁啾作诗词咏志,科学家们也不寂寞,发明了啁啾镜、啁啾脉冲和啁啾光栅等许多名词。在超强超短激光领域,啁啾激光脉冲的时间频率分布是随着时间的变化而单调变化的,不同时间对应不同的激光频率,如图1所示,当一个激光脉冲时间前沿对应的激光频率低(波长长),后沿对应的频率高(波长短)时,就称这个脉冲为正啁啾脉冲,反之则称为负啁啾脉冲。

啁啾与超短脉冲展宽

图1 正啁啾激光脉冲的频率随时间的变化关系(前沿对应的波长长,后沿对应的波长短)

啁啾脉冲为超短激光脉冲的放大打开了一扇宽广的门,其原理是先把一个很短的脉冲进行成千上万倍的展宽,然后再对展宽后得到的宽啁啾脉冲进行放大,当放大得到了很高的能量输出后,再用压缩器把宽啁啾激光脉冲的宽度压缩回超短的初始状态,这样就可以获得具有更高功率的超强超短激光脉冲输出,实现对超强超短激光脉冲的顺利放大。啁啾脉冲激光放大技术是一项造福人类且斩获诺奖的伟大发明,对其原理的示意如图2所示,利用它可以在不扩束情况下,轻轻松松就把超短激光脉冲的峰值功率提高成千甚至上万倍,这个提高的倍率在理论上应该和超短脉冲的宽度展宽倍率相当。

啁啾与超短脉冲展宽

图2 啁啾脉冲激光放大原理

如果没有扩束和聚焦,上述由展宽倍率带来的超短激光脉冲峰值功率提升红利也是有限的。因此在实际的高功率激光装置中,要进一步提升放大激光的峰值功率,还必须要考虑聚焦和扩束放大的影响,在理论上,如果放大时把激光光束的口径扩大100倍,则放大提取的能量就可以增加10000倍,此时如果再利用压缩和聚焦,同时把激光脉冲的时域宽度和空域宽度都压缩成一个很小的数值,这样就可以在放大链的末端得到具有更高功率密度的超短激光脉冲输出了。
Holaser对啁啾脉冲激光放大的模拟,考虑的因素包括脉冲展宽、脉冲压缩、脉冲扩束、脉冲放大和各类非线性效应的影响等,其对脉冲展宽器的模拟计算效果如图3-图8所示。

啁啾与超短脉冲展宽

图3 注入展宽器的超短激光脉冲波形采样

啁啾与超短脉冲展宽

图4 展宽器输出的宽啁啾激光脉冲波形

啁啾与超短脉冲展宽

图5 注入展宽器的超短激光脉冲的瞬时频率(波长)分布

啁啾与超短脉冲展宽

图6 展宽器输出的宽啁啾激光脉冲的瞬时频率(波长)分布

啁啾与超短脉冲展宽

图7 注入展宽器的超短激光脉冲的频谱分布

啁啾与超短脉冲展宽

图8 展宽器输出的宽啁啾激光脉冲的频谱分布

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