CPA及其在激光器中的应用

摘   要：文章简要阐述了CPA的研究进展，介绍了其调Q、锁模、克尔透镜锁模等相关关键技术的原理，并阐述了待解决的关键科学问题和在激光器中重要应用价值。

关键词：CPA;飞秒脉冲;锁模

1    脉冲宽度发展概述

随着人们工业需求的不断提高，人们将工作的重点转移到提高激光的峰值功率工作中来。对激光器的研究历史较为久远，1963年就已经发明了纳秒脉冲激光光源。随着科学信息技术的不断发展，1964年逐步完善纳秒脉冲激光光源，从而提升了激光脉冲宽度量级。为了进一步提升激光脉冲输出记录，科研人员不断努力，在1981年，研制出新型碰撞锁模燃料激光器，这种激光器将脉冲宽度提升至飞秒级，并且在今后工作运行的环节中，光强的非线性效应仍使激光光强一直停留在109 W/cm2的水平上—激光脉冲的能量越大，激光脉冲的时间尺度越短，对应的峰值功率就越大。

飞秒脉冲激光的脉冲宽度太短，在实际的运行环节中，由于脉冲宽度较短，进行放大处理将会使峰值的功率快速上升，如果操作不当会产生非线性效应，不利于飞秒脉冲激光发挥作用。当峰值的功率持续上升时，会对光学器件、增益介质等产生影响，增益介质中的能量将会减少，从而降低了脉冲光束的质量。因此，在处理这一问题时，相关的技术人员应该适当地调整飞秒脉冲激光的宽度，并根据飞秒脉冲激光宽度的变化对脉冲进行放大处理，放大到一定程度时及时将脉冲降到原始的量级，也即啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification，CPA）。

2    CPA技术的原理及相关关键技术

CPA技术在窄脉冲放大中的作用较明显，CPA技术适用的范围较广，经常出现在大型的核聚变激光器中。当产生窄脉冲时，展宽较宽，随着振荡器的不断变化，脉冲的光强度较低，导致脉冲的能量降低，当脉冲呈现放大的情况时，脉冲中储存的能量则被慢慢发出，为了将脉冲宽度保持在最佳水平，此时应该充分发挥压缩器的作用，将脉冲进行压缩处理，使之与原来的宽度相一致。在实际的操作环节中，为了保证脉冲宽度的真实性，相关的技术人员应该及时优化窄脉冲的来源，并且根据脉冲宽度的实际情况逐步调整脉冲的展宽，并将脉冲光谱进行放大处理。

在过去10年人们已经可以获得几个光学周期的超窄脉冲。但直到1991年，Sibbett等利用克尔透镜锁模获得了10～14 s的脉冲，此后，随着现代化科学信息技术的不断完善，逐步完善CPA系统，有效地保证了窄脉冲源的稳定性，随之产生超窄脉冲，超窄脉冲激光器组成方式较为简单，主要包括宽带镜与钛，在实际的工作环节中，充分发挥蓝宝石放大介质的优势，蓝宝石放大介质的工作理念来源于蓝宝石放大介质的折射率及光强，为了保证超窄脉冲源的稳定性，充分发挥局域长度的透镜的优势。最窄脉冲宽度与棱镜弥补晶体中脉冲的色散有关，在实际的运行环节中，应该保证光强的输出耦合器的形状，防止出现不必要的反应。同时，将发挥倍频晶体中信号的优势对输出的脉冲进行测量。在实际的研究环节中，要将脉冲宽度调整在最大范围，并根据脉冲运行的实际情况调整好蓝宝石放大介质的峰值功率，使之产生更好的效应。当从蓝宝石放大介质中输出能量时，饱和通量为s=hν/σ，其中基本的组成要素为跃迁截面、普朗克常数、激光频率。此时最窄脉冲的宽度主要包含增益宽度，随着光束每平方厘米面积峰值功率的不断上升，应该逐步增加聚焦强度，以保证跃迁截面在蓝宝石放大介质中的光强最大。

最早的CPA系统利用单模光纤的正群速色散来展宽超窄脉冲的频率组分。经过光纤之后，相关的技术人员应该及时优化展宽的脉冲红色波长与蓝色波长之间的前后顺序，并根据展宽超窄脉冲的实际情况对其进行放大处理，并充分发挥平行衍射光栅的优势，将其进行压缩。为了提升光纤展宽器的色散性能，加工脉冲的时间调整为最佳区间，并合理控制好展宽的比例。

1987年，Martinez设计了1 500 nm波长压缩脉冲的压缩器。波长压缩脉冲压缩器光谱领域光纤的色散形式较为特殊，主要是负群色散，为了展示波长压缩脉冲压缩器的效果，在实际的操作环节，将发挥望远镜的优势，将其放置在光栅中的最佳位置，并且保证压缩器的正常运行。在运行过程中，将脉冲的展宽调整在适宜的区间，并利用压缩器将其压缩，根据脉冲展宽的实际情况将放大器、压缩器、增益介质进行优化，保证光学元件的匹配度。同时，在压缩的环节中，由于对脉冲压缩环境的要求较高，所以技术人员应该在真空的环境下进行压缩，有效避免外界因素的影响。

