CN109066282B - 一种实现超强脉冲输出的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光领域，具体涉及的是一种利用脉冲放大技术，在极小的谐振腔内控制完成脉冲序列的放大，以获得超强脉冲的装置及方法。一种实现超强脉冲输出的装置，包括：输出镜、第一电光开关、反射腔、第二电光开关以及超强脉冲接收装置，一种实现超强脉冲输出的方法，包括以下步骤：(1)根据输出镜得到的脉冲通过电光开关进入到反射腔中，得到脉冲电场E_q(z,t)；(2)根据脉冲电场E_q，通过反射腔与第二电光开关后，得到输出光强I_m。进入反射腔的脉冲合成光强分量为单个脉冲光强的4倍，可以得到稳定的超强脉冲输出，大功率激光器可以用于激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。

Description

一种实现超强脉冲输出的装置及方法

技术领域

本发明属于激光领域，具体涉及的是一种利用脉冲放大技术，在极小的谐振腔内控制完成脉冲序列的放大，以获得超强脉冲的装置及方法。

背景技术

自1960年7月美国休斯公司的T.H.Maiman博士研制成功世界上第一台激光器以来，由于激光具有单色性好、相干性好、方向性好及高亮度等独特优势，从而不断地影响和改变着人类的生活，在科学研究、工业生产等方面得到了广泛的应用。随着人类对激光的进一步应用，人们对激光的性能也提出了越来越高的要求。超短超强脉冲激光输出一直是激光技术发展追求的目标之一。在激光诞生的几十年以来，超短超强脉冲激光技术获得了长足发展和广泛应用。六十年代调Q技术和锁模技术的出现和发展，分别将激光脉冲宽度缩短至纳秒和皮秒量级，脉冲激光峰值功率也分别提高了三个量级。其后二十年内激光的峰值功率未能显著提高，此时主要靠增加光束工作口径和束数来提高脉冲总的峰值功率。这是因为当激光强度达到GW/cm2时，光学介质的非线性折射率系数n2引起的B积分将起到显著作用。当B积分值达到π值时，将导致激光发生全口径自聚焦和小尺度自聚焦，并最终破坏光学介质，从而阻碍了激光峰值功率被放大至更高的水平。八十年代中后期，G.Mourou等提出惆啾脉冲放大CPA概念以后，才较好地解决了脉冲放大过程中的非线性问题。CPA技术成为高功率超短脉冲激光发展的一个重要里程碑，自此以后，超短超强激光系统迅速发展。

由于超强超短激光技术的发展，激光聚焦功率密度已达到1020-1022W/cm2，这样高的功率密度能够在实验室中产生前所未有的强电场、强磁场、高压强等极端物态条件。这些极端物态条件为强场物理和高能密度物理等许多领域的研究提供了基础，出现了与超强激光相融合的交叉学科和倍受科学界关注的前沿领域，如电子加速、质子加速、脉冲中子源、先进光源、阿秒物理、快点火聚变、超热物质、非线性量子电动力学QED、激光天体物理、激光核物理等。输出更高能量和功率的多束激光。现在已建皮秒激光束大都输出拍瓦脉冲，拍瓦脉冲参数一般为0.5～l.okJ/0.spe，在建和计划建造的最大口径，即40cm×40cm，钦玻璃激光系统单束激光也只能输出数千焦耳。激光输出能力受到光学元件破坏闽值或增益介质饱和通量的限制。快点火所要求的激光脉冲参数尽管目前还难以确定，但大都认为不会少于数十千焦耳。大于40cm口径的钦玻璃介质，即使有好的包边技术，也会严重受到放大自发辐射ASE的限制，必须增加束数才能提高总输出能量。对于钦宝石飞秒激光，单束所能达到的聚焦强度难以超过1023W/cm2，而物理学研究希望有更高的功率密度出现，以便探索未知的研究领域。进一步提高超强激光输出功率，对于钦玻璃皮秒脉冲激光，米级口径介质膜光栅制造或多光栅相干拼接，以及光栅破坏阐值等是当前主要瓶颈；对于钦宝石飞秒激光，晶体直径大于10cm后，横向ASE严重，会大量消耗掉上能级粒子数。因此上面两种激光器输出功率很难有量级提升。要想进一步提高超强超短激光脉冲的输出功率，只能在进一步压窄脉冲宽度的同时提高激光脉冲的输出能量，这就要求激光放大器在有大能量输出的同时还要有宽的增益带宽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现超强脉冲输出的装置，

本发明的目的还在于提供一种实现超强脉冲输出的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种实现超强脉冲输出的装置包括：输出镜1、第一电光开关2、反射腔3、第二电光开关4以及超强脉冲接收装置5，输出镜1产生一列间隔稳定的纳秒级脉冲序列，以一定的时间间隔Δt通过第一电光开关2进入到反射腔3中，再通过反射腔3内的第二电光开关4向外输出得到脉冲加强的超强脉冲进入超强脉冲接收装置5。反射腔3是反射率达99.9999％的高反镜组成，其间隔很短，但距离满足干涉叠加条件，且反射腔3是短腔，间隔为毫米量级。第一电光开关2与第二电光开关4是由电光晶体通过加载其上的电压控制其偏振面进而实现脉冲开关的作用，且第一电光开关2与第二电光开关4通断的时间是人为控制的。

