（光学专业论文）掺钛蓝宝石飞秒激光放大系统的理论与实验研究.pdf

摘要 f l 目前，高功率超短脉冲激光放大系统输出的激光脉宽达到几个飞秒，峰值功 率达到太瓦甚至拍瓦量级，聚焦功率密度达1 0 2 0w c m 2 ，甚至1 0 2 。w e r a 2 ，相应的 电场比原子内库仑场强得多。这样的脉宽和功率密度带来了实验室前所未有的高时 间分辨率以及强电场，强磁场，高压强和高温度的极端物理条件，引发了基础科学 和技术科学一场广泛而深刻的变革。勿庸置疑，关于超短超强脉冲激光的产生c p a 技术的研究亦成为一个热点。我们所进行的国家攀登计划“九五”预选项目“强场 激光物理与飞秒超快过程的研究”( 9 5 预2 0 ) 中的子课题：“3 0 f s 阱下t w 级激光 系统的研究”，正是致力于飞秒c p a 系统的研究嗨文就我们所做的主要工作进行了 阐述，其中包括： 1 系统阐述了飞秒激光啁啾脉冲放大系统的发展、应用及未来的发展趋势，重 点介绍了c p a 技术的基本原理及实验结构。 2 对c p a 系统的主要环节及关键技术进行了研究：掌握了钛宝石激光器的调节 和维护技术，较深入地研究了飞秒激光脉冲产生的机理其中对群速色散、自相位调 制、自锁模等问题进行了详尽的分析；总结了超短激光脉冲的测量技术，重点研究了 干涉自相关测量法：在总结展宽器类型的基础上，对无象差展宽器进行了理论计算、 优化设计，提高了展宽倍数；深入论述了脉冲列的选单问题，熟练掌握了脉冲选单技 术。归纳了c p a 系统中放大器的类型，研究t k 通预放大系统的放大机理以及诸多 效应；系统分析了c p a 系统中的二、三、四阶色散的来源以及它对整个放大系统的 影响，并提出了相应的补偿方案。 7 、一， ? l 。 关键词：钛宝石激光器飞秒激光脉冲啁啾脉冲放大群速度色散 增益窄化 自相位调制色散补偿增益饱和克尔电光效应 ， 【 a b s t r a c t p r e s e n t l y , t h el a s e rp u l s ef r o mt h eh i g hp o w e ru l t r a s h o r t l a s e r s y s t e mi s s e v e r a l f e m t o s e c o n d si nd u r a t i o n ，t w ( o ra w ) l e v e li np e a kp o w e r , 1 0 2 0w c m 2 ( o r1 0 2 w e r a 2 ) i nf o c u s i n gp o w e r d e n s i t y , a c c o r d i n g e l e c t r i cf i e l di sm u c h s t r o n g e r t h a nc o u l o m bf i e l di n a t o m s s u c hp u l s e w i d t ha n dp e a kp o w e ri n t r o d u c e se x t r e m ep h y s i c a lc o n d i t i o n ss u c ha s h i g ht e m p o r a lr e s o l v i n gp o w e r , s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i c f i e l da n dh i g hp r e s s u r e a n dt h e s e i n u o d u c e dac o m p r e h e n s i v ea n dp r o f o u n dr e v o l u t i o ni nf u n d a m e n t a la n dt e c h n o l o g y s c i e n c e o u to f q u e s t i o n ，t h ec h i r pp u l s ea m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t h a tg e n e r a t eu l t r a s h o r t a n du l t r a h i g hl a s e rp u l s eh a sb e c o m eaf o c u si nr e s e a r c hf i e l d f o r t u n a t e l y , t h ep r o j e c t “t h er e s e a r c ho ns h o r t e rt h a n3 0 f s ，t e r a w a t tl e v e l sl a s e rs y s t e m w eu n d e r t a k ei sa b o u t c p a s y s t e m t h i sp a p e rr e p o r t e d 0 1 1 1 m a i nr e s e a r c h ，i ti n c l u d e s 1 t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n