（光学专业论文）超短脉冲放大系统啁啾脉冲传输特性研究.pdf

西大学礤士学位论文超短脉冲放大系统啁啾脉冲传输特性研究光学专业辩究熊拣蹲捂导教舞黎澎啁嗽脉冲在趟短脉冲放大系统传输过程中，除翻身能量得到放火外，还会受到增益窄化、增懿饱和、囊相位调制以及色散等效戚的影响，使输出脉冲的波形积频谱产生蛲交，迸褥严熏影响躲 孛翡有效藏火、蒸缩及光索震蠢。免了尽萄能缝避免上述誉铡缀素瓣影螭，霄必要对c p a 系统串骥嗷躲；孛熬传输鞠放大特峻进行计冀模拟，对越短脉冲放犬系统中光传输的邀问题进行研究，从黼为超短脉冲放大系统的优化设计提供理论参考。本文主癸对越短脉冲放大系统中啁嗽脉冲的传输和放大特性谶行理论研究，奎要内容奄撬：1 、麸缀舆瓣发竟凝韦方稷缎出发，接导出研究媚嗷脉冲费输放大鹣避论模型 #线性薛定谔方程，介绍了分疹傅立叶方法的原理，利用脉冲的非线性薛定谔方程和分步傅立时方法对猎嗷脉冲传输中的群速度色散、自相位调制、增益鬻化和增益饱和等效应进行了计算模拟和分析讨论。2 、锌瓣钕玻璃霸敬宝虿奔震抟糁点，详蠲分辑了钕玻璃翻钛塞石藏火奔袋怼骥嗷脉羚镑输鞫放大特性的影响。3 、采用均方根梯度表征的随机能相屏来描述光束的低频证相噪声，用随机位相扰动采描述中、商频位稠噤声，建立了合理的波葡彼相碲交模墅。获菲线性薛定谔方程豳发，逅臻分步祷立盼穷法，详缨讨论7 浚嚣豫褶酶变瓣稠啾融i 串释空特犍粒影璃。4 、剩月非线性蘩定谔方程，运用分步傅立时方法和数值遗代法对啁嗽脉冲的滋阊题进行了瑾论分析帮数值模撅。重点分析了增盏窄亿帮增益饱和效应辩遵葬结采游影璃。研究缩栗霹为超缀赫渖豹整形撼供毽论参考。关键词；啁嗽脉冲，增益饱和，增益窄化，非线性薛定谔方程，钛裳石，钕玻璃，逆阏逶疆矧大学磺学位论文s t u d yo np r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fc h i r p e d - p u l s ei nu l t r a - s h o r tp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e mm 曩j o r ：o p t i c ss t u d e n t ：c b e nh u is u p e r v i s o r ：z h a n gb i ni nt h ep r o c e s so fp r o p a g a t i o ni nu l t r a - s h o r tp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m ，t h ec h i r p e d - p u l s ew i l ln o to n l yb ea m p l i f i e di ni t se n e r g y , b u ta l s ob ei n f l u e n c e db yt h ee f f e c t so fg a i nn a r r o w i n g ，g a i ns a t u r a t i o n ，s e l f p h a s em o d u l a t i o na n dd i s p e r s i o n ，l e a d i n gt ot h ed i s t o r t i o no ft h et e m p o r a lp r o f i l ea n ds p e c t r u md i s t r i b u t i o no ft h eo u t p u tp u l s e ，r e s u l t i n gi nt h ei n f l u e n c eo nt h ea m p l i f i c a t i o n ，c o m p r e s s i o na n db e a mq u a l i t yo ft h ep u l s e i no r d e rt oa v o i dt h ei n f l u e n c eo ft h ea b o v ee f f t s ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ep r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o np r o p e r t i e so fc h i r p e d - p u l s ei nt h ec h i r p e d - p u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m 毫sw e l la st h ei n v e r s ep r o b l e mo ft h ep r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o no fc h i r p e d p u l s ei nu l t r a s h o r tp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m ，s oa st op r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r t h eo p t i m a ld e s i g no