啁啾脉冲放大(Chirped-Pulse-Amplification)
谈2018年诺奖中的啁啾脉冲放大技术
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】。
第十二讲 啁啾脉冲放大器电子版本
560 TW OPCPA by Russia
Main Routes for Petawatt laser
•CPA based on Ti:Sapphire: 800 nm wavelength; broad
bandwidth (30 fs), repetitive (0.1 Hz); 30 J
•CPA based on Nd:glass: 1053 nm, 400 fs, >200 J, one
3.08 ns
Diffraction-grating pulse compressor
The grating pulse compressor also has negative second-order phase.
Grating #2
d2 d 2 0
03 2c2d
2
Lsep
cos2 (' )
t = t [d/d]–1 = 0.44 [d/d]–1 = 0.44 2/c0
where we’ve neglected the minus sign since we’re computing the bandwidth, which is inherently positive. So the bandwidth is:
shot per hours;
• OPCPA based on KD*P: 40-80 fs; 910 nm or 1053 nm,
35 J; single shot
Petawatt example: petawatt hybrid OPCPA-Glass laser-Texas
Petawatt scheme
where d = grating spacing (same for both gratings)
啁啾脉冲放大过程
啁啾脉冲放大过程啁啾脉冲放大过程，指的是通过放大器对啁啾脉冲进行放大的一种技术过程。
啁啾脉冲是一种时间上稳定的脉冲信号，一般用于激光器中的腔补偿、光纤通信等领域。
在这个过程中，放大器通常以线性放大的方式将啁啾脉冲的幅度进行放大，而不改变脉冲的时间特性。
啁啾脉冲放大过程的关键是选择合适的放大器，并进行适当的配置。
通常情况下，放大器会采用光纤放大器或半导体放大器，这些放大器具有较高的增益和较低的噪声特性，能够有效地放大啁啾脉冲信号。
在放大器的选择上，需要注意的是放大器的带宽要足够宽，以便能够传输啁啾脉冲中的高频分量。
此外，放大器的线性范围也需要符合需求，以避免非线性失真对脉冲信号造成的影响。
在配置放大器时，需要将放大器的输入端与信号源（通常是激光器）连接起来，将输出端与需要接收啁啾脉冲信号的设备连接起来。
同时，需要根据需求调整放大器的增益、工作模式等参数，以确保放大器能够在满足信号需求的同时保持系统的稳定性。
当输入啁啾脉冲信号经过放大器后，输出信号的幅度会增加，同时保持脉冲的时间特性不变。
放大后的信号可以用来驱动其他设备，如光电探测器、光纤调制器等，以实现数据的传输和处理。
在啁啾脉冲放大过程中，需要注意的是保持信号的幅度和相位稳定性。
幅度稳定性能够保证信号的质量，而相位稳定性则对于保持啁啾脉冲的时间特性非常重要。
因此，在选择和配置放大器时，需要考虑到放大器的稳定性、温度对放大性能的影响等因素，并采取相应的措施进行补偿或调节。
总之，啁啾脉冲放大过程是一种通过放大器对啁啾脉冲进行放大的技术过程。
在这个过程中，需要选择合适的放大器，并进行适当的配置，以确保放大器能够对信号进行高质量的放大，并保持脉冲的时间特性。
该技术广泛应用于激光器、光纤通信等领域，为实现高速、高质量的数据传输提供了重要的技术支持。
啁啾脉冲放大
Introduction to Chirped Pulse Amplification 北京邮电大学 尹龙飞
1
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
2018年， Donna Strickland 及其导师 Gerard Mourou 因啁啾脉冲放大技术 上的贡献共同获得诺贝尔物理学奖。
对于课程中的无失真传输系统，为保证各频率分量时 延相同，系统相频响应特性需满足线性相位条件；那 么对于光脉冲啁啾系统，需让不同频率分量产生不同 的时延，其相频响应特性应满足什么条件？
3.总结
• 啁啾脉冲放大 • 线性增益，非线性增益 • 线性调频 • 光脉冲啁啾
学好信号与系统 低通高通路路通
北京邮电大学信号与系统 智慧教学研究组
