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超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性

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超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性

束庆珍

（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）

指导教师：

致谢

这篇文章我可以顺利的完成首先我要感谢我的导师，尤老师。

他在百忙之中抽出时间指导我完成这篇论文。

从查找资料，到开题报告的编写，再到论文初稿二稿及以后的几次修改，他都做出了仔细的辅导。

最费心的时我们的论文格式千奇百怪，尤老师不辞辛劳把格式发给我们，指导我们认真修改格式。

在此我由衷的感谢有老师的指导和无私奉献。

其次我要感谢培养我的安庆师范学院，是安庆师范学院这片沃土哺育了我饥渴的求知味蕾。

安师院环境优美，环山傍水，给我提供了安静舒适的生活学习环境。

在这安静和谐的环境里我方可静下心来潜心学习课本文化知识。

安师院教学设施完备，师资力量雄厚，这给我知之带来了方便。

再次我要感谢陪伴我的同学朋友，是他们在我困顿迷茫之时，给我帮助，给我安慰，让我积极的面对生活中的烦恼与挑战。

是他们的陪伴让我的青春温暖并快乐着。

最后我要感谢我的衣食父母，是他们给了我宝贵的生命，给了我学习的机会让我成为一个有思想，有理想有报复，会思考的文化人。

给了我一个舞台，为我撑起了一片天，铺下了一条路，让我成长学习，快乐地享受着生命。

我会好好努力，不辜负所有。

本文研究了超短脉冲在介质中传输的基本理论知识，进而更深一步的了解探究超短脉冲在介质中传输时所引起的一些非线性效应，主要是研究自相位调制效应以及群速度色散效应以及啁啾对脉宽和光谱特性在传输过程中的影响。

通过实验，研究一些非线性效应的影响下超短脉冲的脉宽和光普特性是如何展宽和压缩的。

传输特性取决于最近的色散长度Ld和非线性长度Lnl。

Ld和Lnl是激光在介质中

传播时，脉冲宽度的演变量。

用Ld和Lnl可以衡量在传输过程中，群速度色散效应（GVD和自相位调

制效应，哪个影响占主导地位。

群速度色散效应（GVD）引起的脉冲展宽对脉冲沿的陡度是十分敏感的，

自相位调制效应（SPM）主要影响脉冲的频谱。

关键词：

群速度色散，自相位调制，脉宽压缩

Pulsewidthandspectralcharacteristicsintheprocessofamplificationofultrashortlaser

pulse

ShuQingzhen

（SchoolofPhysicsandElectricalEngineeringofAnqingNormalCollege,Anqing246011）

Abstract

Pulse,laserhasdevelopedintoaprosperousfrontscientific.Thispaperstudiesthebasictheoryofknowledgeintheultrashortpulsetransmissionmedium.Soandadeeperunderstandingofsomenonlineareffectcausedbyultrashortpulsetransmissioninthemedium.Itsmainlytostudytheself-phasemodulation（SPM）andgroupvelocity（GVD）andtheeffectofthechirp.Tostudiestheseeffectsonthepulsewidthandspectralcharacteristicsintheamplicationandpropagationprocess.Studiesonsomenonlineareffectsbyexperiment,toknowhowthewidthofultrashortpulsebroadeningandcompressionintheprocess.Transmissionpropertiesmainlydependedonthedispersionlengthandnonlinearlength.Thedispersionlengthandnonlinearlengthoflaserpropagationinamediumamontofpulsewidthevolution.Thedispersionlengthandnonlinearlengthcandeterminethegroupvelocitydispersion（GVD）andselfphasemodulation（SPM）effectwhichoccupiesthedominantposition.Pulsebroadeningcausedbygroupvelocitydispersiononthepulseedgeisverysensitive,Sincethemaineffectofpulsedphasemodulationeffect.

