CPA及其在激光器中的應(yīng)用

劉樂

摘 ? 要：文章簡(jiǎn)要闡述了CPA的研究進(jìn)展，介紹了其調(diào)Q、鎖模、克爾透鏡鎖模等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的原理，并闡述了待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和在激光器中重要應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CPA;飛秒脈沖;鎖模

1 ? ?脈沖寬度發(fā)展概述

隨著人們工業(yè)需求的不斷提高，人們將工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提高激光的峰值功率工作中來。對(duì)激光器的研究歷史較為久遠(yuǎn)，1963年就已經(jīng)發(fā)明了納秒脈沖激光光源。隨著科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，1964年逐步完善納秒脈沖激光光源，從而提升了激光脈沖寬度量級(jí)。為了進(jìn)一步提升激光脈沖輸出記錄，科研人員不斷努力，在1981年，研制出新型碰撞鎖模燃料激光器，這種激光器將脈沖寬度提升至飛秒級(jí)，并且在今后工作運(yùn)行的環(huán)節(jié)中，光強(qiáng)的非線性效應(yīng)仍使激光光強(qiáng)一直停留在109 W/cm2的水平上—激光脈沖的能量越大，激光脈沖的時(shí)間尺度越短，對(duì)應(yīng)的峰值功率就越大。

飛秒脈沖激光的脈沖寬度太短，在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)節(jié)中，由于脈沖寬度較短，進(jìn)行放大處理將會(huì)使峰值的功率快速上升，如果操作不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，不利于飛秒脈沖激光發(fā)揮作用。當(dāng)峰值的功率持續(xù)上升時(shí)，會(huì)對(duì)光學(xué)器件、增益介質(zhì)等產(chǎn)生影響，增益介質(zhì)中的能量將會(huì)減少，從而降低了脈沖光束的質(zhì)量。因此，在處理這一問題時(shí)，相關(guān)的技術(shù)人員應(yīng)該適當(dāng)?shù)卣{(diào)整飛秒脈沖激光的寬度，并根據(jù)飛秒脈沖激光寬度的變化對(duì)脈沖進(jìn)行放大處理，放大到一定程度時(shí)及時(shí)將脈沖降到原始的量級(jí)，也即啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped Pulse Amplification，CPA）。

2 ? ?CPA技術(shù)的原理及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

CPA技術(shù)在窄脈沖放大中的作用較明顯，CPA技術(shù)適用的范圍較廣，經(jīng)常出現(xiàn)在大型的核聚變激光器中。當(dāng)產(chǎn)生窄脈沖時(shí)，展寬較寬，隨著振蕩器的不斷變化，脈沖的光強(qiáng)度較低，導(dǎo)致脈沖的能量降低，當(dāng)脈沖呈現(xiàn)放大的情況時(shí)，脈沖中儲(chǔ)存的能量則被慢慢發(fā)出，為了將脈沖寬度保持在最佳水平，此時(shí)應(yīng)該充分發(fā)揮壓縮器的作用，將脈沖進(jìn)行壓縮處理，使之與原來的寬度相一致。在實(shí)際的操作環(huán)節(jié)中，為了保證脈沖寬度的真實(shí)性，相關(guān)的技術(shù)人員應(yīng)該及時(shí)優(yōu)化窄脈沖的來源，并且根據(jù)脈沖寬度的實(shí)際情況逐步調(diào)整脈沖的展寬，并將脈沖光譜進(jìn)行放大處理。

在過去10年人們已經(jīng)可以獲得幾個(gè)光學(xué)周期的超窄脈沖。但直到1991年，Sibbett等利用克爾透鏡鎖模獲得了10～14 s的脈沖，此后，隨著現(xiàn)代化科學(xué)信息技術(shù)的不斷完善，逐步完善CPA系統(tǒng)，有效地保證了窄脈沖源的穩(wěn)定性，隨之產(chǎn)生超窄脈沖，超窄脈沖激光器組成方式較為簡(jiǎn)單，主要包括寬帶鏡與鈦，在實(shí)際的工作環(huán)節(jié)中，充分發(fā)揮藍(lán)寶石放大介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，藍(lán)寶石放大介質(zhì)的工作理念來源于藍(lán)寶石放大介質(zhì)的折射率及光強(qiáng)，為了保證超窄脈沖源的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮局域長(zhǎng)度的透鏡的優(yōu)勢(shì)。最窄脈沖寬度與棱鏡彌補(bǔ)晶體中脈沖的色散有關(guān)，在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)節(jié)中，應(yīng)該保證光強(qiáng)的輸出耦合器的形狀，防止出現(xiàn)不必要的反應(yīng)。同時(shí)，將發(fā)揮倍頻晶體中信號(hào)的優(yōu)勢(shì)對(duì)輸出的脈沖進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際的研究環(huán)節(jié)中，要將脈沖寬度調(diào)整在最大范圍，并根據(jù)脈沖運(yùn)行的實(shí)際情況調(diào)整好藍(lán)寶石放大介質(zhì)的峰值功率，使之產(chǎn)生更好的效應(yīng)。當(dāng)從藍(lán)寶石放大介質(zhì)中輸出能量時(shí)，飽和通量為s=hν/σ，其中基本的組成要素為躍遷截面、普朗克常數(shù)、激光頻率。此時(shí)最窄脈沖的寬度主要包含增益寬度，隨著光束每平方厘米面積峰值功率的不斷上升，應(yīng)該逐步增加聚焦強(qiáng)度，以保證躍遷截面在藍(lán)寶石放大介質(zhì)中的光強(qiáng)最大。

