分裂脉冲放大

2021-02-23 11:01:27 浏览:365

定义

一种通过放大超短脉冲降低强非线性效应的方法。

分裂脉冲放大[3]是一种为减轻在超短脉冲放大器中的过度的非线性相移而引入的技术。这些相移的产生是由于在放大器的增益介质中传播时放大脉冲的高峰值功率造成的。这些相移可能引起频谱展宽和脉冲失真,甚至放大器的光学损伤。

分裂脉冲放大原理

分裂脉冲放大的基本原理是在放大之前将每个脉冲分裂成一系列的几个(或很多)脉冲,并在放大后将这些一系列的脉冲重新组合。原理上,这种脉冲分裂能够由分束器(例如,部分反射的介质镜)实现,但是由于这些一系列脉冲具有不同的光程,重新合束将会变得困难。因此,脉冲分束和合束技术采用的是很久之前提出的[1]。把一个线性极化脉冲入射到一个双折射晶体中,使得初始极化方向和晶体光轴的夹角为45°,这个线性极化的脉冲将会被分裂成两束脉冲。晶体的长度是可选的,因此群速度失配导致相对时间延迟大于脉冲持续时间(恰当的晶体长度能获得几皮秒的时间延迟)。采用更多的晶体,重复以上方法,这些被采用的晶体可以较第一个晶体具有更长的长度-理想情况下,后一个晶体的长度是前一个晶体长度的两倍,这样能获得一个等间距的脉冲序列。每个晶体的光轴的方向相较于上一个晶体的光轴方向变化45°。

图 1 基于分裂脉冲放大的放大器示意图。脉冲两次经过一个光纤放大器,在偏振光分束器中(PBS),法拉第旋转器(FR)将放大后的脉冲从输入的脉冲中分裂出来,即使光纤不是保偏光纤。

旋转脉冲的极化方向90°(例如,采用一个法拉第旋转器)后,例如通过发送脉冲向相反方向穿过相同序列的晶体来进行脉冲的重新组合(放大后)是可行的。另一可选方案是采用另一组晶体。有趣的是,不需要将晶体长度与波长进行完全匹配,完全匹配是很难实现的;重新合束的脉冲将不再是线性极化的。实际上放大器中的脉冲畸变也会影响重新合束的脉冲的极化。 脉冲的数量每经过一个晶体,就会翻倍,五个晶体能够产生25 = 32个脉冲。一般而言,10个晶体能够产生210= 1024 个脉冲,但至少所有晶体中的一些晶体具有很长的长度。在皮秒体系下,一个峰值功率经过32次减半有时候可以是足够的,然而对于飞秒脉冲而言,一个峰值功率常常需要多次的功率减半。

与啁啾脉冲放大比较

可解决非线性相移问题的(更老的且更常规的)替代方案是啁啾脉冲放大,在啁啾脉冲放大中,脉冲被分散地展宽,然后放大(具有一个适中的峰值功率),然后这些被展宽放大后的脉冲在色散的压缩器(例如,一对衍射光栅)中再被压缩。 这两种方法在许多方面具有不同之处:

  • 对于较长(如,皮秒)的脉冲,啁啾脉冲放大(CPA)需要非常大量的离散化。这种问题在分裂脉冲放大(DPA)中是不存在的。
  • 对于较短(如,飞秒)的脉冲,如果采用DPA,双折射晶体的光色散引起的脉冲展宽效应将会成为问题,尽管使用优化材料考虑到了进一步的提高。(对于更短的脉冲,更短的晶体可以被采用,但这并不能全完补偿更短脉冲带来的影响,因为脉冲对离散比例的敏感度与脉冲持续时间成平方反比的关系。光学非线性效应以一个更为良性的方式延展。)
  • 采用DPA方法时的脉冲能量损耗会显著地低于采用一对衍射光栅的CPA方法时的脉冲能量损耗。
  • 关于对准,当采用的衍射光栅色散较大时,采用CPA方法将会很难对准。这种问题在DPA方法中不存在。
  • 最后,啁啾脉冲放大通常更适用于持续时间低于1皮秒的脉冲,然而分裂脉冲放大更适用于持续时间较长的脉冲。然而,采用何种方法取决于许多具体情形。

通常来说,将分裂脉冲放大和啁啾脉冲放大相结合是不实际的,因为啁啾脉冲放大方法需要相当长的啁啾脉冲,因此需要一个大的双折射和/或一个长的双折射光学部分来避免在分裂脉冲放大中的干涉效应。需要其它装置以产生足够长的时间延迟,例如级联的马赫-曾德尔型分束器或波束合成器[2, 6]。本词条侧重于描述锁模的方法和一些基本原理,在锁模激光器词条中则包含各种锁模激光器更多的细节。

参考文献

[1] H. E. Bates, R. R. Alfano, and N. Schiller, “Picosecond pulse stacking in calcite”, Appl. Opt. 18 (7), 947 (1979)
[2] S. Podleska, “Verfahren und Vorrichtung zum Strecken und Rekomprimieren von optischen Impulsen, insbesondere von Laserimpulsen hoher Intensität”, DE Patent 102006060703A1 (2006)
[3] S. Zhou, F. Wise and D. G. Ouzounov, “Divided-pulse amplification of ultrashort pulses”, Opt. Lett. 32 (7), 871 (2007)
[4] L. J. Kong et al., “Generation of megawatt peak power picosecond pulses from a divided-pulse fiber amplifier”, Opt. Lett. 37 (2), 253 (2012)
[5] Y. Zaoter et al., “Femtosecond fiber chirped- and divided-pulse amplification system”, Opt. Lett. 38 (2), 106 (2013)
[6] M. Kienel et al., “Analysis of passively combined divided-pulse amplification as an energy-scaling concept”, Opt. Express 21 (23), 29031 (2013)
[7] A. Klenke et al., “Divided-pulse nonlinear compression”, Opt. Lett. 38 (22), 4593 (2013)
[8] E. S. Lamb et al., “Divided-pulse lasers”, Opt. Lett. 39 (9), 2775 (2014)
[9] Q. Hao et al., “Divided-pulse nonlinear amplification and simultaneous compression”, Appl. Phys. Lett. 106, 101103 (2015)
[10] F. Lesparre et al., “Yb:YAG single-crystal fiber amplifiers for picosecond lasers using the divided pulse amplification technique”, Opt. Lett. 41 (7), 1628 (2016)
[11] B. Webb et al., “Divided-pulse amplification to the joule level”, Opt. Lett. 41 (13), 3106 (2016)
[12] F. Guichard et al., “Coherent combining efficiency in strongly saturated divided-pulse amplification systems”, Opt. Express 24 (22), 25329 (2016)

参阅:放大器、超短脉冲、非线性、非线性脉冲畸变、激光诱导损伤、啁啾脉冲放大器

脉冲

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