飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法和装置

1.本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法和装置。


背景技术：

2.镱离子掺杂的固体激光放大器在高能量强场脉冲产生方面具有较大优势，原因在于其量子效率高、泵浦需求简单。基于镱离子掺杂的固体激光器，如全固态（晶体增益介质）、碟片、板条、光纤等都已将激光放大器输出能量推至毫焦量级。
3.近年来，结合啁啾脉冲放大技术，固体掺镱激光放大器可以输出毫焦级的飞秒脉冲，脉冲峰值功率达到gw量级。啁啾放大系统中，为了抑制高峰值功率脉冲导致的不利影响，如自聚焦和器件损伤，通常需要将种子脉冲展宽到百皮秒量级，但是脉冲展宽导致放大过程中非线性降低，增益窄化的不利效果凸显，导致输出脉冲宽度受限，通常为在300 fs以上。所谓的增益窄化源自于激光增益介质辐射谱分布的不一致。以掺yb离子的增益介质为例，其辐射谱覆盖1010-1100较宽的范围，但是通常在1035 nm处辐射强度最大，两边变弱。因此，在基于掺yb材料的激光放大过程中，由于1035 nm处易于放大，所以该波段的脉冲光谱会随放大倍数增加而凸显，导致放大脉冲光谱集中在1035 nm附近，造成光谱窄化。根据傅里叶变换极限脉冲理论，要想获得更窄的输出脉冲，信号光需要有更宽的光谱带宽。因此，有效抑制激光放大过程中的增益窄化效应甚至实现光谱展宽，能够将掺镱固体激光放大器输出脉冲宽度推进至100 fs甚至是10 fs量级。
4.自相似脉冲放大最早在光纤激光放大器实现，通过利用光纤增益介质中的非线性效应，展宽信号光光谱，从而抑制增益窄化，实现高质量的脉冲压缩，能够获得亚百飞秒甚至是少周期量级的超短脉冲。当前的自相似放大仅见于光纤放大器中，光纤介质长作用距离、高非线性的特点保障自相似脉冲演化实现。但由于光纤介质损伤阈值较低，非线性剧烈，输出能量被限制在μj量级。基于啁啾放大系统和固体再生放大系统由于脉冲峰值功率低以及增益晶体非线性系数低（较光纤介质低3-4个数量级），自相似脉冲演化难以实现。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法和装置，解决自相似脉冲演化在固体激光放大器和啁啾放大系统中难以实现的难题，突破高能量飞秒激光产生中增益窄化效应的限制，实现激光脉冲在固体再生放大器内的自相似脉冲演化，放大过程伴随光谱展宽，为实现10毫焦级，亚百飞秒量级的高峰值功率脉冲产生提供新的技术手段。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法，包括如下步骤：s1，将种子脉冲持续注入频谱整形展宽器，通过频谱整形展宽器对所注入的种子脉冲通过时域展宽器进行时域展宽并在展宽过程中或时域展宽后对展宽信号光通过频谱整形器进行频谱整形，使种子脉
冲展宽至几百皮秒或纳秒，频谱强度呈两边高、中心低的马鞍形啁啾脉冲；所述种子脉冲的光谱宽度》7 nm，脉冲能量》1 nj，光谱形状为抛物线型或高斯型，并具有线性的啁啾特性；s2，将时域展宽且频谱整形后的马鞍形啁啾脉冲注入自相似再生放大器的再生放大腔内，在再生放大腔内通过增益晶体和高非线性晶体来回多次逐步放大后，使马鞍形啁啾脉冲的频谱获得增益，同时使马鞍形啁啾脉冲的频谱强度由马鞍型演变为平坦型后，平坦型啁啾脉冲继续在再生放大腔内通过增益晶体来回多次逐步放大，脉冲峰值功率超过mw量级时，通过高非线性晶体时平坦型啁啾脉冲获得非线性频谱展宽；再生放大过程中，信号光以聚焦光斑通过增益介质，规避非线性时频畸变，经透镜准直后再以聚焦光斑通过高非线性介质，增强非线性频谱展宽，直至啁啾脉冲自相似放大达到增益饱和后，输出高能量啁啾脉冲；s3，将增益饱和后的高能量啁啾脉冲注入脉冲压缩器内，通过脉冲压缩器对再生放大后的高能量啁啾脉冲进行脉冲压缩后，输出信号光，此时，该信号光的脉冲能量》2 mj，脉冲宽度《100 fs，光谱宽度》15 nm，且重复频率可切换范围在1 khz-200 khz。
