相干脉冲堆积——超越啁啾脉冲放大的新技术

来源:中国皇冠hg0008|免费注册 ?? 关键词:超快皇冠hg0008|免费注册, CPA, ?? 发布时间:2019-08-23

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??摘要无论是在固体还是在光纤放大器中,飞秒的脉冲能量都受到热效应和非线性效应的制约。即使是啁啾脉冲放大(CPA),也难以超越高峰值功率和平均功率的限制。脉冲空间和时间分割放大-合成,有可能打破僵局,产生高重复频率和高脉冲能量;而将高功率光纤放大器中的脉冲进行相干堆积,有可能超越啁啾脉冲放大,得到高于其若? 干数量级的脉冲能量,同时保持高重复频率。

关键词皇冠hg0008|免费注册光学;相干脉冲堆积;相干光束合并,高功率脉冲


中图分类号:0436

文献标识码??A?3788LOP512000


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(华快首席科学家:张志刚教授)

一:引言

??? ? ?2 0世纪6 0年代中期,调Q和锁模技术的相继发明,使皇冠hg0008|免费注册脉冲的功率有了较快的发展,但很快就到了一个平台期。一直到2 0世纪8 0年代末期,啁啾脉冲放大技术的出现,使皇冠hg0008|免费注册脉冲功率结束了二十余年的平台期,再次经历了飞速发展。在脉宽不能继续缩短的情况下,提供脉冲能量成为了一个关键。但是现在,脉冲能量似乎又停滞在一个平台上,迫切需要新技术,来触发一场新的皇冠hg0008|免费注册革命。

第一代飞秒皇冠hg0008|免费注册器是以染料皇冠hg0008|免费注册器为代表的低脉冲能量、低平均功率飞秒皇冠hg0008|免费注册器;第二代是以钛宝石激 光器为代表的高脉冲能量、低平均功率的时代;第三代则是高重复频率、高脉冲能量阶段。第三代飞秒皇冠hg0008|免费注册器以新一代皇冠hg0008|免费注册粒子加速器、太空碎片清除、高通量阿秒脉冲产生、核聚变皇冠hg0008|免费注册点火等应用为牵引动力,主要特征是:焦耳量级脉冲能量、数十千赫兹重复频率、千瓦以上平均功率。特别是在射频加速器的梯 度已经接近其内禀极限的情况下,高能量脉冲皇冠hg0008|免费注册有望成为新一代小型化 GeV 加速器的驱动源。


二:脉冲相干合成

2.1? 以钛宝石为代表的固体飞秒皇冠hg0008|免费注册器

? ? ??以钛宝石皇冠hg0008|免费注册器为代表的固体皇冠hg0008|免费注册器能产生非常高的峰值功率,例如美国伯克利皇冠hg0008|免费注册加速器 BELLA 系统的钛宝石皇冠hg0008|免费注册器产生40J、30fs脉冲,峰值功率大于1PW(1PW=1015?W)。但重复频率低至1Hz,平均功率只有40W。我国上海光学精密机械研究所研制的大口径皇冠hg0008|免费注册系统产生192J、27fs、大于5PW峰值功率,只是单发脉冲。世界上其他拍瓦皇冠hg0008|免费注册器,例如美国德克萨斯1PW钕玻璃皇冠hg0008|免费注册器(190J,170fs)和日本大阪的2PW?皇冠hg0008|免费注册快点火实验(LFEX)钕玻璃皇冠hg0008|免费注册器(2kJ,1ps),也是单发。

提高重复频率受限于放大介质中的热-光效应,例如热透镜和热致双折射等。改变皇冠hg0008|免费注册介质的形状,例如碟片皇冠hg0008|免费注册放大器,能部分地解决问题,但目前脉冲能量和脉宽还不能与钛宝石皇冠hg0008|免费注册器相比。最近捷克HiLASE宣布建成平均功率1kW?的碟片超级皇冠hg0008|免费注册器,脉冲能量高达100J,但脉宽为1.3ps,重复频率仅为10 Hz。所以这个碟片皇冠hg0008|免费注册器也不能达到以上列举的前沿应用需求指标。提高脉冲能量和重复频率的努力还在持续进行中。


