CPA及其在激光器中的應用

劉樂

摘 ? 要：文章簡要闡述了CPA的研究進展，介紹了其調Q、鎖模、克爾透鏡鎖模等相關關鍵技術的原理，并闡述了待解決的關鍵科學問題和在激光器中重要應用價值。

關鍵詞：CPA;飛秒脈沖;鎖模

1 ? ?脈沖寬度發展概述

隨著人們工業需求的不斷提高，人們將工作的重點轉移到提高激光的峰值功率工作中來。對激光器的研究歷史較為久遠，1963年就已經發明了納秒脈沖激光光源。隨著科學信息技術的不斷發展，1964年逐步完善納秒脈沖激光光源，從而提升了激光脈沖寬度量級。為了進一步提升激光脈沖輸出記錄，科研人員不斷努力，在1981年，研制出新型碰撞鎖模燃料激光器，這種激光器將脈沖寬度提升至飛秒級，并且在今后工作運行的環節中，光強的非線性效應仍使激光光強一直停留在109 W/cm2的水平上—激光脈沖的能量越大，激光脈沖的時間尺度越短，對應的峰值功率就越大。

飛秒脈沖激光的脈沖寬度太短，在實際的運行環節中，由于脈沖寬度較短，進行放大處理將會使峰值的功率快速上升，如果操作不當會產生非線性效應，不利于飛秒脈沖激光發揮作用。當峰值的功率持續上升時，會對光學器件、增益介質等產生影響，增益介質中的能量將會減少，從而降低了脈沖光束的質量。因此，在處理這一問題時，相關的技術人員應該適當地調整飛秒脈沖激光的寬度，并根據飛秒脈沖激光寬度的變化對脈沖進行放大處理，放大到一定程度時及時將脈沖降到原始的量級，也即啁啾脈沖放大技術（Chirped Pulse Amplification，CPA）。

2 ? ?CPA技術的原理及相關關鍵技術

CPA技術在窄脈沖放大中的作用較明顯，CPA技術適用的范圍較廣，經常出現在大型的核聚變激光器中。當產生窄脈沖時，展寬較寬，隨著振蕩器的不斷變化，脈沖的光強度較低，導致脈沖的能量降低，當脈沖呈現放大的情況時，脈沖中儲存的能量則被慢慢發出，為了將脈沖寬度保持在最佳水平，此時應該充分發揮壓縮器的作用，將脈沖進行壓縮處理，使之與原來的寬度相一致。在實際的操作環節中，為了保證脈沖寬度的真實性，相關的技術人員應該及時優化窄脈沖的來源，并且根據脈沖寬度的實際情況逐步調整脈沖的展寬，并將脈沖光譜進行放大處理。

在過去10年人們已經可以獲得幾個光學周期的超窄脈沖。但直到1991年，Sibbett等利用克爾透鏡鎖模獲得了10～14 s的脈沖，此后，隨著現代化科學信息技術的不斷完善，逐步完善CPA系統，有效地保證了窄脈沖源的穩定性，隨之產生超窄脈沖，超窄脈沖激光器組成方式較為簡單，主要包括寬帶鏡與鈦，在實際的工作環節中，充分發揮藍寶石放大介質的優勢，藍寶石放大介質的工作理念來源于藍寶石放大介質的折射率及光強，為了保證超窄脈沖源的穩定性，充分發揮局域長度的透鏡的優勢。最窄脈沖寬度與棱鏡彌補晶體中脈沖的色散有關，在實際的運行環節中，應該保證光強的輸出耦合器的形狀，防止出現不必要的反應。同時，將發揮倍頻晶體中信號的優勢對輸出的脈沖進行測量。在實際的研究環節中，要將脈沖寬度調整在最大范圍，并根據脈沖運行的實際情況調整好藍寶石放大介質的峰值功率，使之產生更好的效應。當從藍寶石放大介質中輸出能量時，飽和通量為s=hν/σ，其中基本的組成要素為躍遷截面、普朗克常數、激光頻率。此時最窄脈沖的寬度主要包含增益寬度，隨著光束每平方厘米面積峰值功率的不斷上升，應該逐步增加聚焦強度，以保證躍遷截面在藍寶石放大介質中的光強最大。

最早的CPA系統利用單模光纖的正群速色散來展寬超窄脈沖的頻率組分。經過光纖之后，相關的技術人員應該及時優化展寬的脈沖紅色波長與藍色波長之間的前后順序，并根據展寬超窄脈沖的實際情況對其進行放大處理，并充分發揮平行衍射光柵的優勢，將其進行壓縮。為了提升光纖展寬器的色散性能，加工脈沖的時間調整為最佳區間，并合理控制好展寬的比例。

1987年，Martinez設計了1 500 nm波長壓縮脈沖的壓縮器。波長壓縮脈沖壓縮器光譜領域光纖的色散形式較為特殊，主要是負群色散，為了展示波長壓縮脈沖壓縮器的效果，在實際的操作環節，將發揮望遠鏡的優勢，將其放置在光柵中的最佳位置，并且保證壓縮器的正常運行。在運行過程中，將脈沖的展寬調整在適宜的區間，并利用壓縮器將其壓縮，根據脈沖展寬的實際情況將放大器、壓縮器、增益介質進行優化，保證光學元件的匹配度。同時，在壓縮的環節中，由于對脈沖壓縮環境的要求較高，所以技術人員應該在真空的環境下進行壓縮，有效避免外界因素的影響。

