1、馬丁內(nèi)茲型啁啾脈沖放大系統(tǒng)高階色散的混合補償    馬丁內(nèi)茲型啁啾脈沖放大系統(tǒng)高階色散的混合補償3孫振紅1) 柴 路1) 張志剛1) 王清月1) 張偉力1)2) 袁曉東3) 黃小軍1)3)1)(天津大學精密儀器與光 采用光線追跡法對含有馬丁內(nèi)茲型展寬器的CPA系統(tǒng)的各階色散進行了系統(tǒng)的理論研究,提出了引入適當負三階色散量以補償五階色散的總體色散的混合補償方法.該方法能夠獲得比采用僅補償二,三階色散的逐階色散補償法更接近傅里葉變換極限的超短脈沖.關(guān)鍵詞:啁啾脈沖放大,馬丁內(nèi)茲型展寬器,色散補償PACC:4280W , 4260B3等離子體物理國家級重點實驗

2、室基金(批準號:51480040 ,03J W1401),國家自然科學基金(批準號:60178007),國家重點基礎研究專項經(jīng)費(批準號: G199907520122 ,2003CB314904),高等學校優(yōu)秀教師獎勵計劃資助的課題.E2mail : ull tju. edu. cn11引言啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)是飛秒激光發(fā)展過程中的一個里程碑,是目前在實驗室條件下獲得高峰值功率飛秒激光脈沖的標準方法 1 ,2 . CPA系統(tǒng)一般由振蕩級,展寬器,放大級和壓縮器四部分構(gòu)成.首先,由振蕩級產(chǎn)生的飛秒脈沖輸入到展寬器被展寬到ps乃至ns量級,然后再經(jīng)過放大級提取足夠能量,最后經(jīng)過壓縮器把脈寬壓

3、縮回至fs量級,這就是CPA的基本工作原理.然而,飛秒脈沖經(jīng)過CPA系統(tǒng)是一個復雜的過程,包括增益窄化效應,自相位調(diào)制效應,各級材料色散以及光學裝置引入的像散等 35 ,使脈沖在時間和空間上必然產(chǎn)生畸變,因此通過CPA系統(tǒng)本身要獲得完全還原的脈沖幾乎是不可能的.但是最近,采用對放大脈沖的再展寬和精確色散補償(啁啾鏡+空間光調(diào)制器)已經(jīng)獲得了亞314fs的光脈沖 6 .這充分說明要獲得盡可能短的高功率脈沖輸出,精確的色散補償仍然是關(guān)鍵因素.要進行精確的色散補償就必須對CPA系統(tǒng)中的各階色散進行精確計算,并對各種可能的影響因素和調(diào)節(jié)參數(shù)進行數(shù)值的簡單疊加.我們的解釋如下:由(1)式兩邊分別對圓頻率

4、求導,得到GD的泰勒級數(shù)展開式< ()=< (0)+<¨()|0(-0)+12!<()|0,(-0)2877物 理 學 報54卷+13!0),各階色散產(chǎn)生的GD值有正有負;在脈沖的低頻部分(<0),各階色散產(chǎn)生的GD值均為正值.因此,圖2中雖然在短波長部分單獨各階色散產(chǎn)生的GD值都比長波長部分大,但是由于正負抵消反而使系統(tǒng)總GD值在短波長部分小很多,即綜合結(jié)果使有效帶寬增加.而分別考慮各階色散的作用時其有效帶寬是由最窄帶寬決定的,所以綜合考慮各階色散的系統(tǒng)脈沖展寬量要小于分別單獨考慮各階色散導致脈沖展寬量的累加.表1 各階色散值及其作用后的脈沖寬度值階數(shù)

5、二階色散三階色散四階色散五階色散六階色散七階色散色散值- 118×10- 9(fs2)67(fs3)- 6639(fs4)979257(fs5)- 8190886×106(fs6)7132627×107(fs7)脈寬Pfs111011101413171916101313圖2 三至七階色散產(chǎn)生的GD值和系統(tǒng)總GD值基于以上的討論,我們設想如果在系統(tǒng)中保留適當?shù)亩?三階色散量而不是使其為零,以便進一步抵消部分較高階色散,使GD曲線平坦范圍更寬,則應該可以得到更短的脈沖.這不同于以前采用的逐階補償二,三階色散的方法,我們將其稱之為"總體色散的混合補償法&quo

6、t;.3121采用總體色散混合補償法的結(jié)果從(2)式可知,三階色散項對GD曲線的影響是對稱的,可使圖1中U形GD曲線中心頻率兩側(cè)的值同時增加或減小,選擇適當?shù)闹悼墒蛊淦教共糠指鼘?而二階色散項對GD曲線的影響是線性和不對稱的,它使圖1中U形GD曲線一端減小的同時必然使另一端增大,從而使GD曲線傾斜.圖3是在圖1基礎上分別引入不同數(shù)值的二,三階色散后得到的GD曲線.從圖3可見,在偏離0延遲的5fs范圍內(nèi),只有引入- 1500fs3的三階色散時, GD曲線較平坦部分的寬度才明顯增大(雙底結(jié)構(gòu)).我們采用總體色散的混合補償法,分別針對圖3的四種情況計算了10fs傅里葉變換極限高斯脈沖經(jīng)該CPA系統(tǒng)后

7、的展寬程度,見表21表2第一列為采用傳統(tǒng)逐階色散補償法的理論結(jié)果,第二,三列為在此基礎上加入少量正負二階色散后的計算結(jié)果,第三,四列為加入正負1500fs3三階色散的計算結(jié)果.由表2可知,引入少量的二階色散對脈沖寬度影響不大,但負的三階色散的確使輸出脈沖變得更窄,這就證實了上面的分析.其實,從另一個角度看,正是引入的負三階色散部分抵消了五階色散(見表1),從而減小了五階色散對脈沖的影響程度.但是引入負三階色散量必須合適,否則將導致脈沖的質(zhì)量下降.這是因為系統(tǒng)中的奇數(shù)階色散能夠?qū)е旅}沖的前沿或后沿產(chǎn)生振蕩.圖4是引入不同大小負三階色散值的GD圖和脈沖形狀對比圖.從圖4可見,當引入的負三階色散值超過3000fs3,則GD曲線中間起伏加劇,這時雖然輸出脈沖寬度還在變窄,但是脈沖前沿的旁瓣已經(jīng)明顯增大.當負三階色散值取到5000fs3時,在脈沖前后沿形成子脈沖,脈沖質(zhì)量嚴重變壞.因此,引入負三階色散量也存在著最佳值的選擇問題.只有將GD