啁啾脉冲放大器在线视频

大家好

我们今天来学习一下

啁啾脉冲激光放大技术

主要的内容

第一个是介绍了一下

什么叫啁啾脉冲放大器

第二个是里头的器件

啁啾脉冲展宽与压缩的部分

首先看一下啁啾脉冲放大器

在前面讲

不管是光纤激光器

还是半导体激光器

还是固体激光器

主要还是

希望它要高能量 大功率的输出

但是在振荡级中很少能够

直接产生高能量大功率的脉冲

那怎么办呢

就把激光输出来的种子光做放大

放大通常的装置就是种子光出来

放一个增益介质然后

给一个泵浦源做一级放大

再接着做二级 三级 多级放大

这个放大呢

管它叫主振荡放大器

就是Master Oscillator - Power Amplifier

这个叫MOPA系统

MOPA系统的主要的装置

就是这个图

刚才说过了种子光出来

先给它做一级放大

一级放大以后

这个光束如果这个直径

比较小给它扩束

扩束之后进行二级放大

如果还不够 再接着扩束

做三级放大

但是问题是

这个是在连续光和脉冲比较宽的时候

可以用这种系统

那如果脉冲比较窄

比方说讲的飞秒脉冲

还能用这种系统来放大吗

问题就是说能吗

想一下说不能了

为什么不能了呢

因为这个超短脉冲

它的这个脉宽非常的窄

因此它的峰值功率非常高

峰值功率高就是刚才说的

比方说那个手术刀又锋利

然后能量又高

那是不是砍到哪儿

就把哪儿就打坏了

因此这个超短脉冲放大

就受到了一个限制

同时还有一个原因

就是峰值功率高了以后呢

它的非线性效应会比较强

非线性效应强就会产生

各种非线性效应

第三个问题产生的就是这个时候

因为这个超短脉冲它是有一个波前

这个波前就会产生畸变

波前产生畸变

脉冲的形状就发生了变化了

因此MOPA系统

不适合于超短脉冲激光放大

那怎么办呢

这个想一下有什么办法

有什么办法大家想一下

如果脉冲很窄的话

说明他的光谱是很宽的

就是一个宽光谱而谱宽宽了以后

前面讲了很多次

这个色散就在里头起作用了

色散导致脉冲展宽

这个在前面在通讯中

色散导致脉冲展宽

是它的一个缺点

但是想一想啊

如果这个脉冲展宽

同样的能量下

那么它的峰值功率是不是就降下来了

那因此可以提供一个思路

说可以把这个超短脉冲

先给他展宽让它的峰值功率降下来

然后做放大

放大完了之后呢

再给它压缩

就可以变成一个又窄又高的脉冲

因此这个就是

超短脉冲激光器的放大

超短脉冲激光器的放大呢

给他起了一个名字

叫做啁啾脉冲放大器

叫做Chirped Pulse Amplification

Chirped这个词儿也提过几次的叫啁啾

就是它在一个大的波包中

里头的各个不同的频率分量

它们的传输速度是不一样的

有快有慢

就跟啁啾一样

就跟鸟儿叽叽喳喳叫一样

所以管它叫啁啾

那这个技术是什么呢

技术是看一下下面的这个图

就是入射的脉冲本来是很窄

用色散把它脉冲展宽

就带有啁啾了这个脉冲带有啁啾了

然后这个脉冲把它做放大

放大了之后

这个脉冲还是一个啁啾脉冲

然后把它再进行压缩

这样子就获得了一个大能量的脉冲输出

那因此呢在这个系统中就主要

分为三个部分

第一部分是脉冲展宽

第二部分脉冲放大

第三部分脉冲压缩

所以就分这三个段

来分别的给大家做一个介绍

为什么说强调这个啁啾脉冲放大器

看一下激光器的发展趋势

就是强度发展趋势

大家看一下其中这条曲线

这个白颜色的曲线

其中有一条是很平的曲线

