CN102244352B - 一种短脉冲激光放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种短脉冲激光放大方法。短脉冲激光第一次经过光栅组被负色散展宽，成为具有负啁啾的长脉冲，利用啁啾反转单元将此负啁啾脉冲变为正啁啾脉冲，再经过能量放大后第二次通过光栅组，通过光栅组提供的负色散使脉冲得到压缩，从而提高输出功率。本发明的主要特点是脉冲展宽和压缩过程用同一组光栅来实现，免去了传统大型啁啾脉冲放大系统中结构复杂的正色散展宽器，实现了短脉冲激光的能量放大及功率提升，有助于减化整个激光系统的结构、降低激光器的调节难度，并提高激光脉冲的光束质量。
Description
技术领域
本发明属于高能短脉冲激光领域，具体涉及一种短脉冲激光放大方法。
背景技术
为了克服短脉冲直接放大过程中损坏光学元件，需要采用啁啾脉冲放大（CPA）技术，一般CPA系统的工作原理是：利用展宽器提供正色散，将超短脉冲激光展宽为正啁啾的长脉冲，注入激光放大器中充分放大，待其获得足够高的能量后，再利用压缩器提供负色散将脉冲在时域上进行压缩，从而获得极高的输出功率。“啁啾”意指不同时刻的脉冲瞬时频率不同，也就是说通过色散效应使一个短脉冲激光的不同频率成份获得不同的延迟，从而短脉冲成为具有啁啾的长脉冲。目前常用的展宽器和压缩器本质上都是利用光栅提供的大色散量来实现脉冲啁啾率的变化，不同之处在于：展宽器要提供正啁啾，红光在前蓝光在后，“红”与“蓝”是指相对波长的“长”与“短”，所以需要使用大口径透镜或大口径凹面镜等元件，而压缩器提供负色散，使蓝光提前，红光滞后，因此只需要使用光栅对即可。
通常展宽器中的大口径透镜或大口径凹面镜不仅加工困难、成本高，色差及像差的控制也比较困难。另外，要获得好的光束质量（时域和空域），不仅要求这些元件的面型要好，而且对元件位置和姿态的调整精度要求也非常高，由于展宽器往往是多通构型，光束在展宽器中通过的次数越多，对元器件调整精度的要求越高，在调整精度满足不了要求时往往会使输出光束质量变差，影响最终的聚焦功率密度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种短脉冲激光放大方法。
本发明的短脉冲激光放大方法，依次包括以下步骤：
a.短脉冲激光的负色散展宽
短脉冲激光由第一高反镜反射后经过由光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4组成的光栅组被负色散展宽，形成负啁啾长脉冲激光；光栅组中的光栅排布形式为光栅G1平行于光栅G2，光栅G3平行于光栅G4；
b.长脉冲激光的啁啾反转
将步骤a得到的负啁啾长脉冲激光用第二高反镜及第三高反镜导入色散调节单元、再通过啁啾反转单元进行啁啾反号得到正啁啾长脉冲激光；
c.正啁啾长脉冲激光的能量放大
将步骤b得到的正啁啾长脉冲激光经过放大单元进行能量放大；
d.正啁啾长脉冲激光的负色散压缩
将能量放大后的正啁啾长脉冲激光用第四高反镜及第五高反镜导入由光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4组成的光栅组进行脉冲压缩，得到所需的高能短脉冲激光。
本发明的短脉冲激光放大方法与现有的CPA激光放大方法相比省略了结构复杂的展宽器，利用短脉冲激光放大系统中已有的用于激光脉冲压缩的光栅组进行短脉冲激光的展宽，避免了原有展宽器中的大口径透镜或大口径球面反射镜等光学元件带来的色差及像差等问题，简化了短脉冲激光系统的结构，使成本降低，提高了系统输出的激光光束质量。
附图说明
图1 为本发明的短脉冲激光放大方法中的系统结构原理图。
图2 (a) 为本发明的短脉冲激光放大方法中的展宽前的短脉冲激光波形图。
图2 (b) 为本发明的短脉冲激光放大方法中的展宽后的长脉冲激光波形图。
图2 (c) 为本发明的短脉冲激光放大方法中的条纹相机测得的啁啾反转图。
图2 (d) 为本发明的短脉冲激光放大方法中的压缩后的短脉冲激光波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1 为本发明的短脉冲激光放大方法中的系统结构原理图，从图中可以看出，本发明的短脉冲激光放大方法中的光栅组采用线密度相同的光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4组成，用于实现短脉冲激光的负展宽及负压缩，四块光栅的线密度均为1740线/mm, 光栅G1平行于平栅G2，光栅G3平行于平栅G4。
短脉冲激光源输出的短脉冲激光中心波长为1053nm、带宽5nm、脉宽667ps，经第一高反镜1反射后，依次通过光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4实现短脉冲激光的负色散展宽，变为2.6ns的负啁啾长脉冲激光，负啁啾长脉冲激光经第二高反镜2、第三高反镜3反射后进入色散调节单元6及啁啾反转单元7，色散调节单元6用于平衡、调节整个系统的剩余色散，啁啾反转单元7则将负啁啾长脉冲激光变为正啁啾长脉冲激光，此后正啁啾长脉冲激光进入放大单元8提取能量，较高能量的正啁啾长脉冲激光经第四高反镜4、第五高反镜5反射后再次通过光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4，实现负色散压缩，得到比初始短脉冲激光更高能量、更高功率的短脉冲激光。
本发明的短脉冲激光放大方法中的步骤对应的波形效果图如图2所示，图2(a)是展宽前的短脉冲激光波形图，图2(b)为展宽后的长脉冲激光波形图，图2(c)为条纹相机测得的啁啾反转图，图2(d)为压缩后的短脉冲激光波形图，可以看到，压缩后的脉宽基本保持了展宽前的宽度，通过啁啾反转过程，利用同一组光栅实现了短脉冲激光的展宽和压缩。
上述实施例中的负展宽负压缩用的四块光栅组成的光栅组也可采用折返式双光栅双程构型替代。
综上所述，本发明的方法是一种便于实施、能够简化系统结构的短脉冲激光放大方法，可用于大型激光装置中的短脉冲激光放大。
Claims (1)
1.一种短脉冲激光放大方法，其特征在于包括以下步骤：
a.短脉冲激光的负色散展宽
短脉冲激光由第一高反镜（1）反射后经过由光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4组成的光栅组被负色散展宽，形成负啁啾长脉冲激光；光栅组中的光栅排布形式为光栅G1平行于光栅G2，光栅G3平行于光栅G4；
b.长脉冲激光的啁啾反转
将步骤a得到的负啁啾长脉冲激光经第二高反镜（2）及第三高反镜（3）导入色散调节单元（6）,再通过啁啾反转单元（7）进行啁啾反号得到正啁啾长脉冲激光；
c.正啁啾长脉冲激光的能量放大
将步骤b得到的正啁啾长脉冲激光经过放大单元（8）进行能量放大；
d.正啁啾长脉冲激光的负色散压缩
将能量放大后的正啁啾长脉冲激光用第四高反镜（4）及第五高反镜（5）导入由光栅G1、光栅G2、光栅G3、光栅G4组成的光栅组进行脉冲压缩，得到所需的高能短脉冲激光。
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