7.进一步的，所述频谱整形展宽器通过如下两种方式对种子脉冲进行展宽和整形：方式1，种子脉冲通过时域展宽器进行多次时域展宽，且在时域展宽过程中通过频谱整形器进行频谱整形；方式2，种子脉冲通过时域展宽器进行一次时域展宽，并在时域展宽后通过频谱整形器对展宽后的脉冲信号进行频谱整形。
8.进一步的，所述自相似再生放大器中的增益晶体为掺杂稀土离子的激光晶体，所述激光晶体受泵浦光激发后射出自发辐射激光。
9.进一步的，所述激光晶体中所掺杂的稀土离子为钕离子或镱离子；所述自发辐射激光为yb:caf2自发辐射激光或yb:calgo自发辐射激光或yb:calyo自发辐射激光或yb:kgw/kyw自发辐射激光。
10.进一步的，所述高非线性晶体指具有较高的三阶非线性光学极化率的晶体材料，包括二氧化硅或氟化钙或氧化铝。
11.一种飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大装置，包括依光路顺序从一侧向另一侧依次设置的宽带种子源、频谱整形展宽器、自相似再生放大器和脉冲压缩器；所述宽带种子源用于向频谱整形展宽器发出种子脉冲；所述频谱整形展宽器包括时域展宽器和频谱整形器，所述时域展宽器用于将种子脉冲展宽至百皮秒量级甚至纳秒量级，并对脉冲宽度精细调控；所述频谱整形器用于对种子脉冲进行频谱整形，使展宽后的种子脉冲频谱强度呈两边高、中心低的马鞍形啁啾脉冲；所述自相似再生放大器包括脉冲输入及输出耦合模块和脉冲再生放大模块，所述脉冲输入及输出耦合模块用于接收频谱整形展宽器所注入的马鞍形啁啾脉冲，并将接收后马鞍形啁啾脉冲注入脉冲再生放大模块；所述脉冲再生放大模块能够对所注入的马鞍形啁啾脉冲进行来回多次逐步放大，包括增益晶体和高非线性晶体，所述高非线性晶体位于增益晶体一侧，与增益晶体位于同一光路中，并与增益晶体一起回多次逐步放大和来回多次非线性频谱展宽，直至脉冲峰值功率超过mw量级时，信号光以聚焦光斑通过增益介质，经透镜准直后，再以聚焦光斑通过高非线性介质，增强非线性频谱展宽，直至啁啾脉冲自相似放大达到增益饱和后，向脉冲输入及输出耦合模块输出高能量啁啾脉冲；所述脉冲输入及输出耦合模块在接收高能量啁啾脉冲后，将高能量啁啾脉冲注入脉冲压缩器；所述脉冲压缩器用于对再生放大后的高能量啁啾脉冲进行脉冲压缩后，输出信号光。
12.进一步的，所述时域展宽器为offner型光栅时域展宽器，包括依光路顺序依次摆放的薄膜偏振片、法拉第旋光器、二分之一波片、衍射光栅、凹面镜、凸面镜，在二分之一波片和衍射光栅之间还设有屋脊回射器以及平面反射镜，所述屋脊回射器靠近二分之一波片设置；所述凹面镜和凸面镜之间、屋脊回射器和平面反射镜之间均呈上下交错设置，凸面镜的曲率半径为凹面镜曲率半径的一半，且凸面镜位于凹面镜焦点位置；所述频谱整形器为机械式频谱整形器，位于凹面镜和凸面镜之间，所述机械式频谱整形器包括一个或多个不透明机械薄片，两个相邻的不透明机械薄片之间具有狭缝。