dt r e n do ft h ec p as y s t e m ， e s p e c i a l l yi n t r o d u c e s t h ee s s e n t i a lp r i n c i p l ea n d e x p e r i m e n t s t r u c t u r e 2 t h em a i np a r ta n dk e yt e c h n i q u eo ft h ec p as y s t e mi ss t u d y ：t h eg e n e r a t i o no f t h e f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ei ss t u d y , t h em o d u l a t i o na n dm a i n t e n a n c eo f t h et i ：sl a s e ri s l e a r n e d ；t h et y p e so f t h em e a s u r e m e n tf o ru l t r a s h o r tl a s e rp u l s ei sg e n e r a l i z e da n dt h e i n t e r f e r o m e t r i ca u t o c o r r e l a t i o ni se x p a t i a t e d ；t h ev a r i e t i e so f t h es t r e t c h e r si ss u n lu p a n da b e r r a t i o n - f r e es t r e t c h e ri sc a l c u l a t e da n do p t i m i z e dt oi m p r o v et h es t r e t c h i n g r a t i o ；t h ep u l s es e l e c t i o ni sa n a l y z e da n das i n g l ep u l s ec a nb es e l e c t e ds u c c e s s f u l f r o mt h ep u l s et r a i na tar e p e t i t i o nr a t eo f8 2 m h z ；t h ek i n d so f t h ea m p l i f i e ri nc p a s y s t e mi sg a t h e r e du p ，t h ee i g h t - p a s sp r e - a m p l i f i e ra n d ag o o dm a n ye f f e c t si ni ti s i n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h es e c o n d ，t h i r da n df o u r t h - o r d e rd i s p e r s i o n si nc p a s y s t e mi s a n a l y z e ds y s t e m i c l y , a n dt h ea c c o r d i n g m e a n sf o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni sw o r k e d o u t 一一_ | 一一i 一- i i k e y w o r d s t i ：s a p p h i r el a s e r f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e c h i r pp u l s ea m p l i f i c a t i o n g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n g a i nn a r r o w i n g s e l f p h a s em o d u l a t i o n d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n g a i ns a t u r a t i o n k e r r e l e c t r o o p t i ce f f e c t s 【i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得酉j e 盘堂或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 黄圣鸿 签名日期：2 0a 2 年争月9 0 日 第一章绪论 飞秒激光于1 9 8 1 年5 月份在美国问世。自此，在过去的：二十年罩，激光技术领 域发生了一场深刻的变革。