同时，超窄脉冲的光谱形式具有多样性，例如：高斯包络脉冲主要包含的要素有脉冲带宽、脉冲宽度。在实际的放大环节中，技术人员应该掌握好光谱的组分，并且进行平均分布，直到放大的等级与实际的情况相符合。在实际的脉冲压缩环节中，脉冲的带宽会出现减少的情况，而脉冲的宽度将会随着带宽的减少而增加。在面对超窄脉冲时，要充分发挥藍宝石放大介质的优势，对其问题进行有效的解决。同时，蓝宝石中的增益宽度一定程度上比脉冲的放大要小，蓝宝石的增益宽度具有热性质较好的优势，可以在高重复率中进行有效的放大。为了有效体现CPA系统的实用价值，逐步实现稳定的峰值功率，有利于提升超高光强窄脉冲的真实性。

3    国内外研究现状及发展动态分析

CPA技术的雏形在1992年被首次提出，并逐步完善了参光量啁啾脉冲放大技术，保证了高功率超短强脉冲的正常输出，随着现代化科学信息技术的不断发展，逐步对啁啾脉冲放大中脉宽窄化进行优化，光纤量放大是充分发挥四波混频效应放大信号光的优势，其中的高增益、宽带宽、好的增益平坦性及低噪声为后续研究工作奠定了基础。

由于CPA技术在激光强度发展的历史中所起的作用，美国将基于CPA技术搭建的激光系统用于快点火激光聚变工程，以期彻底解决能源问题。2013年，Mourou等基于现有的光纤放大技术及相kHz、单脉冲能量10 J干合成技术，针对下一代粒子加速器的应用发展需求提出了一套重复频率为10的设计方案。国际上许多顶级实验室也相继在实际应用中利用该技术，国内中国科学院物理研究所、天津大学、北京大学、清华大学、西安光机所、华东师范大学等科研单位也在该领域展开了大量工作，争取早日拉近与国外同行的差距。Hu等数值模拟研究掺镱光纤放大器中啁啾脉冲放大后光暗化（Photo Darkening，PD）对脉冲压缩和相干合成的影响。研究发现即使增加泵浦功率以保持脉冲能量恒定，PD也会降低脉冲，这是因为加热会在脉冲内产生相位失真，而如果光纤长度在生命开始时针对无PD光纤进行了优化，PD也会增加自相位调制。相比之下，在比这更短的光纤中，即使在高达5 dB的PD传播损耗下，峰值功率的下降也是相对适度的35%，因此对PD引起的相位失真提供了有效缓解。这些改进提高了波束组合系统的组合效率[3]。准参数啁啾脉冲放大可以通过抑制反向转换来提高信号放大效率和稳定性，其中惰轮吸收起着关键作用。蔡丽君等从理论上研究了在小信号和饱和状态下惰轮吸收对QPCPA性能的影响。作者证明存在一种最佳的惰性吸收状态，即能够在最小晶体长度内实现最大泵耗。

4    关键问题和应用展望

关于缩短脉冲时间，当前的最新进展是使用非共线光学参数放大的方法提高种子激光器和压缩器的性能。但压缩系统的性能决定了出射光的脉冲时间可以被压缩到多短和它能承受的光强。在提高峰值功率方面，主要还是受限于目前材料的性能。

激光放大器通过钛蓝宝石和CPA混合技术，可以获得短种子脉冲和宽增益脉宽。这项技术的主要问题仍然是CPA中的寄生激光难以避免。另外，共振受激拉曼背向散射和受激布里渊散射是最有可能替代昂贵的CPA技术的两种新兴的放大机制。

机房脉冲能量一定程度上与CPA系统中的压缩器与展宽器有关。同时，为了有效地提高聚焦功率，在高功率激光驱动器运行的环节中，要保证脉冲的品质，在实际运行环节中，要及时调整衍射光栅的表面平整度，减少条纹曲率，采用衍射光栅压缩纳秒量级脉冲的另一个缺点是装置体积庞大。

同时，激光模式不稳定的情况时有发生，在实际的工作环节中，随着功率的升高，光纤容易被破坏。超短脉冲激光平均功率与相位调制、受激拉曼散射、四波混频等多种要素有关，一定程度上不利于后续研究的顺利进行，并对飞秒光纤激光系统的平均输出功率造成一定的影响。

国际上许多顶级实验室也相继建成了多台峰值功率超过拍瓦级别的CPA装置。如劳伦斯利弗莫尔国家实验室的1.5 PW、450 fs钕玻璃激光系统，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光装置，韩国先进光子学研究所的1.5 PW钛宝石CPA激光系统，中物院激光聚变中心的5 PW级激光装置和中科院上海光机所最新获得的10 PW装置等。超强激光基础设施ELI，其设计峰值功率将达到拍瓦级，而承接该装置研制和开发的是全球第一家商用级拍瓦激光系统的制造商Thales公司，该公司的产品广泛用于基础研究、工业加工和国防中[4]。

5    结语

本文详细介绍了调Q、锁模、克尔透镜锁模等CPA关键技术的原理，并阐述了CPA技术的重要應用价值及在激光器中的应用。

[参考文献]

[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.