13.进一步的，薄膜偏振片、法拉第旋光器、二分之一波片、衍射光栅、凹面镜、凸面镜、屋脊回射器以及平面反射镜的工作波段均为1030 nm波段；所述法拉第旋光器能够将入射偏振光偏振角度旋转45
°
，配合二分之一波片和薄膜偏振片能够将入射光和出射光分离和隔离，并用作光隔离器；所述衍射光栅刻线周期为1740 line/mm，1030 nm波段激光单次通过衍射效率》95%。
14.进一步的，所述时域展宽器为基于啁啾布拉格光栅实现的光纤展宽器，所述频谱整形器为基于双折射效应实现的光学干涉式滤波整形器；所述时域展宽器包括依光路顺序依次设置的光纤环形器、啁啾光纤布拉格光栅和光纤准直器，所述光纤环形器上间隔设有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口的入射信号光可单向传输至第二端口，第二端口的入射信号光可单向传输至第三端口；啁啾光纤布拉格光栅的反射带宽为20 nm，反射率》50%，色散系数为50 ps/nm，光纤类型为pm980；所述频谱整形器包括依光路顺序依次设置的第三薄膜偏振片、双折射介质和第四薄膜偏振片，所述双折射介质为石英晶体，双折射系数b=0.0092，入射激光偏振角度与双折射介质主轴角度呈15
°
；双折射介质光轴与激光透射偏振轴成一定夹角θ，0
°
《θ《90
°
。
15.进一步的，所述脉冲输入及输出耦合模块包括依次设置的第一薄膜偏振片、第一二分之一波片、第一法拉第旋光器；所述第一法拉第旋光器靠近脉冲再生放大模块设置，第一法拉第旋转器为磁光晶体器件，偏振光经过后偏振角度旋转45
°
；第一法拉第旋光器与第一二分之一波片和第一薄膜偏振片一起构成一光隔离器，能够实现入射光和出射光的耦合与分离；所述脉冲再生放大模块还包括依次设置的第一平面反射镜、普克尔盒、四分之一波片、第二薄膜偏振片和第二平面反射镜；所述增益晶体和高非线性晶体位于第二平面反射镜和第二薄膜偏振片之间；所述第二薄膜偏振片与第一法拉第旋光器相对设置，第二薄膜偏振片能够在接收第一法拉第旋光器的马鞍形啁啾脉冲后，将所述马鞍形啁啾脉冲旋转设定角度后，导入四分之一波片；在增益晶体两侧分别设有第三平凸透镜和第四平凸透镜，在高非线性晶体两侧分别设有第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜一起形成稳定的再生腔；高非线性晶体置于第一平凸透镜和第二平凸透镜所形成的凸透镜组的焦点处，增益晶体置于第三平凸透镜和第四平凸透镜所形成的凸透镜组的焦点处；所述普克尔盒为四分之一波快速电光器件，通过控制普克尔盒的开闭，即能够使得普克尔盒与四分之一波片一起形成光调节器，对偏振光的偏振方向进行调整；进而使得脉冲光在第一平面反射镜和第二平面反射镜之间来回多次逐步放大和来回多次非线性频
谱展宽。
16.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、结合啁啾脉冲放大、自相似脉冲放大和固体激光再生放大，解决高能量超快激光放大中的增益窄化效应，可以实现《100 fs的毫焦级高峰值功率脉冲输出。
17.2、通过在固体激光再生放大器内插入非线性介质，实现自相似再生放大，解决了低非线性固体增益介质中自相似脉冲演化难以实现的问题，为抑制多程再生放大中的增益窄化提供了一种新方法。
18.附图说明