CPA 技术针对这一问题： ✓ 先将激光脉冲在时域展宽，使其
瞬时功率下降； ✓ 然后放大，这样能够获得较大增
益； ✓ 最后再将脉冲在时域压缩，进一
步增大功率。
1. 啁啾脉冲放大技术的背景及意义
具有高瞬时功率的超短脉冲激光：
近视手术
核光学
1985年， Donna Strickland 实现并报道
了CPA 技术，将当时的激光峰值功率提
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
线性调频/啁啾信号：指瞬时频率随时间成线性变化的信号
单频信号：f1 (t ) = cos (0t )，角频率为常数 啁啾信号：f2 (t ) = cos (0 + t ) t ，角频率随时间线性变化
定义瞬时角频率 (t )：信号三角函数相位随时间的导数。
1
(
t
)
=
d dt
粒子
高了3个数量级。
加速
2. 啁啾脉冲放大技术的原理
高功率大能量纳秒激光器典型应用
高功率大能量纳秒激光器典型应用1.钛宝石激光器泵浦啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification,CPA）技术是产生超短脉冲、超高峰值功率激光的一种技术。
作为商品化TW-PW飞秒激光器制造商，Amplitude在钛宝石泵浦领域具备多年的经验和技术。
Amplitude提供从10焦耳级到200焦耳级纳秒绿光激光器，满足您百太瓦直至10拍瓦量级高功率钛宝石激光器的泵浦光需求；专为泵浦优化的均匀光斑，使得钛宝石可输出质量优秀的激光。
Amplitude可供钛宝石住放大级选用的泵浦源系列：系列绿光能量重复频率备注Titan6J-12J1-5HzConstellation15J-30J0.1Hz75J-150J1shot/minPremiumlite-YAG55J10HzPremiumlite-Glass200J0.1Hz2.OPCPA泵浦与钛宝石CPA系统不同，OPCPA采用光学参量放大（Optical Parametric Amplification）过程来放大啁啾脉冲。
在OPCPA系统中，为保证对各频谱分量的同等增益，要求脉冲的时间波形为平顶；Amplitude Agilite及Intrepid系列提供百皮秒-微秒脉宽、脉冲波形可编程的输出，非常适合OPCPA泵浦。
Agilite及Intrepid可单独使用，提供焦耳级绿光输出；同时可作为Premiumlite的前端，输出数十焦的绿光。
Eli-ALPS2PW/10Hz系统3.激光冲击强化经过数十年的发展，激光冲击强化（Laser Shock Peening）已从实验室走向市场，逐渐成为高端制造业金属材料部件强化的关键技术甚至标准技术。
激光冲击强化示意图激光冲击强化通常采用纳秒尺度的大能量激光。
待处理工件表面覆以不透明吸收层以及约束层，激光被吸收层吸收之后产生等离子体；在约束层的限制下，等离子体的爆炸在材料表面产生强烈的冲击波并向材料内部内传播。
十二 啁啾脉冲放大器PPT课件
t = t [d/d]–1 = 0.44 [d/d]–1 = 0.44 2/c0
where we’ve neglected the minus sign since we’re computing the bandwidth, which is inherently positive. So the bandwidth is:
.
23
Petawatt scheme
.
24
OPCPA scheme
.
25
Nd:glass hybrid amplifier
.
26
Suppression gain narrowing by hybrid amplification
.
27
Compression grating
.
28
Results
.
3
CPA: Why?
1. Efficient amplification 2. Avoid optical damage in amplification
medium due to high optical intensity 3. Reduce the nonlinear effect in Nhomakorabeamedium
.
4
Pulse stretching by grating pair
.
5
Pulse to be strecthed due to GDD
30 fs + 109 fs2
3.08 ns
.
6
Diffraction-grating pulse compressor
The grating pulse compressor also has negative second-order phase.