2.2? 光纤皇冠hg0008|免费注册空间合束

? ? ??与固体皇冠hg0008|免费注册器平行发展的是光纤皇冠hg0008|免费注册器。由于散热好、可集成、运用灵活,光纤皇冠hg0008|免费注册器在平均功率、能量 转换效率和光束质量上优于固体皇冠hg0008|免费注册器,单根光纤可以输出成百甚至上千瓦的功率。但在啁啾脉冲光纤激 光放大器中,受光纤芯径的和由此带来的非线性效应限制,即使用最大模场面积的光子晶体光纤,将其用光 栅展宽器展宽到最大脉宽,在单根光纤中获取的脉冲能量还是远远小于光纤中储存的能量,峰值功率也只有吉瓦量级,已经接近极限。其原因是非线性效应限制。从图1看出,要想从光纤皇冠hg0008|免费注册放大器中最大限度地获取能量,除了用大模场面积光纤,脉冲宽度需要展宽到几十上百纳秒。而把一个100fs的脉冲展宽成10ns,脉冲展宽器中需要的光栅尺寸约为0.9m,光栅距离约为2.7m,这基本上是不现实的。


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(图1)

? ? ??135μm和55μm两种大模场面积光纤啁啾脉冲放大(FCPA)中脉冲能量受限。绿色图框表示目FCPA达到的脉冲能量,红色圈表示在 B积分受限下可能从光纤中抽取的脉冲能量。

? ? ? 直观的解决方案,是空间合束,即将脉冲分成若干路光纤分别放大再合成一路。这种技术最早用于连续皇冠hg0008|免费注册,最近几年扩展到飞秒脉冲皇冠hg0008|免费注册。理论证明,可以将上千根光纤皇冠hg0008|免费注册发出的光合束,以获得单根光纤达不到的峰值功率和脉冲能量。受到这种理念的鼓舞,CPA技术的发明者?Mourou教授提出,将一万根1mJ、10kHz的光纤皇冠hg0008|免费注册合束为10J、10kHz的脉冲,作为将来的加速器光源和国际相干放大网络(ICAN)计划的一部分(图2)。

? ? ? 这里的技术问题是如何将上万根光纤进行合束,每个光纤的相位都需要同步。实现起来虽然复杂,也不是不可能。目前实验上刚刚达到8根光纤合束为1kW,1mJ。我国国防科技大学也通过光纤合束得到。313W的平均功率、827fs的脉冲。

? ? ? 其实这个方案不是控制一万根光纤的相位这样的技术问题,而是概念问题。所用的单根光纤放大的脉冲能量已经达到极限,而加速器要求的重复频率又太低,只有10kHz。即使单根光纤能提供1mJ的脉冲能量,单根光纤输出的平均功率也只有10W,其实是浪费了光纤皇冠hg0008|免费注册器高平均功率的能力。仔细想想,靠增加光纤的数目来提高脉冲能量,除了比固体皇冠hg0008|免费注册器散热好一些,与仅靠扩大放大介质的面积来增加功率耐受度 有什么区别?这是不是又回到了 CPA 之前?这个CPA 的开创者,怎么走了回头路


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(图2:光纤相干合束概念图)


2.3? 时域分割放大

? ? ??回头想想,CPA的概念是什么?就是把脉冲在时域展宽,再放大,然后再压缩回去。可传统的展宽器,最多也只能把脉冲展宽到1ns。所以光纤也好固体也好,都承受不了高峰值功率。能不能想个别的办法展宽呢?有人说,把一个脉冲在时域上切成几个脉冲,不就相当于在时域展宽了吗?于是就有了脉冲分割放大。(图3)

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(图3:时间分割—?等效于脉冲展宽)

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? ? ?为解决这个矛盾,有研究者提出先利用多次偏振分光将脉冲在时域分割,经过时间延迟,将重复频率倍 增,耦合入一根光纤放大到高平均功率后,再次将脉冲分光、延时补偿,使之合成为一个脉冲(图4)。