特别是啁啾脉冲放大( c h i r pp u l s ea m p l i f i c a t i o n 简称 c p a ) 技术【1 】与飞秒激光技术 2 1 的结合，树立起了超短超强激光领域一个新的里程 碑。迄今为止，从固体激光系统所产生的最短光脉冲，脉宽已几乎接近理论极限3 f s 1 3 1 , 而峰值功率可高达1 5 0 0 t w ( 1 5 p w ) 。这样的极端物理条件使得飞秒激光在许多 方面有着特殊的用途，因而成为当今学术研究的热点和新兴学科的生长点。 啁啾脉冲放大( c p a ) 技术是产生大能量超短脉冲的重要手段。最初是由 d s t r i c k l a n d 和g m o u r o u 为了避免光放大器受到光脉冲强度的限制，将 e b m k n e r 进行雷达信号放大的理论首次应用于光学领域的1 4 1 。此后，基于啁啾脉冲 放大技术的各种放大装置相继产生，如再生放大器，多通放大器，再生多通放大器， 全多通放大器。1 9 9 7 年，i n r o s s 等又提出光学参量啁啾脉冲放大( o p t i c a lp a r a m e t r i c c h i r p e dp u l s ea m p l i f i e r 简称o p c p a1 技术1 5 1o 在短短几年时间里，超短超强激光脉 冲的研究不断创出新高。 1 1高功率超短固体激光器的发展与应用 一、高功率超短固体激光器的发展概况 l 、基于啁啾脉冲放大原理的各种放大技术 啁啾脉冲放大( c p a ) 技术的一般原理是在维持光谱宽度不变的情况下通过正色 散元件先将脉冲在时域上展宽( 展宽比一般为：1 0 3 1 0 5 倍) ，成为所谓的“喟啾脉冲”， 使其峰值功率降低到系统元件的损伤阈值以下，从而避免强光对系统元件的损伤； 尽可能避免出现增益饱和效应及非线性效应i6 j ；同时，也可使脉冲从增益介质中充 分提取能量。最后当脉冲能量放大后( 放大倍数一般为：1 0 “倍) 。借助与脉冲展宽色 第一章绪论 散相反的元件将脉冲压缩( 压缩倍数1 0 3 1 0 5 倍) ，从而获得高峰值功率的超短光脉 冲。其原理如图l 所示，该系统通常由四部分组成：( 1 ) 超短光脉冲振荡器；( 2 ) 脉冲 展宽器：( 3 ) 脉冲放大器；( 4 ) 脉冲压缩器。其中展宽器通常由光栅和一个成像光学元 件，如凸透镜、球面镜或抛物镜构成。压缩器为与展宽器共厄的色散补偿光学元件。 图1 典型的c p a 原理图 f i g 1t h et y p i c a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec p a c p a 中的放大器通常采用再生和多通放大结构。再生放大，就是从锁模光脉冲 序列中选出一个种子脉冲注入再生放大器的谐振腔，利用谐振腔有效放大种子脉 冲，后用腔倒空原理使放大的信号导出。由于光信号在腔内往返次数多，相当于经 过多次的空间滤波，所以最后输出的光束质量好 多次通过放大介质所以放大倍 数高。但同时，光信号多次往返通过放大介质和普克尔盒，这会引入高阶色散，无 法补偿，同时也限制了系统带宽。再生放大器模体积的选择对放大器的性能有极大 的影响，模体积太小，输出能量低，模体积太大，光束质量差。多通放大器是用一 组反射镜来重复反射信号光，让其在放大介质中多次通过，从而使介质反转粒子数 得以充分利用。每一通道的路径稍有不同，通道数目较少( 一般小于l o 次) 。多通放 2 大器是一种功率放大器，光脉冲将尽可能多的提取储存在增益介质中的能量，其输 出功率主要受限于光学元件的损伤阈值【 。其优点是引入的色散较少，增益窄化效 应较弱。若激光脉冲的脉宽很窄宜用多通放大结构。若激光脉冲的脉宽较宽，预 放大宜用再生放大结构，功率放大宜用多通放大。当然，也有采用全多通进行放大 的例子 8 1 。 2 、c p a 过程中的诸多效应 在c p a 的放大过程中，影响脉冲的频谱、脉宽以及放大效率的因素很多，如群 速色散、自相位调制、增益窄化效应、增益饱和效应等。在放大程中，一般都要综 合考虑上述诸因素，以获得超短超强激光脉冲。这些效应我们将在后面的章节中逐 一讨论。 3 、近期发展的基本状况 近年来，激光脉宽不断缩短，峰值功率不断提高，这得益于啁啾脉冲放大技术 的引八、掺钛蓝宝石材料的发明和锁模激光技术的应用1 9 1 。图2 为激光强度的发展 进程简图。按所用增益介质、输出脉冲的峰值功率及重复频率，啁啾脉冲激光放大 系统主要可分为三个大的发展方向。 ：厂了i 二f ，一l 拦二二。篡一 图2 激光强度随年份的变化 f i g 2l a s e ri n t e n s i t yv s y e a r 第一个发展方向是高能量，低重复频率系统。这类系统主要采用高效储能大孔 径介质如钕玻璃或是钛宝石，钕玻璃混合系统作为放大介质，再加上c p a 技术的运 用，形成了全新的一代高功率超短脉冲固体激光系统，脉冲宽度一般为数百飞秒， 3 第一幸绪论 输出能量数十至数百焦耳，输出功率大都高于5 0 t w ，甚至超过i p w ，聚焦功率密 度高达1 0 1 9 _ 一1 0 “w c r n 2 。但重复率很低，有的系统要数十分钟乃至数小时才输出一 个光脉冲。这方面的研究工作主要集中于世界上几个大的国家实验室及研究机构中。 