ft h eu l t r a - s h o r tp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m ，i nt h i st h e s i s ，t h ep r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o np r o p e r t i e so fc h i r p e d - p u l s ei nu l t r a - s h o r tp u l s ea m p l i f i c a t i o ns y s t e mh a v eb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l y 如1 em a i nr e s u l t so b t a i n e di nt h i st h e s i sp a i nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：1 s t a r t i n gf r o mt h ec l a s s i cm a x w e l l se q u a t i o n s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lf o rt h es t u d yo ft h ep r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o no fc h i r p e d - p u l s e ，i e ，t h en o n l i n e a rs c h r r d i n g e re q u a t i o n h a sb e e ng i v e n 1 1 1 ep r i n c i p l eo ft h es p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o dh a sb e e ni n t r o d u c e d b yu s i n gt h en o n l i n e a rs c 啪d i n g e re q u a t i o na n dt h es p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o d ，t h ee f f e c t so f t h ed i s p e r s i o n , s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ，g a i nn a r r o w i n ga n dg a i ns a t u r a t i o no nt h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fc h i r p e d - p u l s eh a v eb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e d 2 a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fn d ：g l a s sa n dt i ：s a p p h i r ea m p l i f i c a t i o nm e d i u m ，t h ee f f e c t so fn d ：g l a s sa n dt i ：s a p p h i r ea m p l i f i c a t i o ni t哩坐查鲎堡主堂垡垦苎m e d i u mo nt h ep r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o np r o p e r t i e so fc h i r p e d - p u l s eh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l 3 t h em o d e lo fw a v e f r o n tp h a s ep e r c u | b a t i o nh a sb e e nb u i l tu p ，w h e r et h er a n d o mb a s es c r e e nc h a r a c t e r i z e db yr m sg r a d i e n ta n dt h er a n d o mb a s ep e r t u r b a t i o nh a v eb e e ni n t r o d u c e dt od e s c r i b et h el o wa n dt h eh i 曲f r e q u e n c yp h a s en o i s e ，r e s p e c t i v e l y s t a r t i n gf r o mt h en o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o nm o d e la n du s i n gt h es p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o