19.图1为实施例1和实施例2中飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大装置的结构简图；图2为实施例1中频谱整形展宽器的结构图；图3为实施例2中频谱整形展宽器的结构图；图4为实施例1和实施例2中自相似再生放大器的结构图；图5为实施例中频谱整形展宽器展宽整形后所输出的马鞍形光谱示意图；图6为实施例中相同参数的高斯型光谱和马鞍形光谱在注入自相似再生放大器后的放大竖直模拟结果示意图；其中，（a）为两种光谱的能量演化，（b）为两种光谱放大光谱宽度演化；图7为实施例中高斯型光谱和马鞍形光谱自相似再生放大脉冲演化过程图；其中，（a）和（c）为高斯型入射脉冲演化过程图；（b）和（d）马鞍型入射脉冲演化过程图；图8为实施例中窄带信号光脉冲在飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大装置中放大演化模拟图；其中，（a）脉冲演化；（b）光谱演化；（c）特定圈数时脉冲曲线；（d）特定圈数时光谱曲线；图9为宽带信号光脉冲在飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大装置中脉冲宽度和光谱宽度变化过程图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置
或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.实施例1：本实施例提供的飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法，包括如下步骤：s1，将种子脉冲δ1（种子脉冲的光谱宽度》7 nm，脉冲能量》1 nj，光谱形状为抛物线型或高斯型，并具有线性的啁啾特性）持续注入频谱整形展宽器200，通过频谱整形展宽器200对所注入的种子脉冲δ1通过频谱整形展宽器200的时域展宽器进行两次时域展宽并在展宽过程中或时域展宽后对展宽信号光通过频谱整形器进行两次频谱整形，使种子脉冲展宽至几百皮秒或纳秒，频谱强度呈两边高、中心低的马鞍形啁啾脉冲δ2；s2，将时域展宽且频谱整形后的马鞍形啁啾脉冲δ2注入自相似再生放大器300的再生放大腔内，在再生放大腔内通过增益晶体和高非线性晶体来回多次逐步放大后，增益晶体的作用使种子脉冲光谱中间部分逐渐凸显，两侧光谱变弱，初始马鞍型光谱与增益窄化作用抵消，使马鞍形啁啾脉冲的频谱强度由马鞍型演变为平坦型后，平坦型啁啾脉冲继续在再生放大腔内通过增益晶体来回多次逐步放大，脉冲峰值功率超过mw量级时，通过高非线性晶体对平坦型啁啾脉冲进行来回多次非线性频谱展宽，信号光以聚焦光斑通过增益介质，规避非线性时频畸变，经透镜准直后再以聚焦光斑通过高非线性介质，增强非线性频谱展宽，直至啁啾脉冲自相似放大达到增益饱和后，输出高能量啁啾脉冲δ3；s3，将增益饱和后的高能量啁啾脉冲δ3注入脉冲压缩器400内，通过脉冲压缩器400对再生放大后的高能量啁啾脉冲δ3进行脉冲压缩后，输出信号光δ4，此时，该信号光δ4的脉冲能量》2 mj，脉冲宽度《100 fs，光谱宽度》15 nm，且重复频率可切换范围在1 khz-200 khz。
23.如图1所示，本实施例中飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法所采用的啁啾脉冲自相似再生放大装置包括：依光路顺序从一侧向另一侧依次设置的宽带种子源100、频谱整形展宽器200、自相似再生放大器300和脉冲压缩器400；所述宽带种子源100用于向频谱整形展宽器200发出种子脉冲；所述频谱整形展宽器200包括时域展宽器210和频谱整形器220，所述时域展宽器210用于将种子脉冲δ1展宽至百皮秒量级甚至纳秒量级，并对脉冲宽度精细调控；所述频谱整形器220用于对种子脉冲δ1进行频谱整形，使展宽后的种子脉冲频谱强度呈两边高、中心低的马鞍形啁啾脉冲δ2。
