高峰值功率激光技术之啁啾脉冲放大技术

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产生
CPA技术的产生，是源自对更高激光脉冲峰值功率的不断追求。峰值功率的提高受激光增益介质损伤阈值的限制，为了突破109W瓶颈，人们寻求损伤阈值更高的增益介质，然而效果均不理想，激光峰值功率始终徘徊在1012W量级。1985年，Rochester大学的GerardMourou与DonnaStrickland将雷达中的CPA概念引入到激光领域，改变了这一现状，为脉冲峰值功率的进一步提高奠定了基础。

原理图1
啁啾脉冲放大系统原理图1（注：初始光脉冲进过光栅对1的色散作用被展宽，峰值功率大大减小，随后进过增益介质的正常放大，放大后的脉冲经过与之前光栅色散极性相反的光栅对2得到压缩，最终输出高峰值功率的目标光脉冲）
原理
首先，利用展宽器(例如衍射光栅、棱镜等色散器件)在初始脉冲进入增益介质之前将其展宽：脉冲中低频成分走的路径要比高频成分要短(正啁啾)，脉冲在时间上被拉宽，峰值功率得到降低。展宽器的色散量越大，脉冲被拉宽的程度越高，峰值功率降低越多；
随后，展宽脉冲进入增益介质进行放大，由于脉冲已被展宽，可以提取更多的能量而不致使增益介质发生损伤；
最后，放大脉冲进入压缩器（色散器件），压缩器的色散与展宽器的色散极性相反，此时放大脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿，放大脉冲被压缩设定脉宽（甚至是傅里叶变换极限脉宽），脉冲峰值功率便能得到极大的提高。

原理图2
啁啾脉冲放大系统原理图2（注：光栅对1与光栅对2色散极性完全相反，其色散性能分别决定了脉冲的最大展宽宽度与最大压缩宽度）
在CPA系统中，脉冲展宽与再压缩巧妙地避免了增益介质损伤，可使激光聚焦功率密度高达1020W/cm2量级。展宽器和压缩器的色散量直接决定了脉冲的最大展宽宽度，色散量越大，脉冲在增益介质发生损伤之前能够提取的能量上限越大；压缩器作为CPA系统中最后一级，承载的峰值功率最大，因此，压缩器的损伤阈值高低直接关系整个系统的负载能力大小。

原理图3
啁啾脉冲放大系统原理图3（注：从图中可以看到，系统最后一级的压缩光栅对承受的光脉冲功率最大，决定了整个脉冲放大系统的负载能力）
核心组件
衍射光栅对
CPA系统中最为关键的器件是压缩器与展宽器，其性能影响着激光脉冲能量的提高。棱镜对、光纤以及啁啾镜都是常用的压缩器与展宽器，但是棱镜对色散能力所，光纤能承载的能量小，因而适用于激光驱动器的展宽器或压缩器是衍射光栅对。在高功率激光驱动器中，为了获得近衍射极限的聚焦光斑以提高聚焦功率，脉冲波前往往需要有着很好的品质，因此衍射光栅必须有着很高的表面平整度和尽量小的条纹曲率。
然而，这些指标随着衍射光栅尺寸的增大而变得尤为困难。受限于衍射光栅损伤阈值，目前CPA技术能获得高功率密度在1020W/cm2量级，更高能量的获得只能求助于更大的口径或更多的束数。拍瓦级的激光系统要求衍射光栅的工作区域达到1m×1，制备如此大面积的衍射光栅是对制备工艺的一个极大挑战。

光栅光压缩器
光栅光压缩器（光脉冲经过一衍射光栅对，由于色散效应，红光分量比蓝光分量经过更远的光程，最终在相位的差异上得到体现）

Martinez展宽器
Martinez展宽器（初始光脉冲进过展宽，峰值功率大大减小，经过后续的增益放大和光束压缩得到理想的高峰值功率脉冲，体现了“欲扬先抑”的思想）