如美国的利佛莫尔国家实验室( l l n l ) 、日本大阪大学激光工程研究所( i l e ) 、英 国卢瑟福实验室( r a l ) 、日本原子能研究所( j a e r i ) 、法国里梅尔实验室( l i m e i l ) 1 1 6 1 等。特别值得一提的是，1 9 9 9 年利佛莫尔国家实验室利用t i ：s a p p h i r e - - n d ：g l a s s 激光系统产生了大于1 5 0 0 t w 峰值功率的激光脉冲，聚焦后的功率密度达到 1 0 2 1 w c m 2 ，对应的电场强度为8 x 1 0 v t e m ，这是目前人类所获得的峰值功率最高 的激光脉冲1 1 7 1 。 第二个发展方向是重复率主要集中在5 0 h z 以下，脉宽较小，脉冲能量较高( 焦 耳量级) ，峰值功率也较高的激光放大系统，增益介质主要是掺钛蓝宝石。这类系统 应用较广，因而发展最快。在国外，这一研究领域是非常活跃的。从九十年代以来， 输出激光脉宽小于5 0 f s ，峰值功率2 t w 以上的激光系统相继研制成功。例如：1 9 9 4 年，加利福尼亚大学的c p j b a r t y 等人首次通过控制飞秒尺度上的相位和振幅畸变， 在重复率为1 0 h z 时，获得了3 0 f s ，4 0 t w 的脉冲【储 。1 9 9 5 年，华盛顿州立大学的 j e z h o u 等人利用简单的药爵钛宝石放大系统，获得了2 6 f s ，6 0 m j ，2 t w 的脉冲，重 复率1 0 h z 0 9 。1 9 9 6 年c p j b a r r y 等人又进一步改进系壳将罡衙甜钢神f 凝帜有l 躲， 4 4 t w ，重复率5 0 h z 田，展宽倍数超过1 0 0 , 0 0 0 。同年，c e c h a m b a r e n t 只用三级放大，产 生了2 5 t w ，3 5 f s ，1 0 h z 的放大激光脉冲，聚焦功率达5 1 0 w c m 2 平均功率8 w 1 2 1 。1 9 9 8 年，日本原子能研究所高等光子研究中心的k y a m a k a w a 和加利福尼亚大 学的c p j b a r t y 等合作，用固体标准具控制增益窄化效应和增益饱和效应，同时补 偿多层屯介质镜的三阶色戡采用两阶面蝴放大器- 在l o - i z 时产生了l o f s ，1 0 t w 的激光 脉冲，并获得了在所有钛宝石啁啾脉冲放大系统中超过理论值9 0 1 拘最大放大效率 2 2 1 。更引人注目的是，1 9 9 9 年，k y a m a k a w a 等将系统继续改进，使输出的放大激 光脉宽为1 9 f s ，压缩后脉冲能量1 9 j ，1 0 0 t w ，1 0 h z ，聚焦后的峰值功率密度3 1 0 2 0w c m 2 ，可与豢 献系统相比跷目平均啦氟接1 9 w ，展宽倍数为1 7 0 ，0 0 0 倍1 2 3 1 ， 这是此类放大系统到目前为止做到的最高功率水平。此时，国内在这方面的发展状 况是：1 9 9 9 年，北京物理所光物理开放实验室的研究人员采用多通放大方案研制成 功一台超强超短掺钛蓝宝石激光装置，可输出单脉冲能量3 6 m j ，脉宽2 5 f s ，峰值功 率太于1 4 t w 的激光脉冲口4 】。2 0 0 0 年，天津大学超快激光研究室首次将半导体可 饱和吸收镜( s e s a m ) 用于飞秒太瓦激光系统，从而研制成功了国际首台自启动飞秒 太瓦铣糨缸蹴该系绕黜出了3 8 f s ，6 ( k r d ，1 0 h z 的脉冲，峰值功率达到1 6 t w 2 5 1 。 1 9 9 6 年，通过国际合作，上海光机所强光光学开放研究室成功建立了国内首台 2 8 t w 4 3 3 f s 的飞秒强激光装置，1 9 9 8 年，他们对原激光系统进行升级改造，使其 输出的激光脉冲峰值功率达到5 4 t w ，中心波长7 9 0 r i m ，脉宽小于4 雒，单脉冲能量 2 5 0 m j ，重复率1 0 h z 圈。目前，他们又把该系统的技术指标进一步提高，在不到十平 方米的光学平台上，使输出的激光脉冲脉宽只有3 5 蠡，峰直啦黜轴参凇0 了1 5 r r w 。 第三个发展方向是重复率较高的激光放大系统，一般重复率在1 k h z 以上。由 于重复率高，峰值功率相对较低，很难达到太瓦，但平均功率较高，脉冲能量为毫 焦、微焦量级。放大介质主要也是掺钛蓝宝石。例如：1 9 9 3 年， j s q u i e r 等人利用 c p a 系统实现了1 6 0 f s ，2 3 0 u j 重复率1 0 k h z 的脉冲输出。平均功率超过2 w 2 7 1 。 1 9 9 7 年，我国西安光机所瞬态光学研究室在国内首次完成了高重复率飞秒脉冲的再 生放大，获得的单脉冲能量1 0 0 1 a j 以上，脉冲宽度小于5 0 f s ，重复率为5 k h z 。与国 外同类研究成果相比，他们实验的放大效率更高。2 0 0 0 年，日本的j j i a n g 等人 利用半导体可饱和吸收镜获得了1 2 5 m w 峰值功率的克尔透镜锁模钛宝石激光，其 脉宽1 6 f s ，重复率7 5 m h z ，平均输出功率1 , 5 w 2 9 1 。 