CN102323705B - 平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器 - Google Patents

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Abstract

一种平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器，构成包括第一光栅、第二光栅、第一平面镜、第三光栅、第四光栅和第二平面镜，上述元件的位置关系如下：所述的第一光栅与第二光栅的光栅面平行相向，且第一平面镜与第二光栅垂直并三者构成第一组合，所述的第三光栅与第四光栅的光栅面平行相向，且第二平面镜与第四光栅垂直并三者构成第二组合，所述的第一组合和第二组合呈镜向对称设置。本发明的优点是利用大口径的平面反射镜和较小口径光栅的组合，取代通常大口径脉冲压缩器中所需要的大口径压缩光栅或拼接光栅，可有效解决当前对大口径压缩光栅需求的瓶颈问题。

Description

平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器
技术领域
本设计涉及脉冲压缩器，特别是一种大口径大能量激光啁啾脉冲的压缩。该设计通过创新的结构设计，利用大口径的平面反射镜和较小口径光栅的组合，取代通常大口径脉冲压缩器中所需要的大口径压缩光栅或拼接光栅，使光栅的有效面积最多可以减少为原来需求的一半，并在同量级压缩效率的情况下获得大能量大口径的空间和时间啁啾补偿的高功率激光脉冲，可有效解决当前对大口径压缩光栅需求的瓶颈问题。主要应用于大能量大口径高功率激光脉冲的压缩。
背景技术
近年来，随着啁啾脉冲放大技术的发明与广泛应用，人们能够产生能量越来越高的超短高功率激光脉冲，在激光核聚变快点火等重要战略研究领域具有重要而广泛的应用。目前，高功率激光脉冲的产生都是基于啁啾脉冲放大技术。对于宽光谱激光脉冲，如果不同波长有规律地分布于脉冲的不同位置，就称为啁啾。啁啾绝对值越大，脉冲越长；啁啾为零时，脉冲最短。通过光栅展宽器引入正啁啾，可使脉冲变长，以更有效地对激光脉冲进行放大；通过压缩器引入负啁啾，可使放大后的脉冲变短，以实现尽可能高的峰值功率。随着技术不断改善，能够输出的脉冲能量也不断提高。为了避免对激光器件的破坏，脉冲激光口径必须随能量不断增加。对光栅尺寸的要求也在不断提高。
在先技术一中，Edmond B. Tracy提出了一种大口径光栅压缩器的四光栅构型，如图1所示。光栅1与光栅2平行，光栅3与光栅4平行，1和2的组合与3和4的组合呈镜向对称。当脉冲宽度待压缩的正啁啾激光脉冲入射压缩器后，受到光栅1的衍射作用，原本传播的光束在空间上发散开来。以最边缘的光线为例说明如下：激光脉冲的光谱波长范围从（λ1，λ2）。波长较短的λ1光，衍射角小一些，沿双点划线传播；波长较短的λ2光，衍射角大一些，沿点划线传播。由图中可见，投射在光栅2上光斑尺寸有明显增加。因此，在宽光谱的啁啾脉冲压缩中，光栅2的尺寸比光栅1大很多。光栅2与光栅1相平行，因此同一光线，在光栅2上的入射角就等于光栅1上的衍射角，在光栅2上的衍射角就等于光栅1上的入射角，所以发散的激光束在光栅2的衍射作用下，恢复平行传播。经过光栅3和光栅4的镜向作用后，横截面上的光斑恢复原状。但由于不同波长的激光经历了不同的光程，使得负啁啾的激光脉冲宽度被压缩。
在高能量的激光系统中，为了避免高能激光对光学器件，尤其是光栅的损害，需要激光束保持较大的口径，相应的，光栅也应有较大的尺寸。现有工艺下，大尺寸商品化光栅的工艺难度大，生产周期长，价格昂贵，质量没有保证。超过一定尺寸的光栅甚至没有能力生产。
在先技术二中，采用双光栅拼接如图2所示。光栅6与光栅7处于同一平面内，光栅刻线同向共面，构成一个拼接光栅，与光栅5平行，起到图1中光栅2的作用。光栅8与光栅9处于同一平面内，光栅刻线同向共面，构成一个拼接光栅，与光栅10平行，起到图1中光栅3的作用。光栅5、6和7的组合与光栅8、9和10的组合呈镜向对称。拼接光栅要求两个光栅性能完全一致，工作面处于同一个平面内，刻线方向相同。成本高，难度大。
发明内容
为了克服上述在先技术的不足，本发明提供一种平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器，优点是利用大口径的平面反射镜和较小口径光栅的组合，取代通常大口径脉冲压缩器中所需要的大口径压缩光栅或拼接光栅，可有效解决当前对大口径压缩光栅需求的瓶颈问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器，特点在于其构成包括第一光栅、第二光栅、第一平面镜、第三光栅、第四光栅和第二平面镜，上述元件的位置关系如下：
所述的第一光栅与第二光栅的光栅面平行相向，且第一平面镜与第二光栅垂直并三者构成第一组合，所述的第三光栅与第四光栅的光栅面平行相向，且第二平面镜与第四光栅垂直并三者构成第二组合，所述的第一组合和第二组合呈镜向对称设置。
所述的第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅同为正弦型光栅、或矩形光栅。
因为选用刻线形状呈左右镜像对称的压缩光栅，如正弦型、矩形光栅，如图3。该类型光栅的衍射性能是在光栅法线两侧左右对称的。只要是相同的入射角，无论是从法线的哪一侧入射都具有相同的衍射能力。
根据这个特点，可以用平面反射镜反射的方法，将超出第二光栅的尺寸范围的光线反射回第二光栅上，减少对大光栅的面积需求，之后的衍射光再通过一次平面反射实现平行出射。通过同样镜像布置的第二平面反射镜和第三光栅、第四光栅，最后从第四光栅输出得到压缩后的高功率激光脉冲。但由于不同波长的激光经历了不同的光程，使得负啁啾的激光脉冲宽度被压缩。
与在先技术相比，由于平面反射镜的反射效率可以很高，压缩器的效率基本可以保持不变，使得输出高功率激光脉冲参数可以基本保持不变。由于使用平面反射镜，整套压缩器调节同样方便。
与在先技术一、二相比，本技术具有以下显著的优点：
（1）大口径光栅的面积最多可以减少一半。只要第二光栅12和第三光栅15的尺寸不小于第一光栅11，光强就不会超过光栅的破坏阈值。
（2）大尺寸平面镜的工艺难度、成本、维护费用远低于光栅的工艺难度、成本、维护费用。
（3）相对于在先技术二而言，平面镜的调整相对简单稳定，使得整个压缩器的调节难度降低，稳定性大大高。
（4）如果采用平面可变型镜，可对激光波前进行部分修正。
（5）高能量啁啾激光器的大口径光栅压缩处于真空箱中，以避免其对空气的电离。体积小的真空箱易于实现，易于使用。平面镜拼接大口径光栅可在一定程度上减少真空箱体积。
附图说明
图1大口径光栅压缩器的四光栅构型（在先技术一）。
图2大口径光栅压缩器的拼接光栅构型（在先技术二）。
图3光栅精细结构示意图。
图4是本发明平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图4，图4是本发明平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器的结构示意图，由图可见，本发明平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器，构成包括第一光栅11、第二光栅12、第一平面镜13、第三光栅15、第四光栅16和第二平面镜14，上述元件的位置关系如下：
所述的第一光栅11与第二光栅12的光栅面平行相向，且第一平面镜13与第二光栅12垂直并构成第一组合，所述的第三光栅15与第四光栅16的光栅面平行相向，且第二平面镜14与第三光栅15垂直并构成第二组合，所述的第一组合和第二组合呈镜向对称设置。本实施例中所述的第一光栅11、第二光栅12、第三光栅15和第四光栅16为正弦型光栅。
使用时要调节第一光栅11与第二光栅12平行，调节第一平面镜13与第二光栅12垂直，如图4所示。
调节第三光栅15与第四光栅16平行，调节第二平面镜14与第三光栅15垂直。
调节第一组合与第二组合的镜向对称。
该脉冲压缩器的工作过程如下：
以最边缘的光线为例说明如下：激光脉冲的光谱波长范围为（λ1，λ2）。波长较短的λ1光，衍射角小一些，沿双点划线传播；波长较短的λ2光，衍射角大一些，沿点划线传播。由图中可见，投射在第二光栅12上光斑尺寸有明显增加。因此，在宽光谱的啁啾脉冲压缩中，第二光栅12的尺寸比第一光栅11大很多。由于第二光栅12与第一光栅11除了尺寸之外的具体参数完全相同，第二光栅12与第一光栅11相平行，因此同一光线，在第二光栅12上的入射角就等于第一光栅11上的衍射角，在第二光栅12上的衍射角就等于第一光栅11上的入射角，所以发散的激光束在第二光栅12的衍射下，恢复平行传播。超过第二光栅12边界的光被第一平面镜13反射回第二光栅12，被第二光栅12衍射后。只要第一平面镜13足够大，光线就会再次被第一平面镜13反射，这些反射光将与经过第二光栅12直接衍射的光束相平行。经过第二平面镜14、第三光栅15和第四光栅16的镜向作用后，由第四光栅16输出的光斑恢复到待压缩的正啁啾激光脉冲入射第一光栅11上的光斑原状。但由于不同波长的激光经历了不同的光程，使得负啁啾的激光脉冲宽度被压缩。
实验表明：本发明的优点是利用大口径的平面反射镜和较小口径光栅的组合，取代通常大口径脉冲压缩器中所需要的大口径压缩光栅或拼接光栅，可有效解决当前对大口径压缩光栅需求的瓶颈问题。