d ，t h ei n f l u e n c eo ft h ew a v e f r o n tp h a s ep e r t u r b a t i o no nt h es p a t i a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so f c h i r p e d - p u l s eh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l 4 b yu s i n gt h en o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o n ，t h es p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o da n dt h en u m e r i c a li t e m t i o nm e t h o d ，t h ei n v e r s ep r o b l e mo f t h ec h i r p e d - p u l s et h r o u g ht i ：s a p p h i r ea m p l i f i e rh a sb e e ns t u d i e d , i nw h i c ht h ee f f e c t so fg a i nn a r r o w i n g ，g a i ns a t u r a t i o na r ec o n s i d e r e d t h er e s u l t sw o u l db eu s e f u lf o rt h ep u l s es h a p i n go f t h eu l t r a - s h o r tp u l s e k e y w o r d s ：c h i r p e d - p u l s e ，g a i ns a t u r a t i o n ，g a i nn a r r o w i n g ，n o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o n , t i ：s a p p h i r e ，n d ：g l a s s ，i n v e r s ep r o b l e mi i l蹰川太学硕士学位论盘第一章引畜1 1 超短脉冲激光技术发展历程1 9 6 0 年，m a i m a n 成功研制。y 健赛上第一螽红宝= 嚣激光器，标志羞激必豹诞生。麸就，人们对裙蔗结构的研究又多了一个强有力酌工其。激光宣出璃以来，一直朝满提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化的方向发展。擞激光技术的众多领域，超缀脉冲激光技术是最活跃和最富创造性的一个分支，谗多赣竞都鬟葵超楚辣_ 孛 譬凳磷窕工萁，铡翔，薅配擎浃矗太壤麓、激毙与等离予体相互作用、强场物理、x 光激光及等离子体诊断等进行研究均辩耍脉宽极短衙峰值功率极高的超短脉冲激光。自二十世纪九十年代以来，超快激光技零褥熨? 长是的发展。就星蔚黔段采说，所谓越短辣；孛是搔激必脉冲宽度农皮移( 1 0 - 掩s ) n z 秽ao 碍s ) 藏毯的融j 申激光。超短激光脉 串技术通常跫指与疫秒绒飞移级脉宽激光脉冲的产嫩、测量及放大等相关的技术一。从激光嚣问世以来，激器经历了三次缩短脉冲宽廉的革新，即调昏激光嚣阶段、锁模激光技术阶段和啁啾脉捧藏犬狳段，露每磺羧零帮霞表了激毙按拳发疑豹一令重要除羧。自1 9 6 5 年采用被动式锁模筑盛石激光器获 襻皮秒级脉冲以来，短脉冲的研究得到了迅速发展。上缴羞已7 0 年代，出现了对撼锁模环形染料激光器，使激光脉冲的宽度遴入飞秒范嗣。至3 0 年健，慰攘锬模拜形聚辩激光爨熬躲宽迭到了2 7 f s t o 】。1 9 9 1 零，国际上出现了自锬模钛窳石激光器，獭时产生了6 0 f s 的趣短稼渖l l 一。利用克尔透镜锁模技沭，并采用钛窳石作为增螽介质，使超短脉冲激光器进入了全固化时代。除钛宝霹外，人们还汗发了许多新的固体激光材料，如c r ：l i s a f 、c r ：l i s o a f 、c r ：f o r s t e r i t e 弱c r ：潞。g 等，其中心波长获8 5 0 r i m 蠲1 5 7 0 r i m ，这些材料都有很宽的发射光谱，能产生飞秒脉冲。例如，已利用c r ：l i s a f 产生了1 4 f s的超短脉冲i i 3 ，利用c r ：f o r s t e r i t e 产生了2 0 f s 的越短脉冲1 1 0 l ，利用c r ：y a g 产生了6 0 f s 懿怒缀踩挣”。l 。总的说来，超斑赫冲的发震大致概括为以下凡个输段 捌：( 1 ) 6 0 年代中期1 0 91 0 q 0 s 为第一阶段其特征是各种锁模理论的建立和各种锬模方法的实验探索。在这一时期内，调q 技术占有统治地位，属予越短激阴川大学碗士学位论文光脉冲的初始阶段。( 2 ) 7 0 年代孛薅麓1 0 - i i l 2 s 秀第二酴歉，由子镁模液寒鹣穗瑗健藤狰静脉宽又缩短了近三个璧级，使脉冲进入翘短脉冲范围。这一阶段的特征是各种锁模方式和理论( 如主动锁模、被动镟模、同步泵灌锓模等) 逐疹成熟，并在物理和化学领域展野了皮秒级脉冲的初步应是。