实际上，高功率超短脉冲激光放大系统形式多种多样所用增益介质也不只 n d ：g l a s s 和t i ：s a p p h i r e 两种。例如，其中具有广阔发展前途的如光纤激光放大系统。 第一章堵论 近年来，由于光纤材料，光纤元器件技术和激光技术研究的发展，采用腔内色散调 整，腔外光纤啁啾脉冲放大技术( 包括大芯径光纤覆层泵浦) 等新技术，光纤激光超短 光脉冲激光器及放大器系统的输出功率已经达到了相当高的水平。例如，1 9 9 6 年，m e f e r m a n 等人采用覆层泵浦的掺e r 3 + 光纤激光器的输出脉冲能量己达l n j ， 脉宽2 0 0 f s1 3 1 ，1 9 9 9 年，n g r b t t x t j k ：k 等人设计了一套独特的全光纤啁啾脉冲激光 放大系统，输出峰值功率为5 0 0 k w 的激光脉冲，重复率为1 0 k h z 。 二、应用前景 目前，高功率超短脉冲激光系统输出的激光，脉宽达到几个飞秒，峰值功率达 到太瓦甚至拍瓦量级，聚焦功率密度达1 0 2 0w c m 2 ，甚至1 0 2 1w c m 2 ，相应的电场 比原子内库仑场强得多 3 2 1 。这样的脉宽和功率密度带来了实验室前所未有的高时间 分辨率以及强电场，强磁场。高压强和高温度的极端物理条件。这给许多传统学科 带来了巨大的冲击和发展机遇，从而引发了基础科学和技术科学一场广泛而深刻的 变革，开创了一系列新兴相关学科及交叉学科，例如诞生了强场物理这门崭新的学 科。在飞秒科学方面，如飞秒材料，飞秒等离子体物理，飞秒x r a y ，飞秒光电 子学，飞秒半导体物理，飞秒光谱全息学等。在强场物理方面的应用非常广泛，诸 如：“快速点火”惯性约束核聚变，高能量密度物理，高强度x 射线辐射源，产生 激光高次谐波，超快软、硬x 射线的产生 3 3 1 ，超快化学反应动力学【3 4 】，天体物理 等。其中比较引人注目的应用有：利用超短脉冲激光与固体靶相互作用产生的高温 高密度等离子体模拟了解太阳和其他恒星的物理过程p s i ：利用高峰值功率超短脉冲 激光极高的电场强度进行电子的加速，已有将电子加速到1 0 0 m e v 的成功报道，这 极可能引起加速器物理的一场革命1 3 6 1 ；利用超短激光束的光击穿和加温靶的消融可 以产生皮秒超声脉冲用此可精确测量一块计算机芯片中不同薄膜的厚度：在气体 高次谐波辐射实验中，已作到辐射波长短至1 0 n m 以下。最重要的是，已获得了氦 气中3 0 0 次以上谐波辐射，其波长短于3 r i m ，成功的进入了“水窗”( 2 3 4 4 n m ) 第一章绪论 波段 3 7 o 从而可能在水窗波段对生物活细胞进行无损伤高对比度三维全息成像和显 微成像。这将为最终揭开生命之迷提供理想的工具，对生命科学和其他相关学科的 发展带来革命性的变革。 三、结论 自九十年代初世界上第一台自锁模掺钛蓝宝石激光器研制成功至今，短短十年 时间，激光技术领域的发展可谓日新月异。脉宽由最初的皮秒发展到亚皮秒乃至几 个飞秒，峰值功率由瓦提高到太瓦乃至拍瓦，重复率也具有从h z 到m h z 的广阔分 布。当前，脉宽突破阿秒界限，峰值功率做到拍瓦以上将是摆在科研人员面前的一 项负有挑战性的课题。为此，当前世界各国都投入大量的入力，物力，财力，重点 进行超短超强激光系统的科技功关研究。相信，迎着新世纪的曙光，一种高性能， 高质量，高峰值功率的阿秒脉冲激光器必将诞生。 1 2 台式c p a 系统的实验方案 我们所要研究的系统一太瓦级飞秒激光放大系统作为一个复杂的光学系统，目 前主要利用啁啾脉冲激光放大技术来实现飞秒激光脉冲的放大。实验采用的c p a 系 统基本结构如图l - 4 所示。其振荡源是奥地利f e m t o l a s e r 公司的钛宝石飞秒激光器， 其输出的最短脉冲为9 8 f s 。它的泵清源采用美国s p 公司( 光谱物理公司) 生产的半导 体激光器泵浦的m i l l e n n i a x p 型钒酸钇激光器。当钒酸钇激光器输出功率为8 w 时， 钛宝石激光器可输出平均功率7 5 0 m w 、中心波长7 9 0 n m 的近红外连续光。其稳定 锁模功率为6 0 0 m w 左右，重复率为8 2 m h z ，带宽1 0 0 n m 。放大部分采用两级放大： 第一级为八通脉冲预放大；第二级为五通主放大。两级放大的泵浦源均为美国s p 公 司的n d ：y v o 。激光器。该激光器倍频后输出激光中心波长5 3 2 n m ，重复率为l o h z 。 