啁啾脉冲激光放大的理论与数值模拟分析
啁啾脉冲激光放大的理论与数值模拟分析蔺玉珂;李建平【摘要】为了比较啁啾脉冲在均匀加宽与非均匀加宽介质中传输的特性,采用分步傅里叶方法进行了理论分析和实验验证,得到了增益窄化、增益饱和、自相位调制效应对脉冲在两种不同介质中频域、时域的演化特征曲线.结果表明,在非均匀加宽介质中,增益窄化效应更加明显,而且增益饱和效应得到了很好抑制,两种加宽介质中脉冲的频谱都起到了拓宽作用,非均匀加宽介质中的频谱比较对称,而均匀加宽介质中的频谱出现了畸变.这一结果对研究啁啾脉冲在综合加宽介质中传输特性是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)006【总页数】4页(P770-773)【关键词】非线性光学;啁啾;分步傅里叶方法;均匀加宽;非均匀加宽【作者】蔺玉珂;李建平【作者单位】重庆电子工程职业学院,通信工程系,重庆,401331;北京邮电大学,信息光子学与光通信研究院,北京,100876【正文语种】中文【中图分类】O437引言惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)中对激光放大器系统不仅要求具有足够多的驱动能量，而且要求激光光束具有极高的光束质量，它不仅对光束的空间特性有很高的要求，而且对脉冲的时间特性同样具有严格的要求。
光束质量也是强激光光束变换的一个重要的研究对象，这就需要研究激光脉冲在放大介质中的传输与放大情况，其中介质中非线性效应、增益分布和色散是影响光脉冲传播特性的3个基本因素。
在皮秒光脉冲有限传播有限传播距离内，群速度色散和增益色散的影响可以不考虑[1]。
因此，非线性效应、增益分布因素的研究对如何得到高能量高质量的激光脉冲具有重要的意义。
目前，啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,CPA)[2]已经成为高功率激光放大器中应用最广泛的技术，它可以在增益介质中提取足够的能量，同时尽可能地降低非线性效应对脉冲的影响。
光栅对刻线失配对啁啾脉冲时间波形的影响
光栅对刻线失配对啁啾脉冲时间波形的影响苏娟;冯国英;马再如;刘文兵【摘要】为了研究啁啾脉冲在光参量啁啾脉冲放大系统中传输时脉冲变化的情况,采用光线追迹法和4阶龙格-库塔法,得到了压缩器光栅对刻线失配对输出脉冲宽度和时间波形的影响的模拟结果.结果表明,当光栅对刻线失配且夹角约在±4°范围内时,若只考虑2阶色散的影响,初始啁啾导致脉冲宽度略小于无初始啁啾脉冲的宽度.当考虑到3阶、4阶及更高阶色散时,脉冲宽度大于种子脉冲的初始宽度.当入射脉冲具有正啁啾时,出射脉宽随夹角α的增大不断增加,但当具有负啁啾时,脉宽随α的增大先减小后再增大.光栅G2顺时针旋转时的脉宽变化与G2逆时针旋转时脉宽变化相同.另外,初始啁啾对出射脉冲出现的预脉冲、尾脉冲有一定的削弱作用,负啁啾对脉冲展宽和失真的影响明显小于相应的正啁啾.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2009(033)003【总页数】4页(P319-322)【关键词】非线性光学;光参量啁啾脉冲放大;光线追迹法;光栅对;失配;脉冲宽度【作者】苏娟;冯国英;马再如;刘文兵【作者单位】西南石油大学,理学院,南充,637001;四川大学,电子信息学院,成都,610064;西华大学,理化学院,成都,610039;西南技术物理研究所,成都,610041【正文语种】中文【中图分类】O437引言光参量啁啾脉冲放大[1-3](optical parametric chirped pulse amplification，OPCPA)技术是一种获得宽带宽、大能量及高质量的超短脉冲激光的非常有效的技术。
在OPCPA技术中，需先将待放大的飞秒种子光通过展宽器展宽至纳秒或亚纳秒的啁啾脉冲，然后通过光参量放大器进行放大，最后再压缩回飞秒脉冲。
光栅对已成为脉冲展宽压缩、成形技术中的主要元件，并成为OPCPA系统的核心元件之一。
作者利用光线追迹法和4阶龙格-库塔法分析了初始啁啾脉冲在OPCPA系统中展宽、放大、压缩的整个物理过程，并讨论了光栅对刻线失配对脉冲时间波形的影响。
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美国光谱物理公司生产的啁啾脉冲放大器Hurricane的光学结构示意图
Thank you！
femtosecond？
1fs=10 -15 s
Martinez stretcher
垂直偏振的种子光导入通过glan prism反射进入腔体，进过两次packel cell变 为水平偏振透过G3飞向增益介质
之后P.C.加高压变为半波片，脉冲在腔内来回一周通过两次P.C.，偏振 不变，多次往返实现放大
Chirped Pulse Ampli容：
• 结构和工作原理 • 实例
Femtosecond Lsar？
1
脉冲形式：不是一 直在发射的，而是 每隔一段时间T发 射一个包络。
2
脉宽短：每个脉冲 包络持续的时间只 有飞秒量级。
3
光谱很宽：不再是 单色的，而是具有 不同的颜色成分。 这与传统意义的激 光已经不同了。