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1、1.1宽带激光脉冲的概念1.1.1 光脉冲“带宽”的理论判据在研究宽带激光脉冲传输理论之前，首先应界定激光脉冲“宽带”的范畴。在理论研究方面，脉冲“宽带”的判据与激光中心波长1和增益介质AA的线宽有 关，便于在理论研究中采取不同的近似条件，满足相关研究目标的基本要求；而 实际应用中，由于主要物理目标的不同要求以及相关技术的限制，脉冲“宽带” 的判据往往与应用目标以及所采取的主要技术途径有关系。因此，合理地分划激 光脉冲带宽的范围，无论是对理论研究，还是实际应用都是必要的。从光脉冲传输的角度出发，脉冲“带宽”可用下式作为理论判据p = AX / 九0(1-1)其中AA和久0分别为激光脉冲的带宽与
2、中心波长。当前，高功率激光驱动器常用的 两种激光介质分别是Ti:Sa和钕玻璃。*对钛宝石，最大带宽约80nm/800nm=10%,目前达到40nm/800nm=5%；*对钕玻璃，最大带宽约20nm/1000nm=2%,目前达至到5nm/1000nm0.5%o显然，这两种介质都还在pV1和pvvl范围，在理论上称不上真正的宽带，但 与常规的准单色光相比，又相当宽了。另外，对单周期激光脉冲，则p 1甚至1， 不同档次的p，理论处理方法不同。1.1.2 激光脉冲“带宽”的划分为了讨论问题的方便，以应用目标为牵引，结合上面理论判据，可将激光脉 冲的带宽分为以下五个层次23：“窄带”脉冲：久SO.ln口
3、，或厶v10kHz，如单纵模激光脉冲。(2)“准宽带”脉冲：0.1nm0.3nm，三倍频调谐宽度受限，主要目的是为 在装置高强度运行条件下，抑制大口径光学元件内部的横向非线性效应。“宽带”脉冲：0.3nm九1.2nm，主要目的是与其它技术手段配合，提高 光束靶面束平滑的程度；为了解决三倍频调谐宽度受限的问题，可采用双混频晶 体的技术方案，将调谐宽度提咼至1.2nm。(4) “大宽带”脉冲：1 nm九10nm主要目的是与其它技术配合，充分利用 宽带脉冲传输Fresne 1衍射效应较弱的特性，提高光束近场分布的均匀性，降低光 束“高频噪音”，为提高装置负载能力奠定基础。(5) “极宽带”脉冲：例如
4、，单周期脉冲，此时脉冲的光学延迟(习惯上用半高 全宽或者1/e高度时的宽度来度量)等于脉冲中心频率的振荡周期。单周期激光脉 冲的时间宽度一般为数fs级，如对波长为1 OOOnm的激光脉冲，其光学周期为：九 1000 x 10-9 mT =3.3 3 fs0 c 3x108m /s显然，上述带宽的划分带有人为的痕迹，仅有“极宽带”脉冲属于理论意义上的 宽带，而“宽带”、“大宽带”脉冲在理论上仍属于“窄带”范畴，但在实际中， 已是较宽的带宽了。这样划分有助于在完善理论框架的基础上，对不同的应用目 标，采用合理的近似条件加以解决。另外，在技术与工程上要求实现所谓的“宽 带”或“大宽带”脉冲传输放大，
5、同样具有相当大难度，尚有许多关键技术必须 解决。1.1.3 宽频带激光脉冲的电场表达形式1.1.3.1 电场表达式及参数定义在大多数情况下，激光电场可用包络函数表达E (r,t)= Eq (r ) f (t)exp i (t) ex p i t - k z )(1-2)其中各项的物理意义为1. exp-i0t-kz)代表一个沿z方向传输、中心频率为的平面波；2. E0(r)是电场振幅在横截面上的空间分布。简单情况下可假定为均匀分布， 即: E0(r)= E0 (常数)。较接近实际光束的分布是超高斯分布，即： E0(r)=exp-(r/a)n， n 是超高斯的阶数，在激光驱动器的设计中，一般取
6、n=6。 a 是和光束口径相关的一个常数；3. f(t)是光脉冲的时间波形，常用的波形有二种，一是方波，即f(t)=常数。二是高斯波，即f(t)=exp(-t2/2T2), T是光强降落到峰值1/e处的脉冲半宽度，跟常用的脉冲半咼全宽的关系为T= 2：ln2T ；FWHM4. 反映宽频带性质的是expW(t)项。它描述了频率随时间改变的特性(称 为“频率啁啾”，光脉冲持续时间内的瞬时频率为 (t) = -舛/at。01 . 1 .3.2线性啁啾的脉冲的带宽有多种形式的频率啁啾，如抛物型、高斯形等。理论分析中可采用一种最简 单的形式线性啁啾： (t) = st 2/2 T 2，此时，瞬时频率随时
7、间线性变化。其 中 S 是无量纲常数，代表频率变化的速率。对线性啁啾的高斯脉冲，E (t) = exp - (1 - is )(1-3)2 T 2其频谱宽度可由它的 Fourier 变换导出，得到2冗T 2E ( ) =ex p1 iS2(1 iS )(1-4)从量纲可判断E(o)是谱密度。如果将平面波因子expi(e0-k0z)包含在原函数表 达式中，则 Fourier 变换为2 n T 2E (o ) =ex p1 iS(o o )2 T 202(1 iS)ex p(-ik z )0(1-5)对应的光强功率谱密度为E (o)2 n T 2exp1 + S 2(o o )2 T 201 +
8、S 2(1-6)式中，频率是时间函数，因此，将瞬时频率的表达式o (t) = o St /T 2代入上式, 0则有光强随时间的变化波形I(o (t) x1 + S 2ex pT 2(1 + S 2)(1-7)(1-8)(1-9)=2 Jin 2WeA九 2nAo其中，九20久0是激光中心波长，c是光速。由此得到用波长表示的光谱宽度为-4 nJ In 2 九 1 + S 20cTA九FWHM(1-10)(1-11)可见，光强随时间的变化波形也是高斯形的。由(1-6)式，光谱强度下降到 1/e 处 的频率谱半宽度W为1 + S 2W =-e光谱强度的半极大全宽为AoFWHM实验上，光谱宽度常常以波长为单位来表示，两者关系为脉冲的带宽为光谱宽度的 2倍，可见线性啁啾的脉冲的带宽受到线性啁啾系数 S 的控制。
