啁啾體布拉格光柵在超快雷射領域的應用

2020-11-23 OFweek維科網

　　飛秒超快強雷射技術是或得高功率飛秒光源的重要手段。自上世紀80年代，Mourou等人首次將雷達信號放大理論應用於光學領域，提出啁啾脈衝放大（CPA）技術概念以來，飛秒超快強雷射技術就取得了很大的發展。啁啾脈衝放大（CPA）技術的核心思想是：為避免放大過程中，光脈衝能量超過元件的損傷閾值而損傷元件，同時又可以有效地從增益介質中抽取能量，先將脈衝經過展寬器展寬後再進入放大器中放大，從放大器中出來的脈衝再經過壓縮器壓縮，這樣就可以得到短脈衝、高功率的飛秒脈衝。

　　根據啁啾脈衝放大原理，飛秒強雷射脈衝系統主要由四部分組成：超短脈衝振蕩器、脈衝展寬器、脈衝放大器以及脈衝壓縮器。飛秒脈衝系統的關鍵技術就是色散補償問題，即脈衝展寬器與脈衝壓縮器的合理設計的問題。下面就簡單介紹一下飛秒雷射系統中的脈衝展寬器和脈衝壓縮器：

　　(1)脈衝展寬器設計原理：脈衝進入脈衝展寬器，經過脈衝展寬器的光柵（CBG）衍射後，脈衝中不同頻率的光因衍射角不同而分散開，而衍射元件的放置又使脈衝的藍光部分的光程比紅光部分長，這樣紅光就會先於藍光離開脈衝展寬器，種子脈衝就得到了初始展寬，經過展寬後的脈衝峰值功率低，這樣就不會損傷光學元件且能避免脈衝光過強而產生的各種非線性效應。

　　(2)脈衝壓縮器設計原理：與脈衝展寬器正好相反，脈衝壓縮器是將已經展寬的高能量光譜再壓縮回其初始的光譜狀態。這樣，就得到了短脈衝、高功率的飛秒脈衝。

　　那麼如何獲取一個理想的脈衝展寬器和脈衝壓縮氣呢?那麼，啁啾體布拉格光柵（CBG）是一個良好的選擇。

　　啁啾體布拉格光柵是第一款可商業用於飛秒雷射脈衝的展寬和壓縮的光柵產品。它是一種反射式布拉格光柵且周期沿著光傳播的方向逐漸變化。它還是目前超短飛秒脈衝雷射領域能夠承受高脈衝能量和高功率的最小脈衝展寬器和脈衝壓縮器。

　　在目前的光柵市場中，傳統的刻痕光柵只能承受10W以下的平均功率，而光纖光柵也不能承受較高的功率密度。所以，現在的高功率啁啾脈衝放大（CPA）多依賴於電介質衍射光柵進行脈衝的壓縮。但是，這種電介質光柵仍然具有與傳統光柵同樣的缺點：體積較大、偏振敏感性強、光學設置複雜等。為了克服這些缺點，就需要重新尋找一款新型的脈衝展寬器和壓縮器。終於，科研工作者通過對高分子材料——光敏玻璃（Photo-Thermo-Refractiveglass簡稱PTR）的加工，成功的研製出了大孔徑啁啾體布拉格光柵（CBG上海昊量光電設備有限公司-中國地區代理商）用於啁啾放大技術（CPA）的脈衝的展寬和脈衝的壓縮。基於啁啾體布拉格光柵（CBG）（上海昊量光電-中國區域代理商）設置的高功率光纖啁啾脈衝放大（CPA）系統如圖1所示：

　　圖1高功率光纖CPA放大系統的實驗設置圖

　　隨著技術的共同性，國內的一些科研工作者們也逐漸開始用這種新型的啁啾體布拉格光柵（CBG）用於脈衝的展寬和脈衝的壓縮，並且得到很好的效果。具啁啾體布拉格光柵（CBG）工作原理圖如圖（2）所示。

　　圖2脈衝的展寬與壓縮（種子光從一側射入可展寬，另一側則壓縮）
 

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