( 3 ) 8 0 年代为第三阶段，其主要特征是脉冲宽度已进入飞秒阶段，以碰撞锬模絷瓣激光器为代表。疆撞载嫠染料激光嚣裁其基本锬模源理嚣富，偌属于鼓动锁模范畴，在锁模方法和机理上并不存在根本意义上的突破。然而，由于脉冲碰撞效斑，使激光脉冲进入了飞秒羹缀，获两对超短躲i 串激光领域带来了深帮静影响。( 4 ) 9 0 冬鼗裙开始7 怒缀激毙辣捧熬繁霆羧袭。这一黔爱懿圭要特鳋并琴袭嚣躲 串宽发瓣遴一步嚣缭，甏怒在产生飞秒激毙瓣会凌骞覆套毅翡突蒗，飞移激光撼广泛暴用掺铁麓宝蕊菇髂作为增益奔袋，掺钦熬窳露具有荧光带宽大予4 0 翻热( 光谱范围为6 9 0 n m l l o o n m ) 的突出优点。溅谂上，掺钛蓝宝石激光糕w 以黢特1 2 f s 的光脉冲，丽嶷际上，由于超短脉冲形成机理间的相互制约，一般获褥的脉宽为1 0 & 左右。另外，钛宝石器体具宥高的媳灏遴蠡密度( 如9 j e r a 2 ) ，离的损坏阙值( 8 l o j e m 2 ) ，技长的上能级寿命( 约3 2 1 1 s ) ，好的热导性( 4 6 w m k ，3 0 0 k 疆) 等特点，势曼，它凌5 0 0 r i m 楚骞最大吸彀裁嚣( 娟。s x1 0 - 2 0 c m 2 ) ，跃甏经绥羧y a g 激竞器鼙羧终舞其壤葱麓泵瀵源。掺铁鏊宝露激党器筑窭瑗凌飞参激毙器淘全固态纯发震。出于敛宝石豹广泛应用，使建宓象露他高功率超斑激毙繁绕成为可能。在这一阶段内，激光放大系统又可分必三大发震方向 1 j j ：( 1 ) 整复率襁5 0 h z 以下、脉宽较缀、脉冲能爨较高( 焦耳曼缀) 、峰值功率较高的激光般大系统，增益介质主要患掺钛菔宝石；( 2 ) 离重复频举系统，一般重复频率在i k h z 以上；( 3 ) 高能量、低熬复频率系统，这类系统激疆采用离效储能、大口缀余震，馕魏，采爱钕玻璃绒铰塞露缎玻璃混合系统佟海艘大奔凌，成为凝一代怒翡警超短菰滓翟薅激怒系绫。旋过去豹二+ 年中，嵩功攀翘短脉冲放丈技术褥劐了_ j 嚣速叠奄发展。级鼹超短脉冲笈展的四个阶段，脉冲畿魔蕊缩了将近5 6 个蠢缀，鬻焦激光强度可以达到1 0 “w e m 2 以上。由予激光装鬣的舰模主要取决于激光脉冲的能量水平，规模相对较小的飞秒超短脉冲激光装鬣就可以提供极高峰值功率的激光脉；中，从蔼孳l 发了2四川大学硕士学位论文基础科学和技术科学一场广泛而深刻的变革，并带动了物理学许多新领域的形成和发展。1 2 超短脉冲技术国内外研究现状飞秒脉冲激光特别是钛宝石飞秒脉冲激光技术的出现，使开展飞秒激光脉冲研究的机构如雨后春笋，学术活动空前活跃。除每年一次的国际激光与电光学会议、量子电子学会议，1 9 9 4 年以来，更有一年一次的飞秒技术国际讨论会。美国、英国、法国和德国等国家一直十分重视超短脉冲激光技术的研究。1 9 9 1 年，华盛顿州立大学的h u a n g 等人通过选择腔内棱镜对的材料来补偿群速度色散，用自锁模振荡器获得了3 2 f s 的输出脉冲【l 。1 9 9 2 年，h u a n g 等人通过补偿三阶色散获得了1 7 f s 的输出脉冲i l 。1 9 9 3 年，该大学a s a k i 和h u a n g 等人又获得了1 1 矗的输出脉冲【l 。1 9 9 5 年，奥地利的蛳n 甜等人利用啁啾介质镜来控制色散，成功地获得小于l o i s 的脉冲 l n j 。1 9 9 8 年，美国的m o r g n e r 等人获得了小于5 4 f s 的脉冲i l l 2 1 。同年，程昭在奥地利获得了5 f s 的脉冲射。1 9 9 9 年，瑞士的s u t t e r 等人采用半导体饱和吸收镜( s e s a m ) 技术，产生了4 8 f s 的脉冲【l 。”，这是从振荡器直接产生的最短脉冲。1 9 9 7 年，意大利的n i s o l i 等人获得了压缩为4 5 f s 的脉冲【l l5 1 。2 0 0 2 年，日本东京大学的b a l t u k a 等人采用光参量放大( o p a ) 技术和可编程色散控制，获得了4 f s 的压缩脉冲 l ”】。我国早在1 9 9 1 年就启动了“八五”攀登计划项目；“飞秒激光技术与超快过程研究”。自开展相关研究以来，在飞秒激光技术与超快速测量技术方面取得了许多重要成果。北京物理研究所、长春物理研究所、天津大学、北京工业大学i 中国科学院西安光学精密机械研究、中国科学院上海光学精密机械研究所及中国工程物理研究院等单位均开展了相关研究工作，并取得了突出成绩。其中，北京物理研究所、长春物理研究所、天津大学和北京工业大学等单位开展了飞秒光谱和飞秒脉冲激光器的研究，西安光学精密机械研究所获得了1 5 f s 的钛宝石锁模脉冲，中国科学院上海光学精密机械研究所也获得了4 5 f s 的压缩脉冲，此外，上海光机所在钛宝石激光材料和其它固体激光材料方面也做出了很大的贡献。中国工程物理研究院成功建造了一台目前国内输出功率最高的全钛宝石超短脉冲系统，该系统输出功率达i o o t w 以上，输出激光脉宽3 0 f s 。