一种实现超强脉冲输出的方法，包括以下步骤：

(1)根据输出镜1得到的脉冲通过电光开关进入到反射腔3中，得到脉冲电场Eq(z,t)；

(2)根据脉冲电场Eq，通过反射腔3与第二电光开关4后，得到输出光强Im。

从输出镜1得到的脉冲以一定的时间间隔Δt通过电光开关进入到反射腔3中，步骤(1)所述的脉冲电场Eq(z,t)按下式进行计算：

上式中Eq为第q个模式的振幅，ωq为第q个模式的角频率，

为第q个模式的初相位；

对于两个进入反射腔3的脉冲：第一脉冲与第二脉冲，反射腔3间距为L，第一脉冲振幅与第二脉冲振幅相等，均为振幅A(t)，且振幅A(t)是随时间变化的，第一脉冲光强为Iq，第二脉冲光强为I_q-1，其值均为光强I，即：

I_q＝I_q-1＝I

合成的行波光强是第一脉冲振幅与第二脉冲振幅和的平方，由于初相位不变，经过时间t，且t按下式计算：

t＝mT₀

上式中T₀为脉冲周期，脉冲周期T₀按下式计算：

上式中c为光速，其值为3×108，L为反射镜(3)的间距；输出光强Im按下式计算：

上式中E₀为初始电场强度，A(t)为振幅，(2N+1)为输出脉冲个数。

本发明反射腔3间距为d，对于脉冲为ns量级的脉冲来说，最大相位差按下式计算：

上式中，λ为波长，Δd为反射腔3间距的最小值，其值为：

Δd＝10-3m

最大相位差造成的脉冲宽度大约为Δτ＝3.33×10-12s，即脉冲影响宽度为ps量级，是输入的脉冲宽度千分之一。

本发明还有这样一些特征：

(1)进入反射腔3的脉冲序列是纳秒量级的短脉冲。

(2)第一电光开光2与第二电光开关4是由电光晶体通过加载其上的电压控制其偏振面进而实现脉冲开关的作用。

(3)反射腔3由反射率为99.9999％的高反镜组成，保证脉冲在腔内叠加过程中损耗很低。

(4)经过叠加后的脉冲光强实现了单个脉冲4倍的增强。

本发明的有益效果在于：

本发明公布了一种实现超强脉冲输出的方法，对于一列间隔稳定的脉冲序列，通过第一电光开关2进入到反射腔3中，第一电光开关2与第二电光开关4由电光晶体和加载其上的电压控制其偏正面而控制进入反射腔3的脉冲个数，反射腔3由高反射率的镜子构成，大大减小了脉冲损耗。进入反射腔3的脉冲满足相干叠加原理，合成光强分量为单个脉冲光强的4倍，进入到反射腔3的脉冲加强得到了超强脉冲。由于反射腔3的设计为毫米级短腔，在最大相位差时对ns级脉冲有千分之一的影响，所以可以得到稳定的超强脉冲输出，同样的，腔内放置电光晶体通过改变加载电压，偏振面改变，超强脉冲从腔内释放。大功率激光器可以用于激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。

附图说明

图1为超强脉冲装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的目的是利用毫米级腔对输入的一序列超短脉冲进行叠加得到超强的超短脉冲。

本发明公布了一种实现超强脉冲输出的方法，对于一列间隔稳定的脉冲序列，通过第一电光开关2进入到反射腔3中，第一电光开关2与第二电光开关4由电光晶体和加载其上的电压控制其偏正面而控制进入反射腔3的脉冲个数，反射腔3由高反射率的镜子构成，大大减小了脉冲损耗。进入反射腔3的脉冲满足相干叠加原理，合成光强分量为单个脉冲光强的4倍，进入到反射腔3的脉冲加强得到了超强脉冲。由于反射腔3的设计为毫米级短腔，在最大相位差时对ns级脉冲有千分之一的影响，所以可以得到稳定的超强脉冲输出，同样的，腔内放置电光晶体通过改变加载电压，偏振面改变，超强脉冲从腔内释放。大功率激光器可以用于激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。

从输出镜1得到的脉冲以一定的时间间隔Δt通过第一电光开关2进入到反射腔3中，从第一电光开关2进入到反射腔3的脉冲电场用Eq表示，

式中：E_q，ω_q，

为第q个模式的振幅，角频率及初相位。

对于两个进入反射腔3的脉冲，振幅相等，光强I_q＝I_q-1＝I，合成的行波光强是两个振幅和的平方，由于初相位不变，经过时间t＝mT₀(m为整数)，产生了一定间隔的脉冲，脉冲峰值光强为4I，脉冲周期为

