啁啾脉冲激光放大系统中的色散研究

谈2018年诺奖中的啁啾脉冲放大技术2018年诺贝尔物理学奖除给了光镊发明者Arthur Ashkin，另一部分给了啁啾脉冲放大技术（CPA）的发明者Mourou先生和他的学生Strickland教授。

既出人意料，也在意料之中。

飞秒激光脉冲的放大，在很长时间内是令人头痛的问题。

主要问题是，极短的脉冲不利于吸收放大介质中的能量，和高峰值功率极易破坏放大器中的光学元器件。

对后者，简单的解决方法是，将脉冲的光束截面扩大，以减少单位面积内的脉冲能量和功率。

可是，面积的扩大可能会带来泵浦能量密度的减少，更不利于吸收增益介质储存的能量。

而且，光束面积的扩大是有限的。

Mourou先生及其学生Strickland，联想到雷达放大技术。

雷达脉冲放大，就是利用雷达脉冲的宽带频谱，把雷达脉冲调制为频域的啁啾（类似鸟的叫声），在时域就是脉冲的展宽，再放大，以避免高峰值功率破坏的。

能不能把这个技术移植到激光脉冲放大呢？因为飞秒激光脉冲本身也对应着非常宽的光谱。

利用色散技术（不同的波长速度不同），将脉冲在时域展宽，然后再放大，不就既能避免放大中的光学损伤，又能更有效地获取增益了吗？接下来的问题是，介质材料的色散实在太小，有限长度内展宽不了多少。

所幸的是，时间已至1980年代中期，光纤技术已经成熟。

用光纤啊！于是，他们就用几公里的光纤，把脉冲展宽到了几百皮秒。

后面的放大就顺理成章了。

因为是利用频率的啁啾将脉冲展宽再放大的，这种技术就被命名为啁啾脉冲放大技术（chirped pulse amplification，CPA）。

放大后，脉冲再压缩原来的宽度。

但是发现，因为高阶色散的失配，光纤展宽后的脉冲再压缩并非完美。

直到光栅脉冲展宽器发明，光纤脉冲展宽器才被淘汰（当然有的场合还在用），脉冲压缩才逐渐完美。

这是后话了。

这个发明可不得了。

飞秒脉冲的峰值功率从原来的千瓦级，一下子就蹿升到了兆瓦（106W），到太瓦（10^12W），直到现在的拍瓦（1015W）【见下图】。

初始啁啾对光脉冲放大影响的数值研究熊英;曹文华【摘要】The amplification of ultrashort optical pulses in EDFA is numerically studied. The results show that when the initial gap between two adjacent optical pulses is small, they will attract each other and produce new subpulses in the course of amplification, resulting in the worsening of the amplification effects. As the enlargement of the initial gap cannot effectively improve the amplification effect, a new method is proposed to introduce appropriate initial chirps into the input pulses, by which the negative effects brought about by the interactions between the optical pulses are reduced and the pulse amplification quality improved.%文章通过数值计算研究了掺铒光纤放大器(EDFA)中超短光脉冲放大的情况.结果表明,当相邻两超短脉冲的初始间距较小时,两脉冲在放大过程中会相互吸引,并产生新的子脉冲,从而导致放大效果变差.增大初始间距并不能有效地改善放大效果.为此,提出对输入光脉冲对引入合适的初始啁啾的方法,该方法可以减小因光脉冲互作用带来的负面影响,提高脉冲放大质量.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2009(000)004【总页数】4页(P53-56)【关键词】光纤通信技术;掺铒光纤放大器;初始啁啾;超短光脉冲【作者】熊英;曹文华【作者单位】五邑大学,信息科学研究所,广东,江门,529020;深圳大学,电子科学与技术学院,广东,深圳,518060【正文语种】中文【中图分类】TN72掺铒光纤放大器(EDFA)的出现，使得在光纤通信系统中实现超高速、超大容量、超长距离的传输成为可能。