四川大学确士学位论文目前，超短脉冲激光技术已达到的水平大体如下i i 1 1 - 矧：( 1 ) 用掺钛蓝宝石激竞系统产生静最短竞融沸赫爨已蔻警接遥瑗论摄限3 f s t l 蠲，蜂篷功率已迭o 8 5 p w t l 2 4 j ；( 2 ) 出现了用半导体激光器( l d ) 泵浦的全固体化的飞秒激光器，觖丽便飞移激光器体积小、工作更稳定、寿命黉长、使用更方便；( 3 ) 开发了多种激光放大会质，除t i ：s a p p h i r e 外，还鸯n d ：g l a s s 、c r ：l i s a f 和c r ：f o r s t c r i t e 等；发展了宽调谐的飞秒o p o 及o p a 系统，拓宽了飞秒激光的波长可调谐范围。嗣蔫，o p o 魏频率菝瓣已覆黢1 7 8 藏擞2 0 辩l ，甏o p a 系绞霹戬达裂6 3 f s 、5 j ，波长5 5 0 n m 7 0 0 n m 和4 f s 、i j ，波长9 0 0 n m 1 3 0 0 r i m ：( 4 ) 出现了全光纤超短脉冲激光器；( 5 发震了萃次或薰蕤频率为1 0 h z 鲍寨掰1 w 缀霞钵飞移激先器。井取代了原来体积庶大、价格昂贵、投资高的黼功率飞秒激光系统。飞秒激光技术的发展趋势为：( 1 ) 向更短的脉宽迈进，饲如，设法获褥瓢：s a p p h i m 数3 f s 的极限脓宽。寻裳耘的会质、虮理秽技术，勰阿秒时域迈进；( 2 )发展半导体激光器聚浦的全固体1 s 秒激光器，包括飞秒光纤激光嚣和高功率的系统。磁捌溃瑟发射熬飞秒毛d 捌黪器秽，完善掰b 激必器；3 ) 发震案霹整数卡太瓦( t w ) 可调谐飞秒激光系统，为了在普通实验嶷中开展强场物理及惯性约束侠煮火研究袋| 造条件；( 4 ) 扩袋飞移激光的波长蔫阐。翻用各种方法，奄捂交换激光介质，使用多种频率转换技术，将飞秒激光的波长向软x 射线及中红外，甚至远红外方向扩展，以i 蔻应多种学科的使用簧求；( 5 ) 向谶续光谱、可谲谐纯、小型化乃至全毙缍化发展。1 。s 起蠖赫i 枣的应成自二氆纪六十年代密蕊激光浚来，因箕共有熹痰懿方穗往、耀千赣淤及裔强度而受到各方面的重视并迅速获镘应用。作为一种熊量的载体，它在工业加工、测量、医学与军事等方面裔广泛豹应用。激光作为入霄】探索螽然科学的重要实验孕段，举动了囊然科学的邈速发鼹，从鼹对激光也提融了更离的要求。超短脉冲的出现，正适应了自然科学发展的要求，使得科学家们的实验方法不断改进，测试鼗撼菱燕壤猿，安验方法曼为先进。越短脉冲激光最直接的应用就是作为光源而形成多种时间分辨光谱技术和裂潴探灏技术。饲翦，爵闯分辨荧毙光谱技术、差异啜牧光谱、反射瘫谱、露露分毒翘川太学磷士学位论文辨拉曼光谱、泵浦探测技术、飞秒条纹相机、众光取样电光取样测量、电吸收取样技术、交叉相佼溺裁技术，超斑融冲豹另一个重要豹盛麓怒在信惠的获取、俦输、始瑷与存储方褥。这是因为越短脉冲的宽度决定了信息的时间分辨举，而时间分辨率的提高会使科技工作者扩大视野，并搿拓新的研究领域。时间分辨率越高，对信息获取越多、传浚邃瘦瓣抉、处理能努越强瑷及存锉容耋越夭，获纛形或蘑逶瓣海量存耱技术。超短脉冲的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、爨予控制化学、半导体耜予光谱等。在生纺学方嚣，久们芷在裂用飞秽激光技术掰提供的差舅吸收光谱、泵滚探铡技术，研究光舍幸笮嗣反应中的传能、转能与电荷分离过程等。目前，超短脉冲的技术发展已缀成为衡量一个国家科技实力的一个重爨方面，特别是翘短脉冲在罩零上的应用，使其发展更为蘼要。1 4 啁瞅脉冲放大技术国内外发展现状囊1 9 6 0 年激光嚣闯璧以来，人们不錾采联器种办法撬禽激必鹃l 隆毽功率。1 9 6 2 年，通过采蕉调q 技术，获褥了虢冲宽凌海i o - g s ，峰馕渤率为1 0 6 w c m 2 豹激光。1 9 6 4 年，采用激光锁模技术，使激光脉j 巾宽度降为1 0 1 2 s ，峰值功率提高到1 c w c m 2 。此后檩巍长时间内，激光光强一崴停留在1 0 9 w c m 2 的水平上。由予稠彀熬i 孛藏丈( c a p ) 技寒b o 趣戆爨袋，激光毙疆据寒裂1 0 2 0 w c m 2 。该技零不是将超缀脉冲直接放大，而是先将其展宽，再放大，最后进彳予雅缩。使用c p a 技术，不仅能有效地避免非线性效成，丽且，可以获得最大有效能量提取的能量密度。列耀c p a 技本建造露残靛激光器冥寿终梅麓攀、价格楱辩便室、操作方便等优点，阕时，遣适用于大型装置，镪如，将c p a 羧术瘸在激光辕聚变的激溅器中，可使峰慎功率为1 0 t 2 w 的激光核聚变系统发展为1 5 w 系统。将脉宽极短的飞秒量级的种子脉冲经展宽器展宽后蒜进行放大，有效地提高了系统能量提取效率，蒡尧激线德效疯熬影鹃纛霹奔矮戆玻爨，凳获褥足够豹j l 彖冷能量磊，瓣琴l 趸压缩器将脉宽进行压缩从而获得越短超强的激光脉冲。目前，碉啾脉冲救穴技术已成为产生大能量越缀脉冲的重要乎段，基于碉啾脉冲放大技术原理的各种放大装置褪继产生，其幔髓瞧不断完善。采鼹啁啾躲 串放太技术基；凌大凌率、麓短辣四川大学鞭士学位论文冲钛塞露激光系统运转是髫藏激怒疆突矮域较为熬点黪磅究渫题之一。c p a 系统的原理示意如图1 1 艨示，c p a 系统主要包括以下几个单元；圈1 1c p a 系统示意图1 ) 飞秒脉冲激光振荡器通常，采瘸氩离子或半等体激光泵清的自锬模铰宝石飞秒激光器来产童种子光。关于自锁模的物理机理，较为普遍的观点怒克尔遴镜效陂，即谯足够高的泵浦强度下，泵浦光与介质相互作用产生自聚焦效应，造成晶体内莱区域的功率密度裹乎饱和强度，套康呈可退秘吸收蛉特性。来自强赛的扰动弓| 怒脉_ ? 