24.如图2所示，本实施例中的时域展宽器210为基于衍射光栅实现offner型展宽器，包括依光路顺序依次摆放的薄膜偏振片211、法拉第旋光器212、二分之一波片213、衍射光栅214、凹面镜215和凸面镜216，在二分之一波片213和衍射光栅214之间还设有屋脊回射器217以及平面反射镜218，所述屋脊回射器218靠近二分之一波片213设置；所述凹面镜215和
凸面镜216之间、屋脊回射器217和平面反射镜218之间均呈上下交错设置，凸面镜216的曲率半径为凹面镜215曲率半径的一半，且凸面镜216位于凹面镜215焦点位置；所述频谱整形器220为机械式频谱整形器，位于凹面镜215和凸面镜216之间；所述机械式频谱整形器包括一个或多个不透明机械薄片，两个相邻的不透明机械薄片之间具有狭缝。机械式频谱整形器对长条形的衍射光束进行机械遮挡，实现对展宽器输出激光频谱整形。其原理为：offner型时域展宽器中，宽带种子脉冲被光栅衍射和透镜准直，存在准直的长条形衍射光斑，其光斑内频谱成分与其相对位置线性相关。采用单个或多个不同粗细的薄片不透明材料对长条形衍射光斑局部或整块区域进行遮挡，可以实现对展宽脉冲频谱分布和形状的整形。其中，窄薄片光谱整形中，光学衍射对于实现马鞍型的整形光谱是有利的。
25.上述法拉第旋光器212，可以将入射偏振光偏振角度旋转45
°
，配合二分之一波片213和薄膜偏振片211可以实现入射光和出射光的分离和隔离，且可用作光隔离器。
26.所述的衍射光栅214，其透光尺寸为65*25 mm2，刻线周期1740 line/mm，1030 nm波段激光单次通过衍射效率》95%，衍射光栅214放置在距离凹面镜s处（s=500 mm，r1《s《r2）。
27.上述s为衍射光栅与凹面镜之间的距离值，r表示凹面镜或凸面镜的曲率，凸面镜曲率设为r1, 凹面镜曲率设为r2。具体的，本实施例中的凸面镜216的曲率半径（r1=400 mm）为凹面镜215曲率半径(r2=800 mm)的一半，且凸面镜位于凹面镜焦点位置(r/2)，光栅214放置在距离凹面镜s处（s=500 mm，r1《s《r2）。凹面镜和凸面镜组成一个望远系统。
28.具体的，本实施例中频谱整形展宽器200对宽带种子光进行时域展宽和频谱整形，依次获得信号光δ2’和δ2。典型特征为脉冲宽度被展宽至400 ps，携带正的线性啁啾，脉冲形状接近抛物线型。相比δ1能量降低约一半，其他参数保持不变。δ2相比δ2’能量进一步损失，光谱形状被频谱整形器调制为如附图5所示的马鞍型。
29.时域展宽器210的展宽过程如下：种子脉冲δ1通过薄膜偏振片211、法拉第旋光器212、二分之一波片213后入射衍射光栅214。入射光经衍射光栅214光栅衍射后，不同波段激光分别到达凹面镜215。其中，短波方向激光入射到凹面镜215的上边，长波方向激光到达凹面镜215的下边。上述长波和短波经凹面镜215反射后分别抵达凸面镜216，并再次经凹面镜215和凸面镜216反射后重新入射衍射光栅214（在此过程中，长波和短波穿过频谱整形器220时，会对入射光进行频谱整形）。经衍射光栅214光栅衍射后，激光脉冲频率在空间上呈线性分布(空间啁啾)，光斑呈水平长条状并入射屋脊反射镜217再折返至衍射光栅214，然后经凹面镜215、频谱整形器220、凸面镜216、衍射光栅214出射至后平面反射镜218，恢复入射光斑形状，空间啁啾被消除，此为一次展宽和整形过程。
