多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能, 然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、 易耦合和易辐射损耗, 而且导致了布里渊增益谱畸变、 谱宽展宽和布里渊增益峰值降低, 严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。 因此, 研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。 首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究, 并与少模光纤、 单模光纤进行对比。 结果表明： 多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关, 当布里渊散射角不变时, 布里渊频移与模式群编号呈负相关; 当模式群编号不变时, 布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。 相比单模光纤, 少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响, 布里渊增益峰值和布里渊频移较低, 布里渊增益谱较宽。 多模光纤中的高阶模最多, 对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低, 布里渊增益谱最宽。 此外, 分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。 搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统, 通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能, 以评估整形优化程度。 实验结果表明： 提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽, 获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度, 分别为0.974 47和0.987 89。 利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能, 最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。

研究了小角度情况下基于光谱角色散(ASD)方式的非共线光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)实现啁啾激光脉冲频谱整形的方法。详细讨论了角色散率对信号光各频率成分相位失配量、转换效率及放大后频谱分布的影响。当信号光中心波长为800 nm,带宽为20 nm,在532 nm抽运作用下,对耦合波方程组进行了数值模拟。其结果显示:在最佳角色散率情况下,采用ASD方式的光参量放大后,得到了约28 nm带宽的双峰整形频谱。计算结果也表明:角色散率对整体的转换效率以及放大后整形的频谱分布有较大影响,适当调节抽运光与信号光之间的时延可调整放大后信号光频谱的频移。整形后的频谱分布可在一定程度上克服增益窄化、光谱红移等效应。

在基于钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)技术获得拍瓦级输出的激光装置中, 光谱发射截面的不同和饱和放大的影响会使放大光谱产生增益窄化和光谱红移。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中, 尤其在高能量饱和放大时更加严重。基于中国科学院上海光学精密机械研究所5.0 PW激光装置的实验结果, 针对Apollon-10 PW激光装置的光谱控制, 在理论上提出一种基于光-光同步放大的光谱整形技术, 用以抑制高能量放大过程中的光谱红移。该技术基于传统的放大模型, 通过在功放级引入短脉冲抽运, 利用抽运光和啁啾种子光同步放大的方式抑制了光谱的红移。该技术无需引入任何其他光学器件, 也不会引入附加损耗, 操作简单。数值模拟结果表明, 利用该技术可以有效地对放大的光谱进行整形, 抑制了光谱红移效应。

经过正弦相位调制产生的宽带光脉冲在传输放大过程中, 由于光谱成分改变, 会产生调频到调幅(FM-to-AM)的转变, 造成脉冲时域上的强度调制。由于光谱带宽较小(约0.3 nm), 其细微结构难以精确测量。为了控制这种效应, 提出了一种通过波形测量来引导光谱整形的补偿方法。通过测量传输前后的时间波形, 采用G-S迭代解算出整形光谱分布, 利用液晶空间光调制器进行光谱整形, 补偿FM-to-AM效应。通过数值模拟, 对方法的细节进行了改进, 提出了测量仪器的指标要求。结果表明, 在一定传输条件下, 该方法能够有效控制FM-to-AM效应, 解决时域强度调制问题。

为了获得更高功率的输出激光脉冲, 需要将注入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。利用展宽器中啁啾脉冲的光谱具有空间排布的特点, 采用石英晶体平凸透镜空间光强度调制器间接地实现窄带激光脉冲的光谱整形, 在展宽器的输出端获得了光谱呈平顶分布的种子啁啾脉冲。通过调节偏振片的透偏方向, 可方便地调谐输出脉冲光谱的形状。

In order to take full advantage of amplifier gain-bandwidth, and obtain a shorter pulse with higher power in the terminal, it is necessary to conduct a spectrum shaping before the seed pulse being injected into the main amplifier chain to compensate the effect of gain narrowing. A new method, based on the spatial grating with variable line-space for spectrum shaping of chirped laser pulse with the central wavelength at 1053 nm and line width 6 nm, is presented. The rigorous coupled-wave theory is used to analyze the characteristics of grating diffraction, and the results indicate that this method produces no phase distortion. The diffraction efficiency, as a function of the depth and period of groove, incidenct angle, and incident wavelength, is calculated and analyzed, respectively. With proper grating parameters, the spectrum modulation depth from 0.5% to 84% can be achieved.

相位匹配是实现高效光学参变啁啾脉冲放大(OPCPA)能量转换的关键之一, 通过对几种常用非线性晶体的光学参变啁啾脉冲放大过程进行数值模拟研究, 结果表明一定程度的相位失配不但能增加光学参变啁啾脉冲放大增益带宽, 而且会使啁啾脉冲光谱强度分布中间凹陷。提出利用光学参变啁啾脉冲放大相位失配放大作为啁啾脉冲频谱整形的新方法, 通过理论分析和模拟计算, 找到了光学参变啁啾脉冲放大相位失配啁啾脉冲频谱整形效果的控制量;并对几种常用非线性晶体在简并、近简并、非简并等条件下的光学参变啁啾脉冲放大相位失配放大特性进行了比较。

为了充分利用放大介质的增益带宽, 获得脉宽更短, 功率更高的输出脉冲, 需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053 nm, 谱宽6 nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性, 发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响, 通过选取适当的光栅参量可获得0.5%～84%的光谱调制深度。

报道了在10 Hz飞秒再生放大超快激光系统中,运用可编程声光色散滤波器(AOPDF)对注入再生放大的种子光进行频谱整形和色散预补偿,使钛宝石激光系统输出光脉冲谱线半峰全宽由原来的38 nm展宽到66 nm,压缩后输出脉冲宽度从35 fs减小到20 fs。实验结果表明,利用可编程声光色散滤波器能够同时独立进行光谱整形和大范围内色散补偿的特性,可以有效抑制啁啾脉冲放大过程中存在的谱线增益窄化效应,补偿钛宝石激光系统中存在的残留色散。这为进一步研制小于20 fs, 10 TW量级钛宝石激光系统奠定了基础。