孛振荡，当脉冲通过饱和状态的增益介质时，前后沿被削减，峥值部分得到增强，于是，蜂篷越浆越强，夔露漆遭到 零裁，褒到爨磊辕爨一令极窄豹躲泞。钛宝石振荡器采用了z 型( 或x 型) 折叠腔色散补偿结构，利用棱镜对或啁漱镜提供负色散滋补偿腔内镳宝焉的芷色散和翻褶往调销( s p m ) 季i 入豹鬣稠嗽。也可采用四棱镜序列代替棱镜对，以获褥更好驰色教 偿效聚。2 ) 脉冲展宽器脉冲震宽器静终建提当予色教延迟线。摹期麴a a 系统利建熬狰透过毙绣时引起的群速度色散( g v d ) 来展宽脉冲i 2 6 一a 7 ，然而，当脉冲经过光纤展宽时，遥会经灏诸如蠡程位诵翻( s p m ) 、交叉葙往调秘 x 澍) 、受激布量渊散射( s b s ) 、受激拉璺散射( s r s ) 等非线性效应 1 2 7 , 1 , 2 8 】，最后压缩脉冲l i 寸会有报强的本底和伴生脉i 串，簸而降低了脉冲的信嗓阮。萄前，展宽器酱遍采用m a r t i n e z 型光栅一望远镜结掏，该结构的展览光摄对姆压缩光栅对提供的色散悬竞全熙配的。6鞠川大学磺士学位论文3 ) 再生放大器焉黛放大器可瓠渡特放大的耱予光多次遴遐增益介震，充分提取余璇中驰髓麓，它：l 屯其逶合子赦大弱信号竞 l 嚣获得意增益( 可达l 扩戳a ) ，是常用的翁蟹激光放大器。这种放火器的突出特点是输出光束质鼹高，而缺点则是结构复祭、信噪比较低，并会有泄漏子脉冲产生。) 凌攀黢丈爨为了进一步提高脉冲能量，遥霈要对脉冲技进行多通放太。采用非共线多通放大构越可以有效避免再生放大器的谐振腔构越引起的“泄漏予脉冲”，从而提高融冲戆髂噪院。激光躲冲在功率放大器孛蠹擘放犬猩数蠹襞要袋瓣黥冲能豢及赦丈器介质的损伤阙穰决定。为了提麓增益和避免介蕊静损伤，可采爝双瑶泵瀵方式。5 ) 压缩器压缩器是为了将充分放大后的脉冲压缩至按避初始脉宽，故压缩器要提供与震蠢器攘反戆惫敖 l 妒c r ：l i s a 。&c r e o l i 燕冒2 7 51 0 0 l o 狰c p ao s a k a 网泰g x l l - p w - mn d ：g l a s s ：c p a5 0 01 0 0 0 1 0 2 0t i ：s a p p h i r e ：j a e r i n 泰22 0c p ap a l 英网v u l c a nn d ：g l a s s ；c p a8 55 0 0 1 0 2 0l u l v 法爨混台系统5 0 05 。o 1 0 2 0t i ：s a p p h i r e ；m p q ，镳嗣a t l u s51 0 0 l 酽oc p at i ：s a p p h i r e ,c a e p ，巾羼s l l e x - ls 。63 0 i 0 2 0e 漩从表l 。lw i 着出，黼鼢蠹激光装麓蝣楚以铰玻璃放大器作为童放大器盼，潦也是目前建造离能量飞秒激光装置最生簧的途径。姆其它系统棚魄，它能产生逡今菇止最鬻憋辍爨缝豢鞫激毙功率。爨鬻也有入试鬻爨较大尺寸鹣镰宝虿寒蜜璇3 0 j 3 0 f s 教农豹p w 激必输窭，毽其输掰髓豢相对予锻玻璃系统褥富还是偏低。在国内，中科院物理所、天津大学糟搬仪器学院麓快激光研究黧、中科院上海溅学精密撬城辑究所、器蜜光学精密枫壤研究所，审物院激光豢燮中心等单穰瓣童终凌较突掰。l 鼙冬，上海强光必学嚣教研究警戒渤建立7 嚣痨蓄台2 t w 、4 5 f s 的飞秒强激光装置，隧聪，又对激光系统进行了升缀改造，使其输出的激光黻冲峰值功率遮测了5 4 t w 、脓宽4 6 f s 、革脉_ 中能塞2 5 0 m j 、重复频率1 0 h z 靛激必躲弹 l 2 9 。1 9 9 9 年，中瓣貌兹理耩袋麓多逶敖太蒎零磷剃成绩渗镶蓝宝石激光装置，其输滋擎脉狰魏爨3 m j 、脒宽2 5 f s 、峰值功率犬予l 。甜w 锷。中戮工耧物理研究院也是国内较举从攀c p a 拽沭研究和应粥的单位之，2 0 0 3 年，巾物统激光聚交中，厶建立7 躲宽梵5 0 r s 、髓爨1 j 、峰蘧功率为2 0 t w 、聚焦功率大四川犬学碗士学位论文于3x1 0 1 8 w c m 2 的超斑脉冲激光装鬻f j 3 ”。2 0 0 4 年，又将系统升级到2 0 0t w 、辣宽楚3 0 f s 、聚集功攀寮嶷达裂1 0 2 0 w c m 2 量捋。这是曩羲嚣内最裹峰值功零匏超短脉冲激光装置，也怒世界上几大商功率超矮脉冲装置之一。1 s 本论文的研究意义和内容安排超短脉冲系统中啁瞅脉冲的光荣质量一宣是人们关心和麓视的问题。在碉啾脉冲放大过程中，影响啁啾脉冲光柬质量的因素报务。啁啾脉冲在放大过程中除鑫龛能纛褥燕放大势，它还会受裂壤益窄纯效应、璞盏饱衣效应、鑫襁位谖艇爨及放大介壤中豹色教等效应的影确，镬输出脉渖豹波形和频谱产生变纯，逐褥会严重影响脉冲的有效放大、脉冲的聪缩及脉冲的光束质量。为了尽可能地避免这些不利霹綮的影响，有必要对c p a 系统中啁啾脉 申的传输和放大特性进行计算模餐，对越矮稼净放大系统串竞传羧豹递弱蓬遴费磷究，苁覆隽瓤狰整形据供理论依据，以提高激光脉冲的光束质量。本论文从经典的麦克斯韦方程组出发，推导出超短脉冲传输的基本方程，利震非线瞧簿定谔方程秘分步傅立时方法磁究了髑嗽踩弹的传辕潮黢大特性。在建基础土，分丰厅了波前倪襁畸交以及不同放大介蘼j c 尊嚼嗷脉津传输和放大特佼的影响，最后，对啁啾脉冲传输中的逆问题进行了研究，从而为脉冲憝形提供理论依据和参考。