KEYWORDS:

gvd,spm,pulsecompression

超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性1

致谢2

摘要3

Abstract4

目录错误！

未定义书签。

1.引言6

1.1研究的意义7

2.激光脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性8

2.1超短脉冲传输的基本理论知识8

2.1.1脉冲宽度和光谱宽度8

2.1.2光脉冲电场的表示8

2.1.3光脉冲传输的方程8

2.2超短脉冲激光在传输和放大过程中的自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应（GVD）对脉

宽和光谱的影响9

2.2.1自相位调制效应和群速度色散效应9

2.2.2SPM与GVD在超短脉冲激光在放大过程中对脉宽和光谱特性的影响。

....10

3.结论11

主要参考文献：

12

1.引言

这几年以来，随着科学技术的发展，及我国综合国力的提高，对超短脉冲激光的研究，已经进入了一个全新的领域。

脉宽已经达到几个光学周期周期的水平。

其应用广泛，是许多研究的重要工具。

超短脉冲激光成了科学世界的前沿话题。

研究超短激光在其传输以及放大过程中由放大器窗镜引起的自相位调制效应以及群速度色散等非线性效应对激光脉冲的脉宽带宽及光谱的影响。

从而可以根据研究找出这些非线性效应对脉宽及光谱的影响机制，采取对应的科技手段，按人类及研究的需要。

对超短脉冲激光进行人为的压缩和放大，服务人类，因此这项研究具有深远的意义。

超短脉冲激光在其传输过程和放大过程中，当其在介质中传播时，会有一些非线性效应发生。

如自相位调制及群速度色散效应。

这两种非线性效应，会使超短脉冲激光的光谱产生压缩或放大的效果。

因此对超短脉冲的激光的真实性会产生影响，因此不便于研究其真实性。

为了更好准确地研究超短脉冲激光，我们要人为地消除一些非线性效应对脉宽及光谱的影响。

通过多年的光科学探究、分析、及推导，得出了实验条件对光谱和脉宽真实性的影响，以便在今后实验条件的控制减弱非线性效应的影响。

实验室一般采用棱镜介质减弱非线性效应，对脉宽进行压缩和放大。

对过实验研究我们得出结论。

在放大的过程，自相位调制与群速度色散效应对脉宽的展宽程度有相加强的作用，有些非线性效应，如介质的增益和窄化效应，以及SPM效应，对超短脉冲激

光的输出带宽的影响很小。

由于可以引入啁啾补偿，所以对超短脉冲激光脉宽进行压缩和放大是可行的，这也为该论题的研究提供理论基础。

1.1研究的意义：

在介绍研究意义之前，首先让我们来认识一下什么样的脉冲激光叫做超短脉冲激光。

一般来说脉宽小于（1ps=10-12s）量级的脉冲叫做超短脉冲激光。

又因为超短脉冲激光在放大过程易产生一些非线性效应，如自相位调制（SPM）效应，各群速度色散效应（GVD），这些效应可以

引起超短脉冲激光的脉宽和带宽的大小。

因此我们可以通过研究该论题，得出非线性效应影响超短脉冲激光在放大过程中脉宽和光谱特性的机制，近而可以得出结论。

以便今后可以通过人为的改变实验条件，来减小超短脉冲激光在介质中传输时非线性效应如SPM和GVD对脉宽和光谱特

性的影响。

从而可以将超短脉冲激光可以在人类的控制下得到最大的应用和利用，从而可以更好地服务于人类。

例如人类已经通过研究得到了一种宽带掺钡宝石激光晶体。

这使得超短脉冲激光得到了迅速的发展。

对超短脉冲的研究从古到今，超短脉冲在带宽上可以小于4fs（1fs=10-15s）。

这使得激光

脉冲的峰值功率很大很大，这样的光波的光强很大。

因此可以通过对超短脉冲激光的研究我们可以得到高功率，高光强，高能量的激光。

这便人类获得了高能光源成为可能。

这种超高功率，超高聚焦光强的激光是探索在十分特别条件下物质行为的重大科学研究的基本手段。

通过CPA核心

技术，这使得建造峰值功率>1PWCPA的装置技术日趋成熟。

从便用此装置在将来更好地服务于人类。

由此可见对超短脉冲激光放大过程中，脉宽和光谱特性在前人的研究上更加深一步的研究，人类必会了解，发现探索出更加惊人的成果，服务于人，加深人类对超短脉冲激光的本质认识。