Matlab 用于超短脉冲中啁啾与色散的理解超短脉冲是谐振腔中增益与损耗达到平衡、色散与非线性达到平衡时所产生的。

超快光学中两个重要的概念就是啁啾与色散，而利用matlab 的绘图功能可以更加形象的理解这两个概念的物理意义。

一、 啁啾的概念1、 超短脉冲的光场在时域可以表示为：0(,)(,)exp{[()]}E r t A r t i t t kr ωφ=⋅++ (1)其中(,)A r t 为光场振幅，0ω为中心频率，()t φ为时域相位与啁啾相关，kr 为空间位置带来的相位变化. 由此光场的瞬时频率可表示为:0()d t dtφωω=+(2) 若为常数，则不随时间而变化,这种脉冲称为傅里叶变换极限脉冲(transform limited pulse ）,又称为无啁啾脉冲。

若与时间有关，则随时间而变化，称为啁啾脉冲(chirp pulse ）。

当按时间的一次函数增加,则称为线性上啁啾（linear up-chirp ）。

当按时间的一次函数减小,则称为线性下啁啾(linear down —chirp ）。

啁啾只影响光场的相位,表现为光场振荡频率的变化，而不影响光场的强度分布。

2、 以高斯脉冲为例，用matlab 程序验证以上说明的正确性。

2。

1 Z=0位置处无啁啾高斯脉冲可以表示为：2002()exp()exp()pt E t A i t ωτ=⋅-⋅ (3）其中p τ是与脉宽有关的量。

其光场实部、强度及频率随时间变化图如下：（程序见附录）图1。

1 无啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化 2。

2 Z=0位置处线性上啁啾高斯脉冲可以表示为：220022()exp()exp[()]pt E t A i t t ωφτ=⋅-⋅+ （4）2φ为正的二阶相位量，其光场实部、强度及频率随时间变化图如下：图1。

2 线性上啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化2。

3 Z=0位置处线性上啁啾高斯脉冲可以表示为:220022()exp()exp[()]pt E t A i t t ωφτ=⋅-⋅+ (5）2φ为负的二阶相位量，其光场实部、强度及频率随时间变化图如下：图1。

啁啾光脉冲在正色散介质中的量子传输
李建庆;杨伯君;徐大雄
【期刊名称】《量子光学学报》
【年(卷),期】1997(3)3
【摘要】用一种新提出的通用的非线性光脉冲传输的量子理论，我们研究了具有啁啾的光脉冲在正色散克尔介质中传输时的压缩比变化情况。

数值结果表明，正色散克尔介质中，光脉冲还是压缩态，但压缩和负色散克尔介质比起来弱一点，初始的负啁啾有利于压缩。

【总页数】7页(P163-169)
【关键词】压缩比;啁啾;光脉冲;克尔介质;光量子
【作者】李建庆;杨伯君;徐大雄
【作者单位】北京邮电大学;山西大学电子信息技术系
【正文语种】中文
【中图分类】O431
【相关文献】
1.高阶色散对高斯脉冲在超常介质中传输的影响及色散的补偿 [J], 徐正国;薛燕陵
2.啁啾光脉冲在色散光纤中的传输 [J], 邹传云
3.硅基光波导中啁啾高斯脉冲在反常色散区的传输特性 [J], 王红玉;贾维国;刘振;门克内木乐
4.光脉冲在负色散克尔介质中传输的时空耦合特性 [J], 王海斌;李仲豪;宋晏蓉;贾
锁堂;周国生
5.采用啁啾光纤光栅补偿带啁啾的超高斯脉冲在光纤中传输的色散 [J], 高耀辉;冯国英;李小东;陈建国
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啁啾高斯脉冲光束在正色散介质中的自聚焦特性楚晓亮;刘兰琴;周凯南;郭仪;张彬;蔡邦维;魏晓峰;朱启华;黄小军;曾小明;王晓东;王逍【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2005(17)12【摘要】采用分步法结合Hankel变换对修正薛定谔方程进行数值求解,通过数值计算对飞秒脉冲在非线性正色散介质中的自聚焦特性进行了简要分析.在此基础上,针对啁啾脉冲放大系统(CPA)中的啁啾高斯脉冲,对其全光束自聚焦特性进行了计算模拟和分析讨论.研究结果表明,群速度色散(GVD)对大啁啾脉冲的影响很小,谱宽对自聚集的影响可以忽略.因此,具有大啁啾的脉冲在非线性正色散介质中的自聚焦特性不同于飞秒脉冲,而与纳秒脉冲相似.【总页数】5页(P1794-1798)【作者】楚晓亮;刘兰琴;周凯南;郭仪;张彬;蔡邦维;魏晓峰;朱启华;黄小军;曾小明;王晓东;王逍【作者单位】四川大学,电子信息学院,四川,成都,610064;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;四川大学,电子信息学院,四川,成都,610064;四川大学,电子信息学院,四川,成都,610064;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】TN241;O437.5【相关文献】1.单模光纤中无初始啁啾超高斯脉冲特性的研究 [J], 王跃;李永倩;李晓娟;孟祥腾;王宇2.贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性 [J], 邹其徽;吕百达3.部分相干高斯—谢尔模光束在负色散介质中的光谱特性 [J], 戈迪4.啁啾高斯脉冲通过增益色散介质的传输特性 [J], 冯婷;曾曙光;张彬5.色散介质中啁啾高斯脉冲的时间和光谱特性 [J], 邹其徽;吕百达因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