最早的CPA系統(tǒng)利用單模光纖的正群速色散來展寬超窄脈沖的頻率組分。經(jīng)過光纖之后，相關(guān)的技術(shù)人員應(yīng)該及時(shí)優(yōu)化展寬的脈沖紅色波長(zhǎng)與藍(lán)色波長(zhǎng)之間的前后順序，并根據(jù)展寬超窄脈沖的實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行放大處理，并充分發(fā)揮平行衍射光柵的優(yōu)勢(shì)，將其進(jìn)行壓縮。為了提升光纖展寬器的色散性能，加工脈沖的時(shí)間調(diào)整為最佳區(qū)間，并合理控制好展寬的比例。

1987年，Martinez設(shè)計(jì)了1 500 nm波長(zhǎng)壓縮脈沖的壓縮器。波長(zhǎng)壓縮脈沖壓縮器光譜領(lǐng)域光纖的色散形式較為特殊，主要是負(fù)群色散，為了展示波長(zhǎng)壓縮脈沖壓縮器的效果，在實(shí)際的操作環(huán)節(jié)，將發(fā)揮望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)，將其放置在光柵中的最佳位置，并且保證壓縮器的正常運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，將脈沖的展寬調(diào)整在適宜的區(qū)間，并利用壓縮器將其壓縮，根據(jù)脈沖展寬的實(shí)際情況將放大器、壓縮器、增益介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，保證光學(xué)元件的匹配度。同時(shí)，在壓縮的環(huán)節(jié)中，由于對(duì)脈沖壓縮環(huán)境的要求較高，所以技術(shù)人員應(yīng)該在真空的環(huán)境下進(jìn)行壓縮，有效避免外界因素的影響。

同時(shí)，超窄脈沖的光譜形式具有多樣性，例如：高斯包絡(luò)脈沖主要包含的要素有脈沖帶寬、脈沖寬度。在實(shí)際的放大環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員應(yīng)該掌握好光譜的組分，并且進(jìn)行平均分布，直到放大的等級(jí)與實(shí)際的情況相符合。在實(shí)際的脈沖壓縮環(huán)節(jié)中，脈沖的帶寬會(huì)出現(xiàn)減少的情況，而脈沖的寬度將會(huì)隨著帶寬的減少而增加。在面對(duì)超窄脈沖時(shí)，要充分發(fā)揮藍(lán)寶石放大介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其問題進(jìn)行有效的解決。同時(shí)，藍(lán)寶石中的增益寬度一定程度上比脈沖的放大要小，藍(lán)寶石的增益寬度具有熱性質(zhì)較好的優(yōu)勢(shì)，可以在高重復(fù)率中進(jìn)行有效的放大。為了有效體現(xiàn)CPA系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值，逐步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的峰值功率，有利于提升超高光強(qiáng)窄脈沖的真實(shí)性。

3 ? ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

CPA技術(shù)的雛形在1992年被首次提出，并逐步完善了參光量啁啾脈沖放大技術(shù)，保證了高功率超短強(qiáng)脈沖的正常輸出，隨著現(xiàn)代化科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，逐步對(duì)啁啾脈沖放大中脈寬窄化進(jìn)行優(yōu)化，光纖量放大是充分發(fā)揮四波混頻效應(yīng)放大信號(hào)光的優(yōu)勢(shì)，其中的高增益、寬帶寬、好的增益平坦性及低噪聲為后續(xù)研究工作奠定了基礎(chǔ)。