30.在第一次展宽完成后，平面反射镜218将脉冲反射到衍射光栅214光栅衍射，再次经凹面镜215、频谱整形器220、凸面镜216、衍射光栅214、屋脊回射器217、衍射光栅214、凹面镜215、频谱整形器220、凸面镜216、衍射光栅214出射到平面反射镜218，实现二次展宽和整形，使种子脉冲展宽至几百皮秒或纳秒，频谱强度呈两边高、中心低的马鞍形啁啾脉冲δ2。最后，马鞍形啁啾脉冲δ2再经过二分之一波片213、法拉第旋光器212、薄膜偏振片211的线路射出。
31.如图3所示，本实施例中的自相似再生放大器300包括脉冲输入及输出耦合模块和
脉冲再生放大模块，所述脉冲输入及输出耦合模块包括第一薄膜偏振片301、第一二分之一波片302和第一法拉第旋光器303，用于接收频谱整形展宽器所注入的马鞍形啁啾脉冲，并将接收后马鞍形啁啾脉冲注入脉冲再生放大模块；所述第一法拉第旋光器303靠近脉冲再生放大模块设置，第一法拉第旋转器303为磁光晶体器件，偏振光经过后偏振角度旋转45
°
；第一法拉第旋光器303与第一二分之一波片302和第一薄膜偏振片301一起构成一光隔离器，能够实现入射光和出射光的耦合与分离；所述脉冲再生放大模块能够对所注入的马鞍形啁啾脉冲进行来回多次逐步放大，包括依次设置的第一平面反射镜307、普克尔盒306、四分之一波片305、第二薄膜偏振片304、高非线性晶体309、增益晶体312、第二平面反射镜314；所述第二薄膜偏振片304与第一法拉第旋光器303相对设置，第二薄膜偏振片304能够在接收第一法拉第旋光器303的马鞍形啁啾脉冲后，将所述马鞍形啁啾脉冲旋转设定角度后，导入四分之一波片305；在增益晶体312两侧分别设有一第三平凸透镜311和第四平凸透镜313，在高非线性晶体309两侧分别设有第一平凸透镜308和第二平凸透镜310，所述第一平凸透镜308、第二平凸透镜310、第三平凸透镜311、第四平凸透镜313、第一平面反射镜307和第二平面反射镜314一起形成稳定的再生腔；高非线性晶体309置于第一平凸透镜308和第二平凸透镜310所形成的凸透镜组的焦点处，增益晶312体置于第三平凸透镜311和第四平凸透镜313所形成的凸透镜组的焦点处；所述普克尔盒306为四分之一波快速电光器件，在高压（》2kv）工作下，表现为四分之一波片。普克尔盒响应时间（高压信号）上升沿和下降沿均《10 ns。通过控制普克尔盒306的开闭，即能够使得普克尔盒与四分之一波片一起形成光调节器，对偏振光的偏振方向进行调整；进而使得脉冲光在第一平面反射镜和第二平面反射镜之间来回多次逐步放大和来回多次非线性频谱展宽。
32.自相似再生放大器300中所有光学元件工作波段均为1030 nm波段，镀增透或高反膜。再生腔整体腔长为2.2 m。增益晶体312优选为yb:caf2晶体。尺寸为3mm
×
10mm
×
10mm。晶体切割角度为布儒斯特角切割，可以提升晶体损失阈值。镱离子掺杂浓度为3.at%。在976nmld泵浦下，1030 nm信号光可以得到有效增益，实现对信号光的功率放大及能量提升。
33.所述的非线性晶体309选为尺寸为20 mm*20 mm*1.5 mm的二氧化硅薄片，其非线性折射率为n2=3.0x10-20 m2w-1。峰值功率达到mw量级的激光脉冲入射后激发自相位调制效应，实现信号光光谱展宽。非线性晶体309实现自相似再生放大，解决了低非线性固体增益介质中自相似脉冲演化难以实现的问题，为抑制多程再生放大中的增益窄化提供了一种新方法。