什么意思呢

就是脉冲当它的能量放大到一定程度之后

它的这个峰值功率就受到了限制

和脉冲上不去了

后来直到后来在89年

就是由Mourou先生提出来

一个啁啾脉冲放大技术

有了这个技术之后

这个峰值功率才突飞猛进的增加

那因此Mourou先生在18年

因为这个获得了诺贝尔奖

那他这个过程

就是刚才说的叫啁啾脉冲放大器

啁啾脉冲放大器

这个图中展宽器呢用的是

色散元件

色散元件

大家还记得讲的主要有3个

一个是光栅对 一个是棱镜对

还有一个是光纤光栅

那在固体激光器中呢

用的比较多的就是一个是光栅对

一个是棱镜对

在这个系统中

因为要先展宽后面还要再压缩

因此系统中用的展宽和压缩器件

用的是光栅对

在这个系统中

大家看一下这个图

入射的这个脉冲先经过光栅对展宽

展宽之后经过放大

放大了之后

再用光栅对做压缩最后输出

所以这个就是

一个CPA的一个主要的装置

那这是85年提出来的装置

因此现在说目前的这个国际上

最超短超强脉冲

就是国家上海光机所获得的脉冲序列

它的这个最大的

峰值功率是10个PW

脉宽是21个飞秒

这是在国际上是最领先的

因此就要

要想获得高输出能量

高峰值功率窄脉冲的激光

就要用CPA系统

CPA系统先介绍一下放大器部分

放大器呢

跟这个前面

用的放大器差不太多

它有两种大的类型

一种叫再生放大器

再生放大器就是在激光器

输出来的激光在放大的过程中

前面讲MOPA系统是依次放大

这个输出的种子光经过放大介质

就被放大了

如果不够再把它再来一回

就是二次放大

而再生放大不是

再生放大它是有腔的

里头绿颜色的光是一个泵浦光

如果以钛宝石为例的话

这个泵浦光打到

这个钛宝石上产生的这个光

并且种子光也输入进来了

那么种子光在里头来回振荡

当放大到一定这个程度的时候呢

里面有一个普克尔盒

有一个选脉冲的装置

就是入射脉冲让它在这个

再生放大器中来回的放大

放大到一定程度之后

让它脉冲输出

所以普克尔盒起开关作用

再生放大器的优点是光束质量好

但是它也会造成就是因为功率比较高嘛

会有一个光谱窄化效应

所以在这个系统中

加一个光谱整形装置

用的是谁呢

用的是系统中的蓝颜色的片

叫做双折射滤波片

是脉冲整形

这样子就

可以获得一个宽光谱的输出

解决了一个增益窄化的问题

看一下这个装置啊

就是中间加了一个双折射滤波片

大家知道滤波片其实就是一个

光谱调制的器件

所以左边这个图呢

就是如果原来没有被整形的时候

这个增益它会是一个

蓝颜色的这条曲线

随着这个输出功率越来越高的时候

增益呢就会变得越来越窄

那这个时候如果想获得窄脉冲

记着咱们的目标是获得窄脉冲

所以要让这个谱呢越宽越好

那怎么越宽越好呢

就在这个增益曲线上

给它加一个调制曲线

就这个绿颜色的曲线

就是由这个双折射滤波片带来的

其实说白了

就是让它增益这个高的部分

让它降下来

给它一个大的损耗

低的部分让它上去

所以这两个蓝颜色和绿颜色的曲线

两个合起来就形成了这个

图中的红颜色的曲线

就是调制以后的

这个光谱的这个增益特性呢

它的光谱变的比较宽了

所以可以解决增益窄化的问题

获得窄脉冲

宽光谱窄脉冲

那右边这个图呢

就是如果没有加整形之前

是蓝颜色的这条曲线

它的光谱的宽度是28纳米

如果加了这个滤波限制以后呢

这个光谱可以被展宽

就变成了一个65个纳米的光谱宽度了