展宽器 飞秒种子光脉冲 图l - 4 c p a 系统的整体布局 参考文献 1p o s s o tm ，m a i n ep m o u r o ug 1 0 0 0t i m e se x p a n s i o n c o m p r e s s i o no fo p t i c a lp u l s e s f o rc h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n o p t c o m m ，19 8 7 ，6 2 ( 6 ) ：419 4 2 1 2 s p e n c ede ，k e a npn ，s i b b e uw ：6 0 一f s e sp u l s eg e n e r a t i o nf r o mas e l f - m o d e l o c k e d t i ：s a p p h i r el a s e lo p t l e t t , 1 9 9 1 ，1 6 ( 1 ) ：4 2 4 4 3l e m e rej u l t r a f a s tl a s e r sd e l i v e rp o w e r f i a lp r e c i s ep u l s e 【j l a s e rf o c u sw o r l d ， 1 9 9 8 ，3 4 ( 1 2 ) ：7 7 8 4 4 孟昭贤高功率脉冲激光系统的原理和进展物理学进展，1 9 9 8 ，1 8 ( 4 ) ：3 3 3 3 5 7 5r o s si n ，m a t o u s c kp ，t o w r i em ，l a n g l e ya j ，c o l l i e rjl p r o s p e c t sf o ru l t r a s h o r t p u l s e d u r a t i o na n d u l t r a h i g hi n t e n s i t yu s i n go p t i c a lp a r a m e t r i c c h i r p e dp u l s e a m p l i f i e r s o p t c o m m ，1 9 9 7 ，1 4 4 ( 1 - 3 ) ：1 2 5 1 3 3 6 侯洵，阮双琛，杨建军，e ta 1 低重复率的a 1 2 0 3 飞秒激光放大器研究光子学 报，1 9 9 7 ；2 6 ( 3 ) ：1 9 3 1 9 6 7 黄小军等双向泵浦钛宝石的四通放大器强激光与粒子束，1 9 9 9 ，1 1 ( 6 ) ：6 4 9 6 5 2 8c o r k u mpb b u r n e rnha n di v a n o rm y s u b f e m t o s e c o n dp u l s e s o p t l e t t 19 9 4 1 9 ：1 8 7 0 1 8 7 2 9 彭翰生高功率超短脉冲激光与新奇物理现象强激光与粒子束，2 0 0 0 ，1 2 ( 4 ) ：3 8 6 3 9 1 1 0p e r r ym d c r o s s i n g t h ep e t a w a t t t h r e s h o l d j s c i e n c e & t e c h n o l o g yr e v i e w , 1 9 9 6 , 4 11 p e r r y md t h e a m a z i n gp o w e r o ft h e p e t a w a t t 【j 】s c i e n c e & t e c h n o l o g y r e v i e w , 2 0 0 0 ，4 1 2h e l l e ra j a nu s po p e n sn e w w o r l do fp h y s i c sr e s e a r c h j s c i e n c e & t e c h n o l o g y r e v i e w , 2 0 0 0 ，2 5 1 3d a n s o ncne ta 1 f o c u s e di n t e n s i t i e so f1 0 w c mw i t ht h eu p g r a d e dv u l c a nc p a 9 i n t e r a c t i o nf a c i l i t y a p r o c e e d i n go f s p i e c ，1 9 9 8 ，3 4 9 2 ：8 2 1 4k i m g a w aye ta 1 g e k k 0x i i p e t a w a t t m o d u l e p r o j e c t 【r ，a n n u a lp r o g r e s s r e p o r t ，1 9 9 8 ，1 7 15z o ujpe ta 1 t h el u l l10 0 - t wt i ：s a p p h i r e n d ：g l a s sl a s e r ：af i r s ts t e pt o w a r d sa h i g hp e r f o r m a n c ep e t a w a t tf a c i l i t y 【a 】，p r o c e e d i n go fs p i e c 19 9 8 ，3 4 9 2 ：9 4 1 6i p c h r i s t o r , m m m u m a n e ，a n dh c k a p t e y n p h y s r e v l e t t 1 9 9 7 ，7 8 ，1 2 5 1 7p e r r ym d ，p e n n i n g t o nd ，s t u a r tbc ，t