超快放大器

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定义:放大超短光脉冲的放大器。

超快放大器是应用于放大超短脉冲的光放大器。一些超快放大器被用来放大高重复率的脉冲列,得到很高的平均功率而脉冲能量仍然处于中等水平,另外一些情况下,低重复率的脉冲得到更大的增益,得到很高的脉冲能量以及相对很大的峰值功率。将这些强脉冲聚焦到一些目标物上时,得到非常高的光强,有时甚至大于1016 W/cm2

作为例子,考虑锁模激光器的输出情况,脉冲重复率为100MHz,长度为100 fs,平均功率为0.1W。于是脉冲能量为0.1W/100MHz=1nJ,峰值功率小于10kW(与脉冲形状有关)。一个高功率放大器,作用于整个脉冲上,可以将其平均功率提高到10W,于是脉冲能量提高到100nJ。另外,可以在放大器之前采用一个脉冲拾取器将脉冲重复率减小到1kHz。如果高功率放大器还是将平均功率提高到10W,那么这时脉冲能量则有10mJ,峰值功率可以达到100GW。


超快放大器的特殊要求

除了光放大器的通常技术细节之外,超快装置还面临额外的问题:

  1. 尤其对于高能系统,放大器的增益必须非常大。在上面讨论的离子中,需要增益高达70dB。由于单通放大器受限于增益,通常采用多通道工作。采用正反馈放大器可以实现非常高的增益。另外,也经常采用多级放大器(放大器链),其中第一级提供高的增益而最后一级则优化得到高脉冲能量和有效能量提取。
  2. 高的增益通常也意味着对背向反射光(正反馈放大器例外)更敏感,并且更趋于产生放大的自发辐射(ASE)。在一定程度上,ASE可以在两级放大器之间放置光开关(声光调制器)得到抑制。这些开关仅在放大脉冲峰值附近非常短的时间间隔内打开。然而,这一时间间隔相比于脉冲长度仍然很长,因此抑制脉冲附近的ASE背景噪声不太可能。光学参量放大器在这一方面性能更好,因为它们只在泵浦脉冲通过时提供增益。不会对背向传播的光进行放大。
  3. 超短脉冲具有显著的带宽,可以通过放大器中的增益变窄效应来减小,因此得到的放大脉冲长度变长。当脉冲长度小于几十个飞秒时,需要超宽带放大器。增益变窄在高增益系统中尤其重要。
  4. 尤其对于高脉冲能量的系统,各种非线性效应会使脉冲时间和空间形状发生畸变,甚至会由于自聚焦效应损坏放大器。一种有效的抑制这一效应的方法是采用啁啾脉冲放大器(CPA),脉冲首先被色散展宽到例如1ns的长度,然后被放大,最后色散压缩。另一种不太常见的替代方法是采用分脉冲放大器。另一个重要的方法,是提高放大器的模式面积从而来减小光强。
  5. 对于单通放大器,只有当脉冲长度足够长从而脉冲通量达到饱和通量量级,但不会导致强非线性效应的情况下才有可能得到有效的能量提取。


一些可能性能指标的例子

对超快放大器的不同要求体现在脉冲能量,脉冲长度,重复率,平均波长等的不同。相应的,需要采取不同的装置。下面给出了一些有典型的不同类型系统得到的性能指标:

  1. 掺镱光纤放大器可以放大将100MHz的10ps的脉冲列放大到平均功率为10W。(具有这种性能的系统有时被称为超快光纤激光器,尽管它其实是一个主振荡功率放大器装置。)采用大模式面积的光纤放大器可以比较容易得到峰值功率为10kW。但是如果是飞秒脉冲,这种系统就会具有非常强烈的非线性效应。开始是飞秒脉冲,然后进行啁啾脉冲放大,可以很容易得到几个微焦耳的能量,或者在极限情况下可以大于1mJ。一个替代的方法是在具有正常色散的光纤中放大一个抛物线脉冲,然后进行色散压缩脉冲。
  2. 一个多通的体放大器,例如基于钛蓝宝石的放大器,可以提供大的模式面积,得到的输出能量在1J的量级,脉冲重复率比较低,例如10Hz。将几个纳秒的脉冲展宽是必要的,则是为了抑制非线性效应。后来被压缩到比如20fs,峰值功率可以达到几十太瓦(TW);最先进的大系统可以得到峰值功率大于1PW,也就是皮瓦量级。小一些的系统,可以产生例如10 kHz的能量为1 mJ的脉冲。多通放大器的增益通常在10dB量级。
  3. 正反馈放大器中可以得到几十dB的高增益。例如,采用钛蓝宝石的正反馈放大器,可以将1 nJ的脉冲放大到1 mJ。另外,还需采用啁啾脉冲放大器来抑制非线性效应。
  4. 采用基于掺镱的薄盘激光头的正反馈放大器,可以将长度小于1 ps的脉冲放大到几百微焦耳,而无需采用CPA。
  5. 采用调Q激光器产生的纳秒脉冲泵浦的光纤参量放大器可以将展宽的脉冲能量放大到几个毫焦耳。在单通道工作的情况就可以达到几个分贝的高增益。而对于特殊的相位匹配结构,增益带宽非常大,因此进过色散压缩后可以得到非常短的脉冲。

商用超快放大器系统的性能指标通常远低于科学实验中得到的最好性能。许多情况下,主要原因是实验中采用的装置和技术通常由于缺乏稳定性和坚固性而无法应用于商业装置中。例如,复杂的光纤系统包含光纤和自由空间光学之间的多个跃迁过程。可以构建全光纤放大器系统,但是这些系统很那达到采用了体光学元件的系统性能。还有一些其它的情况,光学器件工作在它们的损伤阈值附近;但是对于商用装置,则需要更高的安全保证。另一个问题是需要采用一些特殊的材料,非常难以获得。


应用

超快放大器具有很多应用:

  1. 许多装置被用于基础研究。它们可以提供强脉冲用于强的非线性过程,例如高次谐波产生,或者将粒子加速到很高的能量。
  2. 大型的超快放大器在研究中被应用于激光诱导核聚变(惯性约束核聚变,快点火)。
  3. 能量在毫焦耳的皮秒或者飞秒脉冲在精密加工领域很有利。例如,很短的脉冲可以实现非常精细准确的切割薄金属板。

超快放大器系统由于其复杂性和价格昂贵很难应用于工业中,有时也因为缺乏坚固性。在这种情况下,需要在技术上更进步的发展来改善这种状况。


参考文献

[1] M. D. Perry et al., “Petawatt laser pulses”, Opt. Lett. 24 (3), 160 (1999)

[2] J. Limpert et al., “High-power ultrafast fiber laser systems”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12 (2), 233 (2006)

[3] F. Salin, “Ultrafast solid-state amplifiers”, in Ultrafast Lasers: Technology and Applications (eds. M. Fermann, A. Galvanauskas, G. Sucha), Marcel Dekker, New York (2002), Chapter 2, p. 61–88

[4] A. Galvanauskas, “Ultrashort-pulse fiber amplifiers”, in Ultrafast Lasers: Technology and Applications (eds. M. Fermann, A. Galvanauskas, G. Sucha), Marcel Dekker, New York (2002), Chapter 4, p. 155–218

[5] G. Cerulla and C. Manzoni, “Solid-state ultrafast optical parametric amplifiers”, in Solid-State Lasers and Applications (ed. A. Sennaroglu), CRC Press, Boca Raton (2007), Chapter 11, pp. 437–472

[6] R. Paschotta, tutorial on "Fiber Amplifiers", part 8 on ultrafast amplifiers



参阅:放大器多通放大器正反馈放大器啁啾放大器分脉冲放大器超快激光器