啁啾光纤光栅色散的几种测量方法
程本俊;陈青山
【期刊名称】《测试技术学报》
【年(卷),期】2004(018)0z6
【摘要】简要分析啁啾光纤光栅的原理和色散特性,着重介绍了啁啾光纤光栅色散的几种测量方法,对它们采用的光源等设备、测量速度和精度方面作了比较.
【总页数】4页(P187-190)
【作者】程本俊;陈青山
【作者单位】北京机械工业学院电子信息工程系,北京,100085;北京邮电大学电子工程学院,北京,100876
【正文语种】中文
【中图分类】TJ0
【相关文献】
1.基于啁啾光纤光栅的色散均衡技术的研究 [J], 杨康;李国玉;刘剑飞;李燕
2.基于啁啾光纤光栅的色散补偿技术研究 [J], 黄艳华
3.采用啁啾光纤光栅色散补偿的长距离副载波复用光纤有线电视系统实验 [J], 宋英雄;宋建港;林如俭;范春华
4.基于激光拍频实现啁啾光纤光栅色散的测量 [J], 王旭;李小康;张豪杰;温泉;陈龙飞;王芳;刘玉芳
5.连续线性温度梯度场对啁啾脉冲放大系统中啁啾光纤光栅的色散调节效应 [J], 唐书奎;杨直;李峰;李强龙;魏玉凤;杨小君;王屹山
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Matlab 用于超短脉冲中啁啾与色散的理解超短脉冲是谐振腔中增益与损耗达到平衡、色散与非线性达到平衡时所产生的。

超快光学中两个重要的概念就是啁啾与色散，而利用matlab 的绘图功能可以更加形象的理解这两个概念的物理意义。

一、 啁啾的概念1、 超短脉冲的光场在时域可以表示为：0(,)(,)exp{[()]}E r t A r t i t t kr(1)其中(,)A r t 为光场振幅，0 为中心频率，()t 为时域相位与啁啾相关，kr 为空间位置带来的相位变化。

由此光场的瞬时频率可表示为：0()d t dt(2) 若为常数，则不随时间而变化，这种脉冲称为傅里叶变换极限脉冲(transform limited pulse)，又称为无啁啾脉冲。