论文的主要内容包括以下几部分：第一鬻：雩 言介绍超短脉冲激光技术的发展历程，国内外研究现状和超斑脉冲技术的成用，简要介缁了啁啾脉冲放火( c p a ) 技术的原理、发展和国内外发展现状。第：豢：嘲啾躲冷放大孛熬主簧簸痰献经典的麦克靳韦方程组出发，推导出稠嗽躲冲传输放大的理论模型一稚线性薛定谔方程，介绍了分步傅立叶方法( f f t ) 的原理，对啁啾脉冲传输放大中的主要效应避行数值模拟謦跬理论分析，这些效应包撼群速度色散、良旧位调制、增益窄凭黧缮益篷囊效疲等。第三章；啁嗽脉冲传输特性针对啁啾脉冲的传输。研究四种不同放大介质的特点，重点对经钕玻璃和钛宝虿两耱放大奔震懿毽数、菲线蛙、壤益窄纯秘矮藏镪和效应避蟹数僮模数秘褒露川大学壤士学位论文论研究。从非线性薛定谔方稷出发，运用分步傅立叶方法( f f r ) 算法，通过建立波前位稻畸变模型，详细讨论了波前位相畸变对稠嗽脉冲时空特性的影响。第蹬章：啁嗷脉渖传竣逆阅题熬磅究运用非线性薛定谔方程和数值迭代法建立逆问题研究的理论模型，并采用该摸整黯稠秧踩 串瓣逆瓣嚣进行了理论分辑秘数篷模羧。霪焘磷究了逶葬孛增益窄化和增益饱和对啁啾脉冲的影响。第五章：总结对本论文的工作进行总结。登型查兰堡圭竺笙燕苎参考文献1 1 谈淘超短脉冲激光及箕疫翊，空军工程大学学撒，2 0 0 0 , l ( 1 ) ：1 - 5 。1 2d e s p o n c e ，p = n k e a n 。w s i h e t t , 6 0 - f s e cp u l s eg e n e r a t i o nf o r mas e l f - m o d e 1 0 c k e d if ：s a p p h i r el a s e r o p t l e a ，1 9 9 1 ，1 6 ：4 2 - 4 4 3i t s o r o k i n a , e 。s o r o k i n 善w i n m e re ta 1 。1 4 - f sg e n e r a t i o ni nk e r r - l e n sm o d e - l o c k e dp f i s m l e s sc r ：l i s a fl a s e r ：o b s e r v a t i o no f p u l s es e l f - f r e q u e n c ys h i f t o p t l e r t ，1 9 9 7 ，2 2 ：1 7 16 1 4z z h e n g ，k t o d z u k a t i t a t a n ie ta 1 ，f e m t o s e c o n dc r ：f o r s t e r i t el a s e rw i t hm o d el o c k i n gi n i t i a t e db y8q u a n t u m - w e l ls a t u r a b l ea b s o r b e r j e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，t 9 9 7 ，q e - 3 3 ：1 8 5 1 - 8 - t 8 6 1 1 5y i s h i t a , k n a g a n u m a , c h a r a e t e r s t i e so f f e m t o s e c o n dp u l s en e a ri 5 1 a mi nas e l f - m o d e q o e k e dc r 4 + ：y a ol a s e r o p t l e t t 。，1 9 9 4 ，1 9 ：2 0 0 3 - 2 0 0 5 1 6 蔓渣嚣飞移熬跨激毙技术爱箕赣菇相美学辩，爨孑邀子学，1 9 9 4 ，l l 国：2 1 1 - 2 1 8 。1 7 攀隰，黄圣鸿，穆参军等高功率飞秒脉冲激光器的进展，光学技术，2 0 0 2 ，2 8 ( 6 ) ：5 2 8 5 3 0 。i 8h u e n g , h c k a p t e y n ，j w m c i n t o s he ta 1 ，g e n e r a t i o no ft r a n s f o r m - l i m i t e d3 2 - f sp u l s e sf r o m 8 s e l f - m o d e l o c k e d t i ：s a p p h i r e l a s e r , 0 p t ，l e r t ，1 9 9 2 , 1 7 0 ) ：1 3 9 - 1 4 1 。1 9h u a n g , m t a s a k i ，s 。b a c k u se ta 1 ，1 7 - f sp u l s e sf r o mas e l f - m o d e - l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r ,o p t l e t t ，1 9 9 2 ，1 7 ( 1 8 ) ：1 2 8 9 1 2 9 1 1 1 0t a s a k i 。c 。h u a n g , 疆g a r v e ye ta 1 ，g e n e r a t i o no fl l - i sp u l s e sf r o mas e l f - m o d e 1 0 c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r , o p t 。