Claims (2)

1.一种平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器，特征在于其构成包括第一光栅（11）、第二光栅（12）、第一平面镜（13）、第三光栅（15）、第四光栅（16）和第二平面镜（14），上述元件的位置关系如下：
所述的第一光栅（11）与第二光栅（12）的光栅面平行相向，且第一平面镜（13）与第二光栅（12）垂直并构成第一组合，所述的第三光栅（15）与第四光栅（16）的光栅面平行相向，且第二平面镜（14）与第三光栅（15）垂直并构成第二组合，所述的第一组合和第二组合呈镜向对称设置；
同一光线，在第二光栅（12）上的入射角等于第一光栅（11）上的衍射角，在第二光栅（12）上的衍射角就等于第一光栅（11）上的入射角，所以发散的激光束在第二光栅（12）的衍射下，恢复平行传播；
超过第二光栅（12）边界的光被第一平面镜（13）反射回第二光栅（12），被第二光栅（12）衍射；
当第一平面镜（13）足够大，光线就会再次被第一平面镜（13）反射，这些反射光将与经过第二光栅（12）直接衍射的光束相平行；
经过第二平面镜（14）、第三光栅（15）和第四光栅（16）的镜向作用后，由第四光栅（16）输出的光斑恢复到待压缩的正啁啾激光脉冲入射第一光栅（11）上的光斑原状。
2.根据权利要求1所述的平面镜拼接大口径光栅脉冲压缩器，其特征在于所述的第一光栅（11）、第二光栅（12）、第三光栅（15）和第四光栅（16）为正弦型光栅、或矩形光栅。
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