激光琥脈沖放大的分析與實驗研究

1.目前的高信噪比優勢隨著鈦礦激光齊脈沖放大（rc）技術的發展，飛秒飛超激光可以生成接近pw級的飛超激光。與大型高能量激光裝置相比，這種激光系統具有體積小、成本低、脈寬窄、峰值功率高等優點。因此，它是激光和材料相互作用研究的理想光源。近年來，該領域的研究工作推動了許多新學科的出現，如強場物理、實驗室航空物理、平臺粒子加速物理等，并取得了突破，成為探索物理研究的重要手段。此外，除了提高初始速度外，為了提高抗光束噪聲的信噪比，需要應用物理研究中激光脈沖信噪比的要求，人們提出了許多新技術方案。例如，高信噪比種子脈沖、環腔再生放大、光參數cs、雙家譜、交叉偏振濾波等。由于這些技術的廣泛應用，亞洲10-10級的信噪比提高了能量輸出，這是國際上最近的一次重大進展。在采用CPA技術的常規飛秒激光放大器中,脈沖的前沿和后沿會存在很強的放大自發輻射(ASE),并能持續ns量級的時間長度.雖然與主激光脈沖相比ASE在強度上小五六個數量級,但在超短超強激光脈沖與物質的相互作用中,即使對于聚焦強度為1015W/cm2量級的主激光脈沖,相應的ASE聚焦強度也可以達到1010W/cm2量級以上.這樣的激光強度足可以產生預等離子體,從而改變主脈沖與物質相互作用時所產生的等離子體的初始狀態,影響實驗結果的準確性.隨著激光峰值功率的不斷提高,這一問題將會變得更加嚴重,特別是對于PW級的激光脈沖,高信噪比將是不能忽視的重要指標之一.如何有效地提高超強激光系統的信噪比特性,減小它對極端物理實驗的不利影響,是目前飛秒超強激光技術發展中的一個重要研究方向.在CPA激光系統中,噪聲主要來自于預放大過程,設計高信噪比的預放大器是提升整個激光系統信噪比的關鍵所在.通常預放大器分為再生預放大和多通預放大,再生預放大器輸出激光的信噪比只有10-5,而對于多通預放大,在非飽和放大的情況下可以有效減少放大過程中的ASE,從而提高輸出激光的信噪比.為此本文模擬分析了多通預放大器在飽和放大和非飽和放大兩種情況下,種子脈沖在放大過程中信噪比的變化情況,并搭建了一個工作在非飽和放大狀態下的十通預放大系統,實驗測量了其輸出激光脈沖的信噪比.結果顯示,在非飽和放大的情況下激光脈沖的信噪比提高了約兩個數量級.2.放大光通量方程多通放大過程是光場與受激發物質之間的相互作用過程,該過程可通過下列材料極化方程、麥克斯韋電場方程和粒子數反轉方程來進行描述:式中E為放大光的電場分量,P為介質的共振躍遷極化矢量,α為介質的損耗系數,n為介質的折射率,ue7b9ωa為躍遷能級的光子能量,Ne為初始熱平衡下反轉粒子數,T1為縱向弛豫時間,T2為橫向弛豫時間,ωa為受激發射的中心頻率.簡化后放大光的傳輸方程為式中γ為介質內部線性損耗系數,σ為躍遷發射截面.熱平衡時的系統粒子數變化方程為式中τR為下能級態的衰變時間.當γ=0時放大光通量方程為式中G(z)是小信號增益,J(z)是光放大的光通量;Js是飽和通量,它由增益介質特性決定.另外還要引入增益恢復系數P,以彌補下能級弛豫時間對增益的影響.介質各段上在放大前后的增益迭代關系為式中k為放大次數.在我們的放大裝置中,相鄰放大的時間間隔遠小于下能級的弛豫時間,可認為是完全未恢復,P=1.另外,這里的T為單程損耗系數.