l e t t ，1 9 9 3 ，1 8 ( i ：9 7 7 - 9 7 9 1 1 1s t i n 9 1 m l e r g n e r , c h s p i e l m a n ne ta 1 ，s u b - 1 0 f sm i r r o r - d i s p e r s i o nc o n t r o l l e dt i ：s a p p h i r el a s e r , o p t l e r t ，1 9 9 5 ，2 0 ( 6 ) ：6 0 2 6 0 4 1 1 2u m o r g n e r , ex 。k a r m e r , s 。辩c h o 鞋a l 。s u b - t w o - c y c l ep u l s e sf r o mak e r r - t e n sm o d e q o c k o dt i ：s a p p h i r el a s e r , o p t l e t t ，1 9 9 9 , 2 4 ( 6 ) ：4 1 1 - 4 1 3 1 1 3z + c h e n g ，a f u r b a c h ，s s a r t e n i ae ta 1 ，a m p l i t u d ea n dc h i r pc h a r a c t e r i z a t i o no f h i 【g i - p o w e rl a s e r p u l s e s i n t h e 5 - f sr e g i m e ，o p t l a r t ，1 9 9 9 , 2 4 ( 4 ) ：2 4 7 2 4 9 。l 。1 4d h s u r t e r ，gs t e i u m e y e 毛g a l l m a n ne ta 1 。s 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 rm i r r o r - a s s i s t o dk e r r - l e n sm o d e - l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e rp r o d u c i n gp u l s e si nt h et w o - c y c l er e g i m e ，o p t l e t t ，1 9 9 9 , 2 4 ：6 3 1 - 6 3 3 1 。1 5m n i s o l i 。s d 。s i l v e s t r i ，o 。s v e l t oe ta l 。，c o m p r e s s i o no f h i g h - e n e r g yl a s e rp u l s e sb e l o w5 f s ，删川太学磺士学位论文o p t l e t t 。1 9 9 7 ，2 2 ( 8 ) ：5 2 2 - 5 2 4 1 1 6b a l t u k a , tf u j i ，鼍k o b a y a s h i ，v i s i b l ep a i s ec o m p r e s s i o nt o4 f sb yo 两c a p a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o na n dp r o g r a m m a b l ed i s p e r s i o nc o n t r o l ，o p t 。l e t t ，2 0 0 2 。2 7 ( 5 ) ：3 0 6 - 3 0 8 1 1 7 b a l t u s k a , z w e i m s p s h e n i c h n i k o ve ta t , a l ls o l i d - s t a t ec a v i t y - d u m p e ds u b - 5 f sl a s e r , a p p l ，p h y s b ，1 9 9 7 ，6 5 ( 2 ) ：1 7 5 - 1 8 8 。1 1 8b a l t u s k a , z w e i ，m s p s h e n i e h n i k o ve ta 1 ，o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o nt o5 f sa ta1 m h zr e p e t i t i o nr a t e ，o p t l e t t ，t 9 9 7 , 2 2 ( 2 ) ：1 0 2 1 0 4 。1 1 9s s a r t a n i a , z c h e n g 。m ie f l 黜e re ra 1 ，g e n e r a t i o no f0 1 t w5 f so p t i c a lp u l s e sa ta1 m h zr e p e t i t i o nr a t e o p t l e t t ，1 9 9 7 , 2 2 ( 2 0 ) ：1 5 6 2 - 1 5 6 4 1 2 0j z h o u ，j p e a t r o s s ，m + m