34.马鞍形啁啾脉冲δ2注入自相似再生放大器300后的再生放大线路如下：马鞍形啁啾脉冲δ2依次经过第一薄膜偏振片301、第一二分之一波片302和第一法拉第旋光器303后，入射到第二薄膜偏振片304，经第二薄膜偏振片304偏振旋转一定角度后，入射四分之一波片305后，穿过普克尔盒306（普克尔盒处于关闭状态）射向第一平面反射镜307，经第一平面反射镜307反射后，再穿过四分之一波片305后透射过第二薄膜偏振片304，再依次射入第一平凸透镜308、高非线性晶体309、第二平凸透镜310、第三平凸透镜311、增益晶体312、第四平凸透镜313后，到达第二平面反射镜314；此时，打开普克尔盒306，第二平面反射镜314将脉冲按原路返回到第二薄膜偏振片304后，透过第二薄膜偏振片304，经四分之一波片305、
普克尔盒306到达第一平面反射镜307；然后，重复在第一平面反射镜307和第二平面反射镜314之间来回多次放大和来回多次非线性频谱展宽，直至脉冲峰值功率超过mw量级时，信号光以光斑通过增益介质，再以聚焦光斑通过高非线性介质，增强非线性频谱展宽，直至啁啾脉冲自相似放大达到增益饱和后，向脉冲输入及输出耦合模块输出高能量啁啾脉冲；所述脉冲输入及输出耦合模块在接收高能量啁啾脉冲后，将高能量啁啾脉冲注入脉冲压缩器；所述脉冲压缩器用于对再生放大后的高能量啁啾脉冲进行脉冲压缩后，输出信号光。
35.随着循环放大圈数的增加，脉冲能量不断增加，脉冲峰值功率也随之增加。脉冲峰值功率达到mw量级时，激光入射具有高非线性的克尔介质时，会诱发自相位调制、四波混频等非线性效应，导致脉冲光谱展宽。种子光脉冲经时域展宽器210和频谱整形器220后注入自相似再生放大器300中，展宽的脉冲光谱可以有效抑制高能量再生放大过程中的增益窄化，便于后续实现更高质量的脉冲压缩，获得百飞秒以下，甚至少周期量级飞秒脉冲。
36.在上述放大过程中，自相似再生放大过程中，放大圈数《50圈数时（以信号光在第一平面反射镜307和第二平面反射镜314之间往返一次为一圈），信号光经增益晶体后获得冲能量提升，增益作用将马鞍型光谱逐渐调制为平坦光谱，有效抑制增益窄化。但峰值功率仍低于mw量级，信号光通过高非线性介质时，非线性光谱展宽尚不明显。放大圈数》50圈后，信号光脉冲峰值功率达到mw量级，其以相对较大光斑通过增益介质，规避非线性时频畸变，以会聚光束通过高非线性介质，获得非线性频谱展宽，实现自相似脉冲演化。
37.展宽的脉冲光谱可以有效抑制高能量再生放大过程中的增益窄化，便于后续实现更高质量的脉冲压缩，获得百飞秒以下，甚至少周期量级飞秒脉冲。附图6对比了不同形状入射脉冲在自相似再生放大器内脉冲能量和光谱宽度随放大圈数的变化。首先，对于两种不同形状的入射脉冲，其他初始参数一致的情况下，经过70圈的再生放大后，脉冲能量均可提升至近4 mj，放大效率》60 db。放大过程中，脉冲能量随放大圈数呈指数增加，在第70圈附近，出现能量饱和趋势。相比较而言，马鞍型脉冲最后获得的能量略高，更具放大优势。
38.其次，对于放大过程中的增益窄化抑制和自相似光谱展宽而言，本发明文件中提出的马鞍型入射光谱具有明显优势[（见图6 （b）]。入射光谱宽度一致（7 nm）的情况下，入射光谱为高斯型时，放大过程的前57圈，增益窄化效应显著，光谱宽度窄化近1 nm（窄化约14%）。其后，随着放大脉冲能量的增加，非线性效应导致的光谱展宽。70圈放大后，高斯型信号光谱宽度回升至6.5nm。相比较而言，入射光谱形状为马鞍型时，前50圈中，增益窄化效应被明显抑制，光谱宽度由7 nm窄化至约6.8 nm（仅窄化约3%）。而且，随着能量提升，马鞍型入射光谱导致的非线性光谱展宽更为显著，70圈脉冲放大后，光谱展宽至近7.8 nm（光谱展宽约11%）。附图7则展示了高斯型入射脉冲[（a）和（c）]和马鞍型入射脉冲[（b）和（d）]在自相似再生放大器内详细的脉冲演化过程，其中图7（c）中1th-80th脉冲曲线最外侧为1th，从外至内依次为1th、40th、60th、65th、67th；图7（d）1th-80th脉冲曲线最内侧为1th，，从内到外依次为1th、40th、60th、65th、67th。