i e t b o h lg ，b r i t t e na ，b r o w nc ，h e r m a n s g p l i c kb ，k a r t zm ，m i l l e rj ，p o w e l l ht v e r g i n om ，a n dy a n o v s k yv p e t a w r tl a s e r p u l s e s o p t l e t t ，1 9 9 9 ，2 4 ，1 6 0 1 6 2 18b a r t ycpj ，g o r d o n1 1 1gl ，l e m o f fbe m u l t i t e r a w a t t3 0 一f st i ：s a p p h i r e l a s e r s y s t e m o p t l e t t ，1 9 9 4 ，1 9 ( 1 8 ) ：1 4 4 2 1 “4 1 9z h o uj ，h u a n gcp im u r n a n emm ，k a p t e y nhc ，o p t l e t t ，1 9 9 5 ，2 0 ( 1 ) ：6 4 6 6 2 0b a r t ycpj ，g u ot ，b l a n ccl ，r a k s if r o s ec - - p e t r u c k ，s q u i e rj ，w i l s o nkr ， y a m a k a w avvg e n e r a t i o no f18 f s ，m u l t i t e r a w a t tp u l s e sb yr e g e n e r a t i v ep u l s e s h a p i n g a n d c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n o p t l e t t ，1 9 9 6 ，2 1 ，6 6 8 6 7 0 21c h a m b a r e tjp ，b l a n ccl ，c h e r i a u xg ，c u r l e yp d a r p e n t i g n yg ，r o u s s e a up ， h a m o n i a u xg ，a n t o n e t t ia ，s a l i nf g e n e r a t i o no f2 5 一t w , 3 2 一f sp u l s e s a t1 0 h z o p t l e t t ，1 9 9 6 ，2 1 ：1 9 2 1 1 9 2 3 2 2y a m a k a w a k a o y a m am ，b a r t yc pje ta 1 g e n e r a t i o no f16 一f s ，10 一t wp u l s e sa ta 1 0 h zr e p e t i t i o nr a t ew i t he f f i c i e n tt i ：s a p p h i r ea m p l i f i e r s o p t l e t t ，1 9 9 8 ，2 3 ( 7 ) ：5 2 5 5 2 7 2 3y a m a k a w ak ，a o y a m am ，m a t s u o k as ，k a s et ，a k a h a n ey , t a k u m ah 1 0 0 一t w s u b 2 0 一f s t i a p p h i r e l a s e r s y s t e mo p e r 砒i n g a ta10 h z r e p e t i t i o n r a t e o p t l e t t , 1 9 9 8 ，2 3 ，1 4 8 6 1 4 8 8 l o 2 4 魏志义，张杰，夏江帆，冯保华，张秀兰高效率掺钛蓝宝石激光装置( 极光i 号) 物 理，2 0 0 0 ，2 9 ( 6 ) ：3 21 3 2 2 2 5 王勇自启动飞秒( 1 0 。1 5 秒) 太瓦( 1 0 。2 瓦) 激光放大系统的研究天津大学博士毕业论 文，2 0 0 0 ，p 1 0 2 6 徐至展，杨晓东，l v i g r o u x ，e t a l 5 4 4 6 f s 级台式钛宝石超短超强激光系统中国科 学( a ) 2 0 0 0 ，3 0 ( 1 ) ：6 3 6 9 2 7s q u i e rj ，k o mg ，m o u r o ug ，v a i l a n c o u r t g ，a n db o u v i e rm a m p l i f i c a t i o no f f e m t o s e c o n dp u l s e sa t1 0 - k h zr e p e t i t i o nr a t e si n t i ：a i 0 3 o p t l e t t ，1 9 9 3 ，1 8 ：6 2 5 6 2 7 2 8 赵尚弘钛宝石飞秒脉冲的产生、高重复率啁啾脉冲再生放大和压缩及若干问题 的研究中科院西安光机所博士论文1 9 9 7 ，p 1 5 2 9j i a n gj , h