这个技术称为分割脉冲放大(DPA)。这个技术要经过放大前后两次偏振分光(PBS),两套延迟控制和补偿光路,非常复杂。而且,这种利用偏振分割和合成的脉冲的数目非常有限。时间分割和空间合束结合起来也许是解决之道。

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(图4:时间分割-相干合成装置示意图)


2.4? 光谱分割放大

? ? ? 还有一种方法叫光谱放大合成方法,即:将脉冲的光谱分割,分别放大,再合成在一起。(图5)

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(图5:光谱分割-相干合成技术示意图)


? ? ? 光栅将入射脉冲的光谱展开,分成几个光谱分量分别耦合到一种多芯光纤中,放大后再通过光栅合成。在分束光栅的傅里叶平面上,安装变形镜以调谐各波长分量的相对相位。在文献的实验中,将40nm的光谱分成了12个通道,每个接近3~3.8nm;耦合入15芯的光纤中(有光纤芯没用到)。放大到平均功率100mW,否则就会有非线性效应产生。这个实验只证明了光谱合成后可以产生100fs量级的脉冲,而非高脉冲能量。

? ? ? 这里致命的问题是,分割后光谱变窄为3nm,而这样窄的光谱恰恰是啁啾脉冲展宽的大敌!例如原来40nm?的光谱可以展宽至500ps,现在分割到1/12,每段光谱就只能展宽成500ps的1/12了!每根光纤(这里是每个芯)对应的峰值功率还是一样的,仍然受非线性效应的限制。结果,虽然是分割放大,却是个零和游戏—没有一个分量的脉冲能量可以放大到超过合起来放大的脉冲能量的1/12。


2.5??衍射光学合成

? ? ? 这里还穿插着另外一种空间合成方法,叫衍射合成。设想将入射光按不同级次的角度入射到光栅上,使其集中到零级光上。要想得到多级衍射,就得用光栅密度低的;而低密度光栅的衍射效率就会低,因为 不可能只有一级衍射;为提高效率,很容易想到闪耀光栅;可要是对这么多级次都闪耀,还叫闪耀光栅吗?同 时,能合成的光束数目也非常有限。其实这只是空间合束的一个版本而已。


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(图6:利用衍射器件这里是光栅的光束合成装置示意图)

从图6 可以看出,入射4 束,合成出7束光!零级光所占的比例能有多少呢?实验结果是76%。原理上用一个光栅就可以。但是衍射后的光束会有脉冲阵面倾斜为了纠正这个倾斜才用了两个光栅虽然牺牲了一些效率

? ? ? 这4束光是从哪儿来的呢?还是偏振分割而成的,只不过合成不是用偏振而已。图7 是整个系统的构成图。无论如何,用压电陶瓷控制光束的相对相位是不可避免的。


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(图7:时间分割-衍射合成装置示意图)


2.6? 相干脉冲堆积

? ? ? 脉冲分割放大合成是靠偏振分割,毕竟数目有限,而且分合都需要偏振和时间延迟控制。如果把脉冲列看成已经分割好的脉冲,直接把脉冲在时域合成,就像图8那样,可以吗?

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(图8 脉冲时间堆积概念)

? ? ? 人们首先想到的就是腔增强技术。腔增强时域脉冲合束不需要脉冲分割,不需要偏振控制,直接将脉冲列中大量脉冲在腔内叠加在一起,因此也称相干脉冲堆积放大(CPSA)技术。相干脉冲堆积腔的腔型可分为两种:高Q值腔(高精细度腔)和低Q值腔(低精细度腔),区别是输入耦合镜的反射率和堆积后的脉冲从腔内的导出方式。


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(图9高Q值腔相干脉冲SnD技术示意图)


高Q值腔的脉冲腔内增强堆积放大技术见:图9

? ? ? 图中frep是入射脉冲的重复频率,fswitch是腔内开关的重复频率,HR表示高反射镜。图9中入射耦合镜的反射率R在99%以上。将脉冲序列连续注入与脉冲时间间隔相等的谐振腔,脉冲被局限在腔内相干堆积,达到饱和后,通过高速光开关将腔内脉冲倒空(注意不是从入射端镜输出)。此技术称为堆积和腔倒空(SnD)技术。模拟表明在高Q值腔可堆积600多个脉冲。如果导出效率能达到80%,相当于500倍的增强。