[0039]
附图8和9所示为一种窄带信号光脉冲入射本发明自相似再生放大器装置脉冲演化过程，其中，图8(c)中的1-80圈脉冲曲线最内侧为1th，由内至外圈数依次增多；图8(d)中的1th-80th光谱曲线也是最内侧为1th，由内至外圈数依次增多。入射信号光脉冲宽度为10 ps，光谱宽度《0.5 nm，脉冲能量为1 nj，中心波长为1030 nm。如图8（a）和（b）所示，脉冲再生放大过程中，随着放大圈数的增加，脉冲能量随之增加。当放大圈数超过60圈后，高峰值
功率脉冲诱导信号光脉冲在自相似再生放大装置中实现自相似放大演化，脉冲宽度和光谱宽度随着放大圈数和能量提升加速展宽。脉冲形状由高斯型逐渐演化成抛物线型[见附图8（c）]，符合自相似脉冲演化的规律。放大80圈后，脉冲宽度展宽至18 ps（1.8倍），光谱宽度展宽至近30 nm（见附图9）。
[0040]
实施例2：本实施例所提供的飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大方法与实施例1相同，区别仅在于频谱整形展宽器200结构和展宽次数不同。本实施例中的飞秒激光啁啾脉冲自相似再生放大装置包括：依光路顺序从一侧向另一侧依次设置的宽带种子源100、频谱整形展宽器200、自相似再生放大器300和脉冲压缩器400。具体来说，本实施例中的宽带种子源100、自相似再生放大器300和脉冲压缩器400均与实施例1相同，区别仅在于频谱整形展宽器200的结构不同。
[0041]
具体来说，本实施例中所提供的频谱整形展宽器200的时域展宽器210为基于啁啾布拉格光栅实现的光纤展宽器，所述频谱整形器220为基于双折射效应实现的光学干涉式滤波整形器；如图4所示，本实施例中的时域展宽器210包括依光路顺序依次设置的光纤环形器201、啁啾光纤布拉格光栅202和光纤准直器203，所述光纤环形器201上间隔设有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口的入射信号光可单向传输至第二端口，第二端口的入射信号光可单向传输至第三端口；啁啾光纤布拉格光栅202的反射带宽为20 nm，反射率》50%，色散系数为50 ps/nm，光纤类型为pm980；光纤准直器203典型特征为工作距离为1 m，可将入射激光准直到自由空间输出。
[0042]
频谱整形器220包括依光路顺序依次设置的第三薄膜偏振片204、双折射介质205和第四薄膜偏振片206，所述双折射介质205为石英晶体，双折射系数b=0.0092，入射激光偏振角度与双折射介质主轴角度呈15
°
；双折射介质205光轴与激光透射偏振轴成一定夹角θ，0
°
《θ《90
°
，双折射介质205形成的lyot滤波器的传输函数如附图5虚线所示。
[0043]
如图5所示，假设种子光中心波长1030 nm，光谱半高全宽为15 nm。经频谱整形后，其输出光谱具有边缘突出，中心凹陷的马鞍型状。
[0044]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。