那因此它支持的超短脉冲脉宽就不一样了

所以再生放大器

再生放大器出来的脉冲呢还不够大

怎么办呢

接着再放大这个时候的再放大呢

就相当于是把这个光打到晶体上

让他做放大

但是通常情况下

这个一次性穿过增益介质

它的放大的能力不够

并且里头的增益介质

增益粒子并没有完全被消化掉

所以可以让这个光呢

给他折叠回来

接着穿过这个增益介质

所以就叫多通放大器

所以在这个系统中看一下这个图

绿颜色的曲线呢是泵浦光

那么红颜色的曲线呢

就是刚才说再生放大出来的那束光

经过第一个折叠镜过来

打到这个增益介质上

然后呢让它再经过左边的这两个反射镜

让它再反射回来再返到增益介质上

经过几次放大以后输出的

脉冲能量就会变得比较高

所以就可以

获得一个高增益 高转换效率的系统

这个多通放大器

可以看一下是一个模拟了一下实物图

就是刚才说的绿颜色的曲线呢

是泵浦光

打到这个增益介质上

然后红颜色的曲线呢

就是代表的是这个振荡光

它经过这个两边儿有个折叠镜

那么它来回反射几次就可以输出光

所以叫多通放大器

有了这个以后

功率就可以输出了

多通放大

放大了以后还要被压缩

这个图是一个啁啾脉冲放大器的

整体的一个图

看一下上面的

那个就是上面那两个框

上面两个框里头

主要分为两大部分或者叫三大部分

上面的那个框里头是有两个放大器的

就是下面那个26

这个对应的腔是再生放大器

然后上面看到像多通一样的

来回折叠了好几次27那个位置

那个是多通放大器

展宽和压缩在哪儿呢

展宽和压缩在下面的这个框里头

左边的这一部分就是

橙黄色的这个部分是展宽器

后面这个粉颜色的部分是压缩器

最左边种子光进来

然后经过扩束

经过隔离器

入射到这个展宽器上

展宽器呢

这个位置放的是一个光栅

一会儿具体的讲

这个展宽器和压缩器

光栅然后它打到左边是一个凹面镜

然后来回反射之后

这个被展宽的光往上走

走到这个再生放大器中

然后再生放大器出来的光再经过

这个光路再经过多通

然后多通光出来的光呢

再下来就到了右边这边了

下来以后就进入到了压缩器

压缩器也是由光栅组成的

左边的这个小转台上的也是一个光栅

是压缩器的光栅

然后经过折叠就输出了

值得强调的一下

就是里头呢这个下面的图

是整个装置的

在桌面上平面上看它的光路

那大家会发现

这个光路其实它不是在同一个平面上

它是在有一个立体的这个角的过程

这个就叫啁啾放大器的主要装置

下面图是上海光机所

他们10拍瓦激光系统的

一个原形的模拟图

大家可以看一下

那么主要分为几个部分

一个是这个左边有一部分

左边有一部分呢这个入射的光脉冲

它的能量前端已经被放大了

入射的光的脉冲能量是7到8mJ

然后进来之后在

第一个放大端呢有展宽 放大 压缩

出来以后就是几个焦耳

几个焦耳就可以提供一定的实验

可以提供一个平台了

但是这个平台它的这个能量还不够高

所以接着输出的光给它再放大

就是右边的那一部分

右边的那一部分放大以后呢

最后就可以

在这个压缩前

就是图的右下角是压缩装置

在进压缩装置之前呢

这个脉冲的能量可以达到400个焦耳

然后压缩以后就可以

到达280焦24个飞秒

这个是上海光机所的一个原型图

这个系统的上边部分

上半那边主要是泵浦光是泵浦源

所以是有Nd的这个激光器

Nd的玻璃激光器

碟片激光器

是提供泵浦的

有了这个就输出的能量

现在就是说已经到了10PW了