由于CPA技術(shù)在激光強(qiáng)度發(fā)展的歷史中所起的作用，美國(guó)將基于CPA技術(shù)搭建的激光系統(tǒng)用于快點(diǎn)火激光聚變工程，以期徹底解決能源問題。2013年，Mourou等基于現(xiàn)有的光纖放大技術(shù)及相kHz、單脈沖能量10 J干合成技術(shù)，針對(duì)下一代粒子加速器的應(yīng)用發(fā)展需求提出了一套重復(fù)頻率為10的設(shè)計(jì)方案。國(guó)際上許多頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室也相繼在實(shí)際應(yīng)用中利用該技術(shù)，國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院物理研究所、天津大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、西安光機(jī)所、華東師范大學(xué)等科研單位也在該領(lǐng)域展開了大量工作，爭(zhēng)取早日拉近與國(guó)外同行的差距。Hu等數(shù)值模擬研究摻鐿光纖放大器中啁啾脈沖放大后光暗化（Photo Darkening，PD）對(duì)脈沖壓縮和相干合成的影響。研究發(fā)現(xiàn)即使增加泵浦功率以保持脈沖能量恒定，PD也會(huì)降低脈沖，這是因?yàn)榧訜釙?huì)在脈沖內(nèi)產(chǎn)生相位失真，而如果光纖長(zhǎng)度在生命開始時(shí)針對(duì)無PD光纖進(jìn)行了優(yōu)化，PD也會(huì)增加自相位調(diào)制。相比之下，在比這更短的光纖中，即使在高達(dá)5 dB的PD傳播損耗下，峰值功率的下降也是相對(duì)適度的35%，因此對(duì)PD引起的相位失真提供了有效緩解。這些改進(jìn)提高了波束組合系統(tǒng)的組合效率[3]。準(zhǔn)參數(shù)啁啾脈沖放大可以通過抑制反向轉(zhuǎn)換來提高信號(hào)放大效率和穩(wěn)定性，其中惰輪吸收起著關(guān)鍵作用。蔡麗君等從理論上研究了在小信號(hào)和飽和狀態(tài)下惰輪吸收對(duì)QPCPA性能的影響。作者證明存在一種最佳的惰性吸收狀態(tài)，即能夠在最小晶體長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大泵耗。

4 ? ?關(guān)鍵問題和應(yīng)用展望

關(guān)于縮短脈沖時(shí)間，當(dāng)前的最新進(jìn)展是使用非共線光學(xué)參數(shù)放大的方法提高種子激光器和壓縮器的性能。但壓縮系統(tǒng)的性能決定了出射光的脈沖時(shí)間可以被壓縮到多短和它能承受的光強(qiáng)。在提高峰值功率方面，主要還是受限于目前材料的性能。

激光放大器通過鈦藍(lán)寶石和CPA混合技術(shù)，可以獲得短種子脈沖和寬增益脈寬。這項(xiàng)技術(shù)的主要問題仍然是CPA中的寄生激光難以避免。另外，共振受激拉曼背向散射和受激布里淵散射是最有可能替代昂貴的CPA技術(shù)的兩種新興的放大機(jī)制。

機(jī)房脈沖能量一定程度上與CPA系統(tǒng)中的壓縮器與展寬器有關(guān)。同時(shí)，為了有效地提高聚焦功率，在高功率激光驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的環(huán)節(jié)中，要保證脈沖的品質(zhì)，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)中，要及時(shí)調(diào)整衍射光柵的表面平整度，減少條紋曲率，采用衍射光柵壓縮納秒量級(jí)脈沖的另一個(gè)缺點(diǎn)是裝置體積龐大。

同時(shí)，激光模式不穩(wěn)定的情況時(shí)有發(fā)生，在實(shí)際的工作環(huán)節(jié)中，隨著功率的升高，光纖容易被破壞。超短脈沖激光平均功率與相位調(diào)制、受激拉曼散射、四波混頻等多種要素有關(guān)，一定程度上不利于后續(xù)研究的順利進(jìn)行，并對(duì)飛秒光纖激光系統(tǒng)的平均輸出功率造成一定的影響。

國(guó)際上許多頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室也相繼建成了多臺(tái)峰值功率超過拍瓦級(jí)別的CPA裝置。如勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的1.5 PW、450 fs釹玻璃激光系統(tǒng)，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光裝置，韓國(guó)先進(jìn)光子學(xué)研究所的1.5 PW鈦寶石CPA激光系統(tǒng)，中物院激光聚變中心的5 PW級(jí)激光裝置和中科院上海光機(jī)所最新獲得的10 PW裝置等。超強(qiáng)激光基礎(chǔ)設(shè)施ELI，其設(shè)計(jì)峰值功率將達(dá)到拍瓦級(jí)，而承接該裝置研制和開發(fā)的是全球第一家商用級(jí)拍瓦激光系統(tǒng)的制造商Thales公司，該公司的產(chǎn)品廣泛用于基礎(chǔ)研究、工業(yè)加工和國(guó)防中[4]。

5 ? ?結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了調(diào)Q、鎖模、克爾透鏡鎖模等CPA關(guān)鍵技術(shù)的原理，并闡述了CPA技術(shù)的重要應(yīng)用價(jià)值及在激光器中的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

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[4]ZHOU Y，LI Q，CHEUNG Y，et al. All-fiber based ultrashort pulse generation and chirped pulse amplification through parametric processes[J].IEEE Photonics Technology Letters，2010（22）：1330-1332.