光学参量啁啾脉冲放大技术研究

论文摘要

光学参量啁啾放大(OPCPA)技术将是完全替代啁啾脉冲放大(CPA)技术而产生脉宽更短、峰值功率和信噪比更高超短超强脉冲激光的新原理和新技术。本论文首先综述了OPCPA技术概念以及研究进展状况,其次利用已经研究的基本理论,进行了基于钛宝石激光器和锁模光纤激光器的OPCPA系统技术研究。本论文工作的主要内容和取得的创新结果主要有以下几个方面:1.以第Ⅰ类相位匹配的BBO放大器为例,详细研究了OPA过程的基本理论。主要涉及到耦合波方程,光参量放大晶体,相位匹配,带宽以及增益等问题。2.采用第Ⅰ类相位匹配的BBO晶体的放大传递函数方法,对光参量放大中出现的参量荧光的空间特性进行了详细的研究。结果表明参量荧光是根据强角度分布的,在某一特定的非共线角和相位匹配角下,它是以抽运光为中心,呈锥形分布;而在其它的相位匹配区域内,则呈环形分布。3.对宽带OPCPA系统的色散控制进行了详细的理论研究。首先,对色散源进行了理论分析和讨论,其次,计算和分析了OPCPA系统的色散量以及各个过程中的高阶色散对脉冲时域和频域特性的影响。理论模拟结果表明展宽器引入了非常大的色散,放大器中信号光相位变化产生的色散较大,参量晶体本身引入的色散相对较小可以忽略不计。结果还显示出输出脉冲宽度主要受二阶色散影响,而三阶和四阶色散主要影响脉冲的波形和信噪比,对频域影响很小。4.对大展宽比的(?)ffner展宽器进行了详细的理论与实验研究。首先通过光线追迹法对影响(?)ffner展宽器输出脉宽的关键参数进行了理论分析,并以此为基础,进行了详细而深入的实验研究。通过合理优化关键参数,最终将30fs的种子脉冲无色差展宽至545ps,展宽比达到18,167倍。5.进行了基于钛宝石激光器为种子源的OPCPA系统技术研究。第一级放大采用单通结构,第二级放大首次采用单脉冲双通结构,有效提高了转换效率,同时解决了OPCPA中参量荧光影响再压缩脉冲信噪比的技术难题。适用于小型化拍瓦激光装置的宽带前端预放大。放大信号光输出能量为3mJ,总增益达到3×10~7,能量稳定性为＜3%rms,光谱带宽为30nm(FWHM),压缩脉宽为82fs(FWHM)。6.首次进行了以锁模光纤激光器为种子源的OPCPA实验研究。采用两级单通光参量放大(OPA)结构,实现了基于全光纤锁模激光器的高稳定、高效率、高集成、无展宽器的OPCPA技术。放大输出能量为6mJ,总增益达4×10~6,能量稳定性为＜2%rms,光谱带宽为14nm(FWHM),采用光栅压缩器将输出的放大信号光脉冲压缩成525fs的脉冲输出。另外,采用单级双通OPA结构,在维持原有优点的同时,有效提高了转换效率,并且很好地抑制了参量荧光的影响。放大输出能量为2mJ,总增益达2×10~6,能量稳定性为＜2%rms,光谱带宽为8nm(FWHM)。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术的概念
• §1.2 光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术的研究进展
• §1.3 论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 光参量放大基本理论
• §2.1 耦合波方程
• §2.2 光参量放大晶体
• §2.3 相位匹配
• §2.4 光学参量放大器中的带宽
• §2.5 光学参量放大过程的增益
• §2.6 空间走离效应
• §2.7 结论
• 参考文献
• 第三章 光参量啁啾脉冲放大系统中的参量超荧光
• §3.1 引言
• §3.2 点波长信号光参量荧光的空间特性
• §3.3 多波长信号光参量荧光的空间特性
• §3.3 结论
• 参考文献
• 第四章 宽带OPCPA系统的色散控制理论研究
• §4.1 引言
• §4.2 OPCPA系统的色散平衡问题
• §4.3 OPCPA系统的色散源
• §4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 高展宽比的无像差（O|¨）ffner展宽器理论与实验研究
• §5.1 引言
• §5.2 展宽器的发展
• §5.3（O|¨）ffner展宽器关键参数的数值解
• §5.4 高展宽比（O|¨）ffner展宽器实验
• §5.5 结论
• 参考文献
• 第六章 基于钛宝石锁模激光器的OPCPA系统技术研究
• §6.1 引言
• §6.2 实验装置
• §6.3 实验结果与讨论
• §6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 基于锁模光纤激光器的OPCPA系统技术研究
• §7.1 引言
• §7.2 两级单通放大结构
• §7.3 单级双通放大结构
• §7.4 结论
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• §8.1 本论文的主要创新
• §8.2 对未来的工作展望
• 发表文章和专利
• 致谢
• 附录