若与时间有关，则随时间而变化，称为啁啾脉冲(chirp pulse)。

当按时间的一次函数增加，则称为线性上啁啾(linear up-chirp)。

当按时间的一次函数减小，则称为线性下啁啾(linear down-chirp)。

啁啾只影响光场的相位，表现为光场振荡频率的变化，而不影响光场的强度分布。

2、 以高斯脉冲为例，用matlab 程序验证以上说明的正确性。

2.1 Z=0位置处无啁啾高斯脉冲可以表示为：2002()exp(exp()pt E t A i t (3)其中p 是与脉宽有关的量。

其光场实部、强度及频率随时间变化图如下：（程序见附录）图1.1 无啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化2.2 Z=0位置处线性上啁啾高斯脉冲可以表示为：220022()exp()exp[()]pt E t A i t t (4)2为正的二阶相位量，其光场实部、强度及频率随时间变化图如下：图1.2 线性上啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化2.3 Z=0位置处线性上啁啾高斯脉冲可以表示为：220022()exp(exp[()]pt E t A i t t (5)2为负的二阶相位量，其光场实部、强度及频率随时间变化图如下：图1.3 线性下啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化3、讨论从图1.1、1.2、1.3中可以看出响啁啾只影响光场的相位，表现为光场振荡频率的变化，而不影响光场的强度分布。

matlab用于超短脉冲中啁啾与色散概念的理解Matlab用于超短脉冲中啁啾与色散的理解超短脉冲是谐振腔中增益与损耗达到平衡、色散与非线性达到平衡时所产生的。

超快光学中两个重要的概念就是啁啾与色散，而利用matlab的绘图功能可以更加形象的理解这两个概念的物理意义。

一、啁啾的概念1、超短脉冲的光场在时域可以表示为:ErtArtittkr(,)(,)exp{[()]},,，，,, (1) 0其中为光场振幅，为中心频率，为时域相位与啁啾相关，kr为空间位置,Art(,),()t0带来的相位变化。

由此光场的瞬时频率可表示为:dt,(),， (2) ,,0dt若为常数，则不随时间而变化，这种脉冲称为傅里叶变换极限脉冲(transform limitedpulse)，又称为无啁啾脉冲。

若与时间有关，则随时间而变化，称为啁啾脉冲(chirp pulse)。

当按时间的一次函数增加，则称为线性上啁啾(linear up-chirp)。

当按时间的一次函数减小，则称为线性下啁啾(linear down-chirp)。

啁啾只影响光场的相位，表现为光场振荡频率的变化，而不影响光场的强度分布。

2、以高斯脉冲为例，用matlab程序验证以上说明的正确性。

2.1 Z=0位置处无啁啾高斯脉冲可以表示为:2t()exp()exp(),,,,,EtAit (3) 002,p, 其中是与脉宽有关的量。

其光场实部、强度及频率随时间变化图如下:(程序见附录) p图1.1 无啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化2.2 Z=0位置处线性上啁啾高斯脉冲可以表示为:2t2 (4) ()exp()exp[()],,,,，,,EtAitt0022,p为正的二阶相位量，其光场实部、强度及频率随时间变化图如下: ,2图1.2 线性上啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化 2.3 Z=0位置处线性上啁啾高斯脉冲可以表示为:2t2()exp()exp[()],,,,，,,EtAitt (5) 0022,p,为负的二阶相位量，其光场实部、强度及频率随时间变化图如下: 2图1.3 线性下啁啾高斯脉冲光场实部、强度及频率随时间的变化3、讨论从图1.1、1.2、1.3中可以看出响啁啾只影响光场的相位，表现为光场振荡频率的变化，而不影响光场的强度分布。

专利名称：使用三阶色散啁啾的用于双光谱光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的装置
专利类型：发明专利
发明人：孔弘珍,李东原,朴映晧,尹镇雨,曹美贞,申载成,全炳九
申请号：CN200780022313.5
申请日：20070129
公开号：CN101473251A
公开日：
20090701
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种OPCPA装置。

本发明的OPCPA包括光脉冲展宽器(100)，用于使用奇数阶色散(主要使用三阶色散)输出啁啾激光。

泵浦激光器(200)输出泵浦激光。

OPA单元(300)接收泵浦激光和啁啾激光(信号)，使用泵浦激光放大信号，并产生闲频信号。

光信号分离单元(400)将OPA单元的输出光线分离为信号、闲频信号、以及剩余光线(泵浦光)。

光脉冲压缩器(600)补偿由光脉冲展宽器所赋予的奇数阶色散所致的脉冲啁啾，从而将信号和闲频信号临时压缩在一起，所述信号和闲频信号彼此交迭。

申请人：韩国科学技术院
地址：韩国大田广域市
国籍：KR
代理机构：北京康信知识产权代理有限责任公司
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