飞秒光纤激光器具有良好的光束质量与稳定性,被广泛应用于精细材料加工行业。目前工业化光纤飞秒激光器主要是通过啁啾脉冲放大系统的多级放大来实现其高功率,可是多级放大过程会导致严重的增益窄化效应,限制最终的压缩脉冲宽度。为了解决增益窄化问题,缩短脉冲宽度,提高峰值功率,达到更好的“冷”加工效果,提出一种基于空间光调制器的光谱整形系统,通过加载到空间光调制器上的灰度图,产生中心凹陷、平顶等特殊光谱形状,放大后的光谱宽度与初始的种子源保持一致。与未加光谱调制相比,光谱调制后的光谱宽度从7 nm提高到9.5 nm,对应的极限脉宽从222 fs减少到164 fs左右。最后通过透射式光栅对压缩,得到了平均功率为1.3 W的飞秒激光输出,采用高斯拟合的方式测量脉冲,脉冲宽度为170 fs,接近转换极限脉冲。

A picosecond pump laser is demonstrated for short pulse optical parametric amplification. An all fiber mode-lock laser pulse with 6 nm bandwidth, 12.4 ps duration and nJ energy is amplified by a solid state amplifier. Amplified laser pulses with 6.2 mJ single pulse energy, 8.6 ps pulse width, 1053 nm wavelength are obtained. After frequency doubling, laser pulses with 3.0 mJ energy and 4.94 GW/cm2 intensity are achieved. A high gain Nd3+YLF regenerative amplifier is used as the first stage amplifier to generate narrow-band high power laser by taking advantage of the gain narrowing effect, and a bandwidth of 0.3 nm is obtained in theory. The output laser beam shows a top flat profile with excellent beam shaping. 1% (RMS) fluctuation is achieved by the stable regenerative amplifier which employs a three-steel-rod structure to mount the cavity.

利用现有窄带激光传输模拟软件SG99和宽带激光传输模拟软件CPAP，以及自编的一维光脉冲传输放大的逆算程序，评估了原型装置在主放基本结构不动的情况下激光脉冲由窄带改为宽带，实现数十nm宽带条件数kJ的输出能力。宽带下增益窄化效应显现，对光谱增益窄化补偿也进行了研究。结果表明，为了补偿增益窄化效应，在3 J主放注入能量下通过对光谱整形可满足系统2000~3000 J的输出，但损失约40%的注入能量。考虑到这一因素，预放级至少要有5 J的输出能力。研究结果指导了数十nm宽带倍频激光驱动实验系统研制实施方案。

建立了光参量啁啾脉冲传输放大(OPCPA)的物理模型，采用分步傅里叶算法编写了三维OPA+CPA 数值模拟程序，利用该程序可以研究OPCPA 系统中的能量放大、增益窄化、自相位调制、空间自聚焦以及脉冲的时间信噪比等问题，对OPCPA 系统进行优化设计。利用该程序对神光II 第九路拍瓦升级系统(SG-II-U-PW)进行了数值模拟研究，计算结果表明，第九路光路无需作太大改动即可满足拍瓦升级指标，并提出了第九路主放大链的两种运行方案。三维OPA+CPA 模拟程序经过简单修改后也可以对飞秒(fs)OPCPA 系统、以及未来峰值功率为exawatt 级(1018 W)的激光系统进行优化设计。

结合短脉冲光参量放大抽运源的需求，基于固体放大技术，对光纤锁模激光器输出的6 nm带宽皮秒纳焦耳级激光脉冲进行放大，获得了6.2 mJ的基频以及3.0 mJ的倍频输出，输出脉冲的时间宽度为8.6 ps，倍频光峰值功率密度为4.94 GW/cm2。采用高增益的Nd3+YLF再生放大器做前级放大器，利用其光谱增益窄化效应获得窄带的高功率光参量放大抽运光。理论计算表明，在此增益条件下，输出激光的光谱将被窄化至0.3 nm。采取了合理的空间整形方案，输出激光的近场呈平顶分布，光束质量优良。再生放大器采用钢棒结构，降低温度变化对系统稳定性的影响，总能量输出稳定性优于1%(RMS)。

利用低温工作状态下Yb∶YAG再生放大器，对1030 nm光纤锁模激光器输出的250 pJ的种子光进行放大。电光开关门宽控制种子光在放大器内20程往返，最大单脉冲能量为217 μJ，输出频率10 Hz，同时由于其增益窄化效应光谱宽度由8.9 nm减小到0.3 nm，相应的脉宽由18.0 ps被压缩到5.5 ps，这与理论模拟结果的0.4 nm，4.2 ps基本吻合。实验结果论证了采用窄增益带宽的再生放大器可以同时实现亚皮秒光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)对抽运脉冲宽度和光谱宽度的要求，避免使用光纤光栅对光谱滤波带来的高阶非线性效应。

为了在光参量啁啾脉冲放大系统中获得百飞秒脉冲，需要对注入种子啁啾脉冲进行光谱整形来补偿增益窄化、增益饱和以及自相位调制。利用时域整形的抽运光在参量耦合过程中对注入超高斯啁啾种子光进行任意光谱整形是一种新型的光谱整形方法，与在参量作用之前对种子光的光谱整形进行对比，它不会引入光谱相位调制，而且光谱整形和能量放大可以同时进行，通过数值模拟可知两种方案对于注入抽运光和种子光的稳定性要求基本相同。为了保证参量作用后的信号光的能量抖动优于±5%，对于抽运光来说，其峰值光强变化必须控制在±1%以下，而对于输入的种子光光强可以控制在±3%以下。

通过研究光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程增益谱随抽运光中心波长的变化,提出了啁啾匹配OPCPA方法。以KDP晶体为例,研究了啁啾匹配与啁啾非匹配两种OPCPA方式的信号光时域和频域特性,以及放大前后脉冲时间波形和频谱形状的变化等。结果表明,非啁啾匹配时,将出现明显的增益窄化现象;而采用啁啾匹配的方法可以大大增加增益谱宽,从而不会出现增益窄化现象。

采用复数波数定义和衍射积分方法，研究了啁啾高斯脉冲在增益色散介质中的传输特性，给出了介质增益谱为洛仑兹分布时的频谱分布以及时空分布的传输解析公式，详细分析了传输过程中光场的频谱和时空分布、脉宽和频谱变化以及谱移等特性。结果表明，啁啾高斯光束在介质中传输时其时间波形仍保持高斯分布不变，但在传输过程中其脉宽会发生变化。在传输过程中，啁啾参量会影响谱宽的减小程度以及谱移的幅度。啁啾参量越大，脉宽展宽和谱宽压窄的效果越明显，同时，随着传输距离的增大，光谱谱移也越明显。对于给定的啁啾参量，随着传输距离的增大，谱移将最终趋于一恒定值。

在千焦耳拍瓦高功率放大系统设计中, 激光脉冲的时空和光谱整形技术一直受到人们的广泛关注。利用经光学微纳超精细加工而成的电介质结构反射镜可在高功率条件下实现啁啾脉冲的光谱整形。在光谱整形介质结构反射镜的设计与制造中, 需要根据加工精度来合理设计数控加工的控制结构函数以及加工刻蚀深度结构函数。针对神光Ⅱ千焦耳拍瓦高功率放大系统设计中提出的多层介质光谱调制反射镜, 推导出数控加工的控制结构函数及其刻蚀深度结构函数, 并通过数值模拟计算, 分析了调制结构反射镜逼近调制函数的效果及其光谱调制特性。