? ? ? 耶拿大学的研究者最近实验证实了腔增强SnD概念。增强腔由一个输入耦合镜和15个腔镜构成,输入耦合镜的反射率是99%。腔倒空光开关选用了声光调制器(AOM)。输入脉冲能量3μJ,腔倒空出的脉冲能量为160μJ,能量倍增效率是65倍(远低于理想的600倍,受限于腔内?AOM的非线性效应),脉宽为800fs。SnD有两点限制:一是为了适应腔内光开关AOM几十纳秒的上升沿和下降沿时间,这个实验中,谐振腔相当长(30m),与之匹配的入射脉冲列的重复频率为10MHz;二是为了减少?AOM的上升沿时间,在AOM上的光斑也相当小(0.4mm),这对进一步提高脉冲能量不利。为了提高功率耐受性,他们又提出了高速机械开关。对于高Q值腔增强,Mourou教授认为腔倒空开关并不存在。的确,面对如此高的脉冲能量,无论是电光调制器(EOM),还是?AOM,都无法承受得住。Mourou教授进一步指出,高速机械开关本质上还是机械开关,机械不可能有那么高的速度。

??? ?密歇根大学的?Galvanauskas教授提出了用低Q值腔将脉冲叠加在一起的概念。在低Q值腔内堆积放大技术中,入射耦合镜的反射率很低,在40%左右。脉冲的耦合入腔和导出都利用干涉效应,所以又称Gires-Tournois干涉仪(GTI)。以4个脉冲的脉冲列为例,如图10所示,编号3、2、1、0的脉冲相继入射到输入耦合界面,为了显示清楚,图中用斜入射两镜腔表示。3号脉冲的60%入射到腔内,经底层反射镜和顶层反射镜反射,与2号脉冲的入射部分在腔内相干叠加堆积;而2号脉冲在界面的反射光与3号脉冲的透射光相干相消。同理,1号脉冲与腔内3号和2号脉冲相干堆积,而最后入射的0号脉冲,其能量与腔内堆积的脉冲能量相等、相位相同,形成相干反射增强,相当于一个开关,将腔内脉冲全部导出。这种技术称为 GT 相干堆积(GTI-CPS)。美中不足的是,最初的3号脉冲的反射光没有与之干涉相消的腔内脉冲,因此就留在了反射光脉冲列内。但因时间与输出脉冲相隔很远,与最终输出的脉冲相比,3号脉冲的反射光能量占比非常小,可以忽略,也可以通过选单技术将其消除。

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(图:10:低Q值?GT腔相干脉冲堆积器工作原理图)

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? ? ? 实际应用的?GTI堆积器是图11(根据参考文献改画)所示的四镜或三镜腔。需要指出的是,这种GT腔型看起来和萨尼亚克干涉仪相似,实际上是不同的:入射耦合镜的方向相差90°,结果是,GTI腔内只有一个方向的光循环,而萨尼亚克干涉仪腔内有两个相对方向的光循环。

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(图:11:实际使用的(a)四镜腔和(b)三镜腔?GTI堆积器;(c)萨尼亚克干涉仪)


? ? ? 实际上皇冠hg0008|免费注册器输出的是等幅度脉冲列,幅度调制意味着能量损失。好在理论和实验证明,对于等幅入射的脉冲列,只要满足以上相位条件,用m 个腔相联,能将2m+1等幅脉冲合成为一个脉冲。如m=4,即4个腔,就可以把9个等振幅的入射脉冲合成为一个主脉冲;m=8,就可以把17个等振幅的入射脉冲合成为一个主脉冲。更进一步,如果想加速这个过程,可用级联堆积,即下一级堆积器的腔长是前一级的m+1 倍。