同時，超窄脈沖的光譜形式具有多樣性，例如：高斯包絡脈沖主要包含的要素有脈沖帶寬、脈沖寬度。在實際的放大環節中，技術人員應該掌握好光譜的組分，并且進行平均分布，直到放大的等級與實際的情況相符合。在實際的脈沖壓縮環節中，脈沖的帶寬會出現減少的情況，而脈沖的寬度將會隨著帶寬的減少而增加。在面對超窄脈沖時，要充分發揮藍寶石放大介質的優勢，對其問題進行有效的解決。同時，藍寶石中的增益寬度一定程度上比脈沖的放大要小，藍寶石的增益寬度具有熱性質較好的優勢，可以在高重復率中進行有效的放大。為了有效體現CPA系統的實用價值，逐步實現穩定的峰值功率，有利于提升超高光強窄脈沖的真實性。

3 ? ?國內外研究現狀及發展動態分析

CPA技術的雛形在1992年被首次提出，并逐步完善了參光量啁啾脈沖放大技術，保證了高功率超短強脈沖的正常輸出，隨著現代化科學信息技術的不斷發展，逐步對啁啾脈沖放大中脈寬窄化進行優化，光纖量放大是充分發揮四波混頻效應放大信號光的優勢，其中的高增益、寬帶寬、好的增益平坦性及低噪聲為后續研究工作奠定了基礎。

由于CPA技術在激光強度發展的歷史中所起的作用，美國將基于CPA技術搭建的激光系統用于快點火激光聚變工程，以期徹底解決能源問題。2013年，Mourou等基于現有的光纖放大技術及相kHz、單脈沖能量10 J干合成技術，針對下一代粒子加速器的應用發展需求提出了一套重復頻率為10的設計方案。國際上許多頂級實驗室也相繼在實際應用中利用該技術，國內中國科學院物理研究所、天津大學、北京大學、清華大學、西安光機所、華東師范大學等科研單位也在該領域展開了大量工作，爭取早日拉近與國外同行的差距。Hu等數值模擬研究摻鐿光纖放大器中啁啾脈沖放大后光暗化（Photo Darkening，PD）對脈沖壓縮和相干合成的影響。研究發現即使增加泵浦功率以保持脈沖能量恒定，PD也會降低脈沖，這是因為加熱會在脈沖內產生相位失真，而如果光纖長度在生命開始時針對無PD光纖進行了優化，PD也會增加自相位調制。相比之下，在比這更短的光纖中，即使在高達5 dB的PD傳播損耗下，峰值功率的下降也是相對適度的35%，因此對PD引起的相位失真提供了有效緩解。這些改進提高了波束組合系統的組合效率[3]。準參數啁啾脈沖放大可以通過抑制反向轉換來提高信號放大效率和穩定性，其中惰輪吸收起著關鍵作用。蔡麗君等從理論上研究了在小信號和飽和狀態下惰輪吸收對QPCPA性能的影響。作者證明存在一種最佳的惰性吸收狀態，即能夠在最小晶體長度內實現最大泵耗。

4 ? ?關鍵問題和應用展望

關于縮短脈沖時間，當前的最新進展是使用非共線光學參數放大的方法提高種子激光器和壓縮器的性能。但壓縮系統的性能決定了出射光的脈沖時間可以被壓縮到多短和它能承受的光強。在提高峰值功率方面，主要還是受限于目前材料的性能。

激光放大器通過鈦藍寶石和CPA混合技術，可以獲得短種子脈沖和寬增益脈寬。這項技術的主要問題仍然是CPA中的寄生激光難以避免。另外，共振受激拉曼背向散射和受激布里淵散射是最有可能替代昂貴的CPA技術的兩種新興的放大機制。

機房脈沖能量一定程度上與CPA系統中的壓縮器與展寬器有關。同時，為了有效地提高聚焦功率，在高功率激光驅動器運行的環節中，要保證脈沖的品質，在實際運行環節中，要及時調整衍射光柵的表面平整度，減少條紋曲率，采用衍射光柵壓縮納秒量級脈沖的另一個缺點是裝置體積龐大。

同時，激光模式不穩定的情況時有發生，在實際的工作環節中，隨著功率的升高，光纖容易被破壞。超短脈沖激光平均功率與相位調制、受激拉曼散射、四波混頻等多種要素有關，一定程度上不利于后續研究的順利進行，并對飛秒光纖激光系統的平均輸出功率造成一定的影響。

國際上許多頂級實驗室也相繼建成了多臺峰值功率超過拍瓦級別的CPA裝置。如勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的1.5 PW、450 fs釹玻璃激光系統，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光裝置，韓國先進光子學研究所的1.5 PW鈦寶石CPA激光系統，中物院激光聚變中心的5 PW級激光裝置和中科院上海光機所最新獲得的10 PW裝置等。超強激光基礎設施ELI，其設計峰值功率將達到拍瓦級，而承接該裝置研制和開發的是全球第一家商用級拍瓦激光系統的制造商Thales公司，該公司的產品廣泛用于基礎研究、工業加工和國防中[4]。

5 ? ?結語

本文詳細介紹了調Q、鎖模、克爾透鏡鎖模等CPA關鍵技術的原理，并闡述了CPA技術的重要應用價值及在激光器中的應用。

[參考文獻]

[1]DUBIETIS A，JONU SAUSKAS G，PISKARSKAS A. “Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crysta L”[J].Optional Communications，1992（4-6）：437-440.

[2]HANNA M，DRUON F，GEORGES P. Fiber optical parametric chirped pulse amplification in the femtosecond regime[J].Optional Expression，2006（14）：2783-2790.

[3]CAUCHETEUR C，BIGOURD D，HUGONNOT E，et al. Experimental demonstration of optical parametric chirped pulse amplification in optical fiber[J].Options Letters，2010（35）：1786-1788.

[4]ZHOU Y，LI Q，CHEUNG Y，et al. All-fiber based ultrashort pulse generation and chirped pulse amplification through parametric processes[J].IEEE Photonics Technology Letters，2010（22）：1330-1332.