2.激光脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性

2.1超短脉冲传输的基本理论知识

在介绍超短脉冲激光在介质中传输的基本理论知识之前，让我先认识一下什么叫超短脉冲激光的脉冲宽度和光谱宽度。

让我们来了解一下这两个概念是否表示同一物理量的区别，二者的区别空间在哪里呢？

以及与超短脉冲激光相关的物理量，如光脉冲电场的表示及含义等等。

2.1.1脉冲宽度和光谱宽度

在物理学中，光脉冲宽度rp定义为光脉冲强度分布最大值1/2的全宽度（FWHM）,而光脉

冲的光谱宽度△Wp则定义为光脉冲强度分布的全宽度即（FWHM）。

同样，对光脉冲宽度和光谱

宽度可以有不同的定义。

光脉冲宽度可以有另一种定义：

脉冲宽度T为脉冲强度分布最大值1/2

的1/e,而光谱宽度△W为光谱强度最大值的1/2的1/e倍。

由于光脉冲电场的时间和光谱特性可以通过傅里叶变换，找到两者之间的关系。

即光脉冲和光谱特性可以通过傅里叶变换彼此相关

的。

因此光谱宽度和脉冲宽度不可以单独变化的。

光谱宽度和脉冲宽度满足关系：

丁：

___二

（1）

一：

_...-

（2）

式中Cb=0.441,To=-p/；\%］.；-：

（对高斯波形分布）

2.1.2光脉冲电场的表示

电磁场光波及电磁波可以用电场随时间和空间的变化来完全表示出来。

光波电场则可以表示为:

■y-,t）—r丄丫二〕-：

VL（3）

以上是光波电场的向量表示，光波电场同样可以用复数的形式表示出来，

"-■--（4）

用复数电场表示的电场包络可以表示为

传讥］-（5）

用上式电场包络的表达式，我们可以看出，它的幅值为呼:

坨，由于斶和：

〕：

含时间t，因此我们可以看

出幅值为时间t的函数，不是恒定值，是随时间t时刻变化的；向量•为横轴x方向振动光的单位矢量。

：

報⑪］是与时间t有关的相位，密:

为载频频率。

瞬时频率

=O|+—

■I'■,载频则应修正为

（7）

-=f（t）表示频率随时间t的变化；是t的函数，则与此种光电场对应的光脉冲叫做啁啾脉冲。

这

里我们便引入了一个新的概念。

啁啾有正负之分。

负啁啾定义为.:

:

応讣'「；：

；正啁啾时—?

.■'-这在下面超短脉冲激光在介质中传输时的非线性效应里还要介绍啁啾方面的知识。

2.1.3光脉冲传输的方程

光脉冲的传输，实际上就是光这种物质在介质中的运动。

我们知道，物体的运动都具有一定的运动规律，不管是什么形式的运动，人们的智慧则可以总结规律得到更一般的运动方程。

以便可以根据运动方程一目了然地概括出物体做运动的性质及规律。

在这里我们主要介绍下光脉冲传输的方程。

光脉冲在介质中的传输，由于光脉冲也是一种电磁信号，所以光脉冲在介质中的传输遵从麦克斯韦方程；又因为光也是由物质粒子构成的，所以光脉冲在介质中的传输遵循物质方程。

2.2超短脉冲激光在传输和放大过程中的自相位调制效应（SPM和群速度色散效应（GVD对脉宽和光谱的影响

2.2.1自相位调制效应和群速度色散效应

自相位调制效应：

”在时域内，光场较强时介质的折射率将随光场幅度变化这种变化将又通过介质的传输常数转化为传输相位随光场幅度的变化，由于光在介质中传输时光场的幅度将会不停地变化，与此同时自然会引起传输相位的调制变化。

这现象在光学中叫做自相位调制效应。

简称SPM.”（王中

阳，1997,24（8）:

715〜720）

群速度色散效应：

”光脉冲在介质中传输时，介质的色散作用不冋频率的波脉冲将以不冋的群速度传

输，这种现象叫做群速度色散效应。

简称GVD.”王中阳，1997,24（8）:

715〜720）

2.2.2SPM与GVD在超短脉冲激光在放大过程中对脉宽和光谱特性的影响。

线性传输的群速度色散效应。

绝大多数介质在超短脉冲时间大小尺度时开始显示出群速度色散效应。

女口1cm的光学玻璃将使100fs的脉冲色散展宽约200fs。

而对于更短周期量级的超短脉冲，气体的色散也必须被计及，如3m的空气将使5fs的被展宽约为15fs;群速度色散效应（GVD）,会展宽脉宽。

当色散长度Ld远远地长于介质长度L及非线性长度Lnn时，也就是当脉冲的宽度较宽的时候，结果影响正是如上讨论。

当脉冲变窄，并且其色散长度可与介质的长度相比较差不多的时候，脉冲在介质中的变化，就要考虑自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应（GVD）之间的相互作用。

由于放

大器窗镜折射率随光强的变化将会导致自相位调制效应（SPM）自相位调制效应，会使光谱宽度变

宽，且会使光谱产生一定大小的相移。

自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应会相互作用，会加

速超短脉冲激光的展宽快慢。

GVD与SPM之间的相互作用会引起超短脉冲激光的一新的特点。

色散长度Ld和非线性长度Lnl。

Ld和Lnl是超短脉冲激光在介质中传播时，脉冲宽度的演变量。

用Ld和Lnl可以衡量在传输过程中。

群速度色散效应（GVD）和自相位调制效应，哪个影响占主导地位。

如果是在反常的色散区域。

那么群速度色散效应和自相位调制效应的相互作用将会导致形成抓

子；如果是在正常的色散区域，则自相位调制效应（SPM）及群速度色散效应（GVD）的相互作用则

可以压缩光谱的宽度。

现在我们同时讨论自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应（GVD）的作用

（8）

情况下，讨论这两种非线性效应对脉宽和光谱的影响。

一般有如下公式成立,）空_-^2e-az|u|2u

上式中_分别为归一化长度变量和时间的变量。

-1一_=m--1；■--（9）

从上面的议程我们可以看出N决定着在超短脉冲激光传播及演化的过程中，自相位调制效应和群速度色散效应，哪个效应起作用呢？

这主要由量N决定的：

当N《1时，群速度色散效应起主要作

用。

当N》1时，自相位调制效应起主要作用。

当N：

1时，群速度色散效应和自相位调制效应将会同

时起作用。

群速度色散效应和自相位调制效应的相互作用，将会与群速度色散效应及自相位调制效应的单独作用进的行为存在明显的不同及区别。

在正常的色散介质中，SPM的存在作用加速了仅有自想

念调制SPM时，对脉宽宽度的展宽效果。

原因就在于自相位调制效应SPM作用产生脉冲前沿附近的

红移效果。

而在脉冲的后端沿附近将产生蓝移的现象。

红移分量比蓝移分量传输的快。

这样自相位调制SPM效应引起的新的频率将会被群速度色散效应弥散。

下面主演研究一下高阶群速度色散导致脉冲的展宽。

在很多情况下，往往研究低阶色散引起的群速度色散对高斯及类高斯脉冲宽度的影响，但是对于

某些色散波长，非线性光学晶体存在零色散。

即在Ld附近有低阶色散加忙，则高阶色散「对群速

度的色散占主导地位。

即阶级较小一近似为零的时候，高阶级的色散一是引起色散的主要原因。

对于脉冲宽度小于100fs的超短脉冲，即使在•矗出倉的情况下，也需要考虑高阶色散「的影响。

同

时考虑到二阶一以及二阶一作用，同时忽略介质的非线性作用时，超短脉冲在介质的传播波方程为:

.胁1,i

「一；（10）

又由傅里叶变换可得到：

■--；■■-……■:

L-■,（11）

式中的

一-「一一..一（12）

是z=0处入射光脉冲的的傅里叶变换。

由上式可以看出得出结论：

超短脉冲在介质中的传输特性取

决于群速度色散参量［--2，p3,又因为斤2，p3取决于波长；为了比较高阶色散对超短脉冲传输过程中的作用的大小。

则根据低阶色散长度Ld定义了高阶色散时的作用长度。

高阶色散项的作用，高斯脉冲的对

称性将被破坏，出现了边频振荡，在连续振荡结构中强度最小值将会消失减到零。

当时，这种振荡将明显的减弱。

振荡结构将几乎消失但脉冲会出现了拖尾现象，即有了更长的后沿。

当.2进一步增大时

由于高阶色散的作用将逐渐减弱，脉冲将保持高斯形不变。

3.结论

总之群速度色散效应（GVD）引起的脉冲展宽对脉冲沿的陡度是十分敏感的。

有较短前后沿的超短脉冲在传输过程中更容易展宽。

因为这种脉冲在开始就有较宽的谱款。

在群速度色散中低阶群速度色散起主要作用，但是这并不代表着高阶色散就不会对脉冲产生影响，高阶色散对超短脉冲脉宽的影响因子与传输距离和色散距离有线性变化的关系。

（SPM）

自相位调制效应（SPM）主要影响脉冲的频谱。

其实在超短脉冲传播的时候，自相位调制效应与群速度色散效应（GVD）是同时存在的，不是单独对脉冲进行作用的。

在超短脉冲传输的时候啁啾也是影响脉冲传输特性的主要因素。

在这里我们主要研究了SPM与GVD两个效应的作用效果。

主要参考文献：

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等2003物理学报52362]

【2].DorrerC1999Opt.Lett.241532

【3].DorrerC丄onderoPandWalmsleyIA2001Opt.Lett.261510

【4].YangHetal2001ActaPhys.Sin.501930（inChinese）[杨辉

等2001物理学报501930]

【5].YangLetal2003Chin.Phys.12886

【6].C.P.Huang,H.C.kapteyn,J.W.Melntoshetal.Generationof

transform-Limmited32-fspulsesfroma

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【7].王中阳，张正泉，徐至展.脉冲光束在均匀色散介质中的传播.中国激光，1997,

24（8）:

715〜720

【8].王菊霞.超短激光脉冲压缩机理探析.渭南师专学报（自然科学版），1997,

12

（2）:

4〜6

【9].J.M.Jacobson,K.Naganuma,H.A.Hausetal,Femtosecond

pulsegenerationinlaserbyusingsecond—

andthird—orderintracavitydispersion.Opt.Lett.,1992,17（22）:

1608

【10].赵尚弘，王屹山，陈国夫等.飞秒激光啁啾脉冲放大中脉冲展宽技术的研究.飞秒激光技术

与超快过程研究

第一章项目基本情况错误！

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一、项目情况说明错误！

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二、可行性研究的依据错误！

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第二章项目建设的必要性与可行性错误！

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一、项目建设背景错误！

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二、项目建设的必要性错误！

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三、项目建设的可行性错误！

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第三章市场供求分析及预测错误！

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一、项目区生猪养殖和养殖粪污的利用现状•……错误！

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二、禽畜粪污产量、沼气及沼肥产量调查与分析错误！

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三、项目产品市场前景分析20

第四章项目承担单位的基本情况错误！

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一、养殖场概况错误！

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二、资产状况错误！

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三、经营状况错误！

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第五章项目地点选择分析错误！

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一、选址原则错误！

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二、项目选点错误！

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三、项目区建设条件错误！

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第六章工艺技术方案分析错误！

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一、污水处理模式的选择错误！

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二、处理工艺的选择错误！

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三、项目工艺流程错误！

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四、主要技术参数错误！

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五、主要设备选型错误！

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第七章项目建设目标错误！

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一、项目建设目标错误！

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二、项目建设规模错误！

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第八章项目建设内容错误！

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一、建安工程错误！

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二、仪器设备错误！

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第九章投资估算和资金筹措错误！

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一、投资估算的范围错误！

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二、投资估算的依据错误！

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三、投资估算错误！

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四、资金使用计划错误！

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五、资金筹措错误！

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第十章建设期限和实施进度安排错误！

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一、项目建设期限错误！

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二、项目实施进度安排错误！

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第十一章土地、规划和环保错误！

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一、土地与规划错误！

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二、环境保护错误！

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三、安全防护错误！

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第十二章项目组织管理与运行错误！

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错误！

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一、项目建设组织管理

二、项目建成后运行管理错误！

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三、项目运行费用错误！

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第十三章效益分析与风险评价错误！

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一、经济效益分析

二、项目风险评价

三、生态效益

四、社会效益

五、附表•……

错误！

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错误！

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错误！

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错误！

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错误！

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错误！

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第十四章招标方案

一、编制依据

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二、招标范围

错误！

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三、招标方式

错误！

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四、招标组织形式

错误！

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有关证明材料及附件

错误！

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