高功率飞秒钛宝石激光放大系统中时间质量特性的研究

发布时间：2017-12-31 02:24

  本文关键词：高功率飞秒钛宝石激光放大系统中时间质量特性的研究　出处：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：高功率超短超强激光在生物、化学、物理学特别是强场物理学等研究领域一直都有着广泛应用,近年来在工业和医学领域诸如精细加工、表面处理、材料改性、成像诊断等方向也发挥着越来越重要的作用。而脉冲时间质量特性是高功率超快激光系统的核心指标,主要包括两个方面:一是激光脉冲的对比度问题,时间对比度的高低左右了高能量激光脉冲与物质相互作用的过程;二是激光脉冲的输出脉宽问题,在经过一系列放大过程后仍能够保持极短脉冲宽度输出是提高激光最终输出峰值功率的关键。本文围绕高功率超快激光系统中时间对比度提升及输出脉宽压缩这两个核心问题,针对性的进行了技术探索和研究,主要的研究内容与创新性成果如下:1.针对啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)中的色散管理问题,本文对于各阶色散的产生以及对激光脉冲宽度的影响进行了理论分析,对常用的展宽器结构(包括材料色散展宽器,棱镜对展宽器,Martinez型展宽器,Offner型展宽器等)和压缩器结构(包括棱镜对压缩器,光栅对压缩器)进行了详细的系统分析和优化设计,同时给出了相应的光路调节方法。介绍了可编程声光色散滤波器(acoustic-optic programmable dispersive filter,AOPDF)原理和使用方法。对于CPA内展宽器与压缩器之间的匹配问题,进行了详细的理论分析和模拟计算,给出了一套实用的设计和评估方法。为解决啁CPA系统中色散控制问题提供了理论和实践指导。2.设计并建立了基于交叉偏振波技术(Cross-Polarized Wave Generation,XPW)进行对比度提升及光谱展宽的高功率超快激光系统。该激光系统采用双啁啾脉冲放大(DCPA)结构,对第一级CPA进行了抑制热透镜的腔型设计,利用可编程的声光色散滤波器进行再生放大器内的精确色散控制,以20%的输出效率得到了光谱半高全宽达70nm的高对比度种子脉冲;第二级CPA提供了10Hz和1Hz两种重复频率的可切换输出设计,在10Hz输出状态下得到了40mJ,18.9fs的超短脉冲输出,对比度达到109。在1Hz输出状态下得到了400mJ,20fs的脉冲输出,并给出了后续能量提升的光路设计和真空压缩方案。3.对驱动脉冲影响XPW输出脉冲特性的问题进行了理论分析和实验探究。首先通过理论计算分析了驱动脉冲的脉冲宽度和线性啁啾量如何对XPW的脉冲宽度和线性啁啾产生影响,以及这种相关程度在不同条件下的差异性。接着我们使用了中心波长800nm、脉冲能量1.4mJ、重复频率1kHz的飞秒钛宝石激光进行XPW实验,并借助可编程的声光色散滤波器人为引入可控的二阶色散,以验证理论计算结果的正确性。此外我们发现在饱和功率密度条件下,XPW的光谱展宽大于驱动脉冲光谱宽度√3倍,同时经过压缩后能够获得小于入射脉宽的1/√3的输出脉宽;当驱动脉冲引入符号相反的等量线性啁啾时,所产生的XPW信号的输出特性具有明显差异。针对这些理论计算没有反映出的现象进行了详细的分析和解释。4.分析和研究了CPA系统中的增益窄化现象进行了分析和研究,并利用实验室现有条件,基于自己搭建的飞秒钛宝石再生放大器进行了增益窄化抑制的实验,将放大脉冲的光谱半高宽度由30nm拓展至60nm,将输出脉冲的傅里叶转化极限脉宽由31fs降低至16fs,大大提高了后续放大得到超短超强激光脉冲的潜力。
[Abstract]:In order to solve the problem of dispersion management in high - power ultra - fast laser system , this paper gives a detailed systematic analysis and optimization design of high - power ultra - fast laser system . The main research contents and innovative results are as follows : 1 . To solve the problem of dispersion control in high - power ultra - fast laser system , this paper presents a practical design and evaluation method . In addition , we found that the spectral broadening of XPW is larger than the driving pulse spectral width 鈭，

本文编号：1357667