(2N+1)个合成的脉冲频率为ω₀，振幅A(t)随时间变化，输出光强

于是在发射腔内得到了叠加增强的超强短脉冲，再通过第二电光开光4控制，得到可以使用的高功率的巨脉冲。

脉冲在腔内叠加过程中会由于相位延迟等因素造成叠加不理想，本发明反射腔3为d＝10^-3m量级，对于脉冲为ns量级的脉冲来说，最大相位差为：

即在短腔内最大相位差为一个周期的3.33×10^-3倍。对于脉冲宽度为τ＝10^-9s，最大相位差造成的脉冲宽度大约为Δτ＝3.33×10^-12s，即脉冲影响宽度为ps量级，是输入的脉冲宽度千分之一，可见短腔的设计使得脉冲在腔内的叠加不会由于相位延迟而受到很大的影响，可产生持续而稳定的超强脉冲输出。

一种实现超强脉冲输出的方法包括脉冲序列、电光开关、反射腔3、超强脉冲。脉冲序列为等间隔纳秒级脉冲序列。电光开关可通过改变加载在其上的电压改变偏振面，起到开关脉冲输入输出的作用。反射腔3是反射率达99.9999％的高反镜组成，减少脉冲损耗。反射腔3是短腔，间隔为毫米量级。进入到反射腔3的脉冲叠加，得到的超强脉冲光强为N个单脉冲的N²倍，实现了高功率输出。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种适用于实现超强脉冲输出的方法为：脉冲宽度为纳秒级的短脉冲序列以一定的时间间隔输入，电光开关是电光晶体加半波电压产生偏振面的变化，选取一定间隔的数量的脉冲使其进入到反射腔3。反射腔3由高反射镜构成，其间隔很短，但距离满足干涉叠加条件，这样进入腔内的一对脉冲经过叠加后强度变成原来的4倍，相同的，一组脉冲在腔内完成叠加后变成了超强的短脉冲，改变加载在电光晶体上的半波电压，使其偏振态改变，超强脉冲得以输出。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于实现超强脉冲输出的方法，其特征在于：包括脉冲序列1、电光开关2、反射腔3、电光开光4、超强脉冲5。

一列间隔稳定的纳秒级脉冲序列1，通过电光开关2进入到反射腔3中，电光开关由电光晶体和加载其上的电压控制其偏正面进而控制进入反射腔3的脉冲个数，反射腔3由高反射率的镜子构成，大大减小了脉冲损耗。进入反射腔3的脉冲序列满足相干叠加原理，合成光强分量为单个脉冲光强的数倍，再通过反射腔3内的电光开关4向外输出得到脉冲加强得到了超强脉冲5。改变两个电光开关通断的时间间隔可实现对超强脉冲的能量和频率的控制。

Claims (1)

1.一种实现超强脉冲输出的装置，其特征在于，该装置包括：输出镜(1)、第一电光开关(2)、反射腔(3)、第二电光开关(4)以及超强脉冲接收装置(5)，输出镜(1)产生一列间隔稳定的纳秒级脉冲序列，以一定的时间间隔Δt通过第一电光开关(2)进入到反射腔(3)中，再通过反射腔(3)内的第二电光开关(4)向外输出得到脉冲加强的超强脉冲进入超强脉冲接收装置(5)；反射腔(3)由反射率达99.9999％的高反镜组成，反射腔(3)的间距L为毫米量级，且间距L满足干涉叠加条件；

第一电光开关(2)与第二电光开关(4)是由电光晶体通过加载电压控制偏振面进而实现脉冲开关的作用，且第一电光开关(2)与第二电光开关(4)通断的时间是人为控制的；实现超强脉冲输出的方法，包括以下步骤：

从输出镜(1)产生的脉冲以一定的时间间隔Δt通过第一电光开关(2)进入到反射腔(3)中，得到脉冲电场Eq(z,t)；

根据脉冲电场Eq(z,t)，通过反射腔(3)与第二电光开关(4)后，得到输出光强Im；脉冲电场Eq(z,t)按下式进行计算：

上式中，t为时间，q为模式序号，Eq为第q个模式的振幅，ωq为第q个模式的角频率，

为第q个模式的初相位；

对于两个进入反射腔(3)的脉冲：第一脉冲与第二脉冲，第一脉冲光强和第二脉冲光强相等，均为光强I，第一脉冲振幅与第二脉冲振幅相等，均为振幅A(t)，且振幅A(t)是随时间变化的，

第一脉冲光强与第二脉冲光强合成的行波光强是第一脉冲振幅与第二脉冲振幅和的平方，由于初相位不变，经过时间t，且t按下式计算：

t＝mT₀

上式中T₀为反射腔(3)产生的脉冲的周期，m为一个整数常数，脉冲的周期T₀按下式计算：

上式中c为光速；输出光强Im按下式计算：

上式中E₀为初始电场强度，(2N+1)为从反射腔(3)输出的脉冲个数；

对于脉冲为ns量级的脉冲来说，最大相位差按下式计算：

上式中，λ为波长，ΔL为反射腔(3)间距的最小值，

ΔL＝10^-3m

最大相位差造成的脉冲宽度为Δτ＝3.33×10^-12s，脉冲影响宽度为ps量级，是从输出镜输入到反射腔(3)的脉冲宽度千分之一。

Images