可得到迭代關系式在模擬過程中,理論公式(12)中Js,J(z),J(0)的單位是J/cm2,因此為了模擬脈沖不同時間點的增益情況,要知道各取值點的通量密度.我們首先假設展寬后脈沖功率為高斯分布,即在每個取值點0.1ps的范圍內積分求得的能量再除以光斑面積就近似認為是該點的通量密度.取種子脈沖能量為2.5nJ,展寬后的脈沖寬度為200ps,抽運光中心波長為532nm,其在晶體上的光斑直徑為2mm,抽運通量為1.6J/cm2,由此得到非飽和放大下的模擬結果如圖1(a)所示.結果表明,種子光在放大過程中不同時間點的增益不同,功率密度越高的點增益越大,脈沖中心在放大過程中獲得的增益要比邊緣大兩個量級.例如,在-300ps處,脈沖增益系數為7.1×103,而在峰值處,增益系數為8.0×105.因此,最后經壓縮器壓縮之后脈沖的信噪比會相應提高兩個量級.另外,在抽運通量為2.0J/cm2的飽和放大情況下,模擬結果如圖1(b)所示.結果表明,脈沖各個時間點的增益幅度基本一致.例如,在-300ps處,脈沖增益系數為1.2×105,而在峰值處,增益系數為1.5×105.因此,飽和放大對種子光的信噪比沒有太大影響.3.多通預放大實驗根據模擬條件我們搭建了一套十通的多通預放大系統進行實驗.該實驗中使用的振蕩器是一臺自建的棱鏡對補償色散飛秒鈦寶石激光器,其輸出激光的重復頻率為80MHz,光斑直徑為2mm,單脈沖能量為2.5nJ,輸出脈沖的信噪比約為10-5.振蕩器輸出的種子光注入一個Martinez展寬器,展寬器由一塊1200刻線的光柵、一塊大尺寸平面反射鏡及一塊凹面反射鏡組成,經過兩次展寬后種子光脈沖被展寬至200ps,然后種子脈沖進入十通的多通預放大器.在多通放大器中,采用四個曲率半徑R=-500mm的凹面鏡作為反射鏡,每個反射鏡都鍍有700—900nm的全反射膜,使用的鈦寶石晶體尺寸為7mm×7mm×10mm,并以布儒斯特角切割.十通預放大的抽運源是一臺閃光燈抽運的腔外倍頻532nm綠光激光器,該激光器的重復頻率為10Hz,調節其輸出能量,分別將鈦寶石晶體上的抽運通量控制在1.6,2.0J/cm2進行非飽和放大和飽和放大實驗.實驗光路如圖2所示,調節十通預放大的四個反射鏡的姿態使得多次反射的種子光及抽運光匯聚在晶體同一點上,此時有最佳的放大效果,測得這時候的抽運脈沖能量為50mJ,輸出單脈沖能量為1.5mJ.經多通預放大器放大的脈沖再經過一次常規多通放大,使單脈沖能量提高到10mJ,再利用光柵對壓縮器壓縮后,用三階相關儀測得非飽和放大(抽運通量為1.6J/cm2)和飽和放大(抽運通量為2.0J/cm2)情況下激光脈沖的信噪比,結果如圖3所示.從圖3可以看出:在非飽和放大情況下,脈沖信噪比由10-5提高到10-7,提高了兩個數量級;而在飽和放大的情況下,種子光經放大之后信噪比仍為10-5,沒有明顯變化.這與本文的模擬結果一致.4.不同抽運通量下不同時間點脈沖特性利用飛秒鈦寶石振蕩器輸出的單脈沖能量為2.5nJ、中心波長為800nm、信噪比為10-5的種子光,分別模擬了CPA中在非飽和放大和飽和放大兩種情況下種子光在多通預放大過程中不同時間點的增益情況.模擬結果顯示:在抽運通量為1.6J/cm2非飽和放大情況下,種子脈沖功率密度越高的位置增益越大,脈沖峰值處增益要比脈沖邊緣大兩個量級.而在抽運通量為2.0J/cm2飽和放大情況下