a s a m at ，z h a n gz ，s u g a y at , n a k a g a w a 1 2 5 - m wp e a k p o w e rk e r r - l e n s m o d e l o c k e d t i ：s a p p h i r e l a s e rw i t hab r o a d b a n ds e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l e - a b s o r b e r m i r r o r o p t c o m m u n ，2 0 0 0 ，1 8 3 ：15 9 16 3 3 0t a m u r ake ta 1 t e c h n i q u ef o ro b t a i n i n gh i 曲e n e r g yu l t r a s h o r tp u l s e ，f r o ma 1 1a d d i t i v e m o d e 1 0 c k e de r 3 + d o p e df i b e rr i n gl a s e r o p t l e t t ，1 9 9 4 ，1 9 ( 1 ) ：4 6 4 8 31f e r m a n nmee t a l c l a d d i n g - p u m p e dp a s s i r e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e rg e n e r a t i n g f e m t o s e c o n da n d p i c o s e c o n dp u l s e s o p t l e t t ，1 9 9 6 ，2 1 ( 1 3 ) ：9 6 7 9 6 9 3 2r o s sin m a t o u s e kpe ta 1 p r o s p e c t sf o ra m u l t i p ws o u r c eu s i n go p t i c a lp a r a m e t r i c c h i r p e dp u l s ea m p l i f i e r s l a s e ra n d p a r t i c l eb e a m s 1 9 9 9 1 7 ( 2 ) ：3 3 1 3 4 0 3 3s c h n u r e rme ta 1 c o h e r e n t0 5k ex r a ye m i s s i o nf r o mh e l i u md r i v e nb yas u b 1 0 一f s l a s e r p l a y s r e v l e t t 1 9 9 8 ，8 0 ( 1 5 ) ：3 2 3 6 3 2 3 9 3 4g o r d o n i i igl ，y i ng y o p t l e t t ，1 9 9 5 ，2 0 ：1 0 5 6 1 0 5 8 3 5 王菊霞，杨志勇，苗润才自锁模钛宝石超短脉冲激光器的新进展光子学 报，19 9 7 ，2 6 ( 8 ) ：7 5 2 7 5 6 3 6w a t a n a b et h ，s a t ot ，a n dh a y a s h it m a g n e t o h y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o no nc o a n d c o u n t e r - h e l i c i t ym e r g i n go fs p h e r o m a k sa n dd r i v e nm a g n e t i cr e c o r m e c t i o n ? p h y s p l a s m a s 1 9 9 7 ，4 ( 5 ) ：1 2 9 7 3 7 s p i e l m a n nc he ta 1 g e n e r a t i o no fc o h e r c n t x - r a y i nt h ew a t e rw i n d o wu s i n g 5 - f e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e s s i e n c e ，19 9 7 ，2 7 8 ：6 6 1 6 6 4 1 2 第二章钛宝石飞秒脉冲激光的产生 振荡器是c p a 系统工作的基础，起着为放大提供种子脉冲的作用，在目前现有 的各种飞秒激光振荡器中，自锁模掺钛蓝宝石激光器由于结构简单、性能优良、可 输出高平均功率的周期性飞秒激光脉冲等一系列综合优点，是台式超强超短激光系 统的首选光源，基于这一原因，本项目研究中我们采用自锁模掺钛蓝宝石激光器作 为种子光源，下面分别介绍其基本原理、腔型设计、脉冲宽度测量及实验结果。 2 1锁模、自锁模的基本原理 一、锁模的基本原理 c 2 l - 1r 髓”删盯m 。北5 c 0 ) f 1 ，p f b ) 1 卜一 o s c i l l o l i n gs p e c t r u m