? ? ? N级级联就可以将(2m+1)N个相干脉冲堆积为一个。如图12(图中堆积器未按比例画)所示,两级4+4个腔,就可以堆积81个脉冲。脉冲列被切割为81个脉冲一组,脉冲组的重复频率可根据应用需求设置,例如10kHz。一级堆积器将81个相干脉冲堆积为9个脉冲;二级堆积器将9个相干脉冲堆积为1个脉冲。vanausk研究小组用本研究小组提供的1GH光纤皇冠hg0008|免费注册器通过一级?GTI堆积器间隔的0.1的脉冲合成为接近能量的脉冲31他们又通过一级堆积器27个相干脉冲堆积为一个脉冲。


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(图12:二级相干脉冲堆积示意图)


? ? ? 图13是实验得到的脉冲堆积结果,图中红色是入射的27个脉冲,蓝色是经过4+1个腔将27个脉冲堆积为一个脉冲。可以看到,入射脉冲基本上被压了下去,堆积到第27个脉冲上。

对于这个进步,Mourou教授同样有疑问:Galvanauskas研究小组得到的脉冲的对比度(20dB)与Mourou所得脉冲的对比度(120dB)差距较大。从图13可见,第9个脉冲因为无脉冲与之相干相消,只好以大约2倍于入射脉冲的功率,孤零零地留在脉冲列中;主脉冲附近也有脉冲残留。如同任何一个新技术,总 会有缺点。


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(图13??4+1个腔的腔内脉冲堆积后的脉冲列)

2.7? 只有多种技术合起来才能达到最高脉冲能量,目前从0.1mJ堆积出的脉冲能量是毫焦量级。?? ? ? ?

? ? ? 对于很多应用,例如飞秒加工,已经够用了。要达到焦耳量级,则需要用更多级堆积。而多级腔,每一级腔长都是前一级腔长的数倍。例如1 GHz皇冠hg0008|免费注册器作为种子脉冲,一级堆积腔长是30cm,二级堆积腔长是2.7m,三级堆积腔长是24.3m,四级腔的腔长就是218.7m!之后级次的腔长更会大得惊人!多通长腔的方案因反射损耗巨大也变得不可行。

怎么办?图14给出焦耳量级脉冲的装置构想。高重复频率光纤皇冠hg0008|免费注册器输出的脉冲,经过展宽和振幅相位调制,在空间分成若干路放大,然后空间合束。最后是脉冲的时域堆积和脉冲压缩。注意这里不同于Mourou教授的空间分割放大合束概念的是,放大器中的光脉冲的重复频率很高,而不是几十千赫兹。也不同于耶拿大学的SnD技术,其方案是在倒空后空间合束。说到这才明白,原来相干堆积是放大的最后一级!别误会,如果不需要焦耳量级的脉冲,不分束直接放 大、堆积也是可以的。

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(图14焦耳量级飞秒脉冲皇冠hg0008|免费注册产生设想装置)


3 结 论

? ? ? 为了飞秒脉冲能量和平均功率的进一步提高,人们不断地推出新的技术。在众多的新技术中,也许相干脉冲堆积技术与其他分束合成技术的结合,有希望将脉冲能量和平均功率提高几个数量级。

相干脉冲堆积技术刚刚推出,还有很多技术问题没解决,例如:

? ? ? 1)信噪比。如图13所示,目前实验中的信噪比不到20dB。计算至少可达40dB。提高信噪比,需要对脉冲的重复频率、相位和堆积腔长进行严格的控制和同步。这么多腔的同时控制和同步,是一个艰巨的 任务。

? ? ? 2)脉冲宽度。上述讨论一直没提脉冲宽度,目前堆积出来的脉冲还是在几百飞秒量级。脉冲宽度小于100fs,甚至是单周期脉冲也可以做到,这就需要提高脉冲在更宽谱内的相干性,即脉冲光谱的频率间隔和载波包络相位的精确控制。

? ? ? 皇冠hg0008|免费注册光场的精确控制。因为是相干堆积,需要提高飞秒皇冠hg0008|免费注册脉冲的相干性,这就需要皇冠hg0008|免费注册器本身更加稳 定,包括载波包络相位控制、所有(上百个)脉冲堆积腔的腔长,也需要更加精确的控制。这是新的光场调控 的要求。这么多参数,这么多自由度,无法通过人为控制。于是就催生了一门新的学科:智能光子学。