CN102360147A - 基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，包括一对平行放置的高密度、深刻蚀、透射式熔融石英光栅对和一块二次非球面反射镜，所述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为750nm，刻蚀深度为1900nm，占空比为0.6。本发明结构通过引入较强的空间啁啾，可以使光栅表面承载的激光功率密度大幅降低，同时可以保证在凹面反射镜焦点处获得超高能量超短脉冲的激光光场。本发明用于啁啾控制具有结构简单、高的激光破坏阈值、光谱范围宽(100纳米)和衍射效率高等优点。

Description

基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置

技术领域

本发明涉及啁啾控制装置，特别是一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置。

技术背景

超短超强激光脉冲具有峰值功率高，持续时间短等优点，因此在物理、生物、化学以及微制造和微加工方面有广泛的应用。特别是具有超高能量的超短脉冲，由于时间非常短，功率可以达到10拍瓦量级(1pw＝10¹⁵w)，这种激光系统可以为人类提供前所未有的全新手段和极端物理条件，因此可以用来开展许多具有重要科学和实际意义的研究，如快点火驱动惯性约束聚变工程等。为了获得超高能量和超短脉冲，通常采取的措施是利用展宽器使飞秒脉冲携带足够大的线性啁啾，从而将脉冲宽度展宽到纳秒(10^-9s)量级，然后通过再生放大系统和一系列高能放大器，从中获得超大能量，最后经过压缩装置补偿线性啁啾并压缩至飞秒(10^-15s)量级，实现超高功率激光输出。这种方法称为光学参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)，基于在先技术[D.Strickland and G.Mourou，“Compression of amplified chirped optical pulses，”Opt.Commun.56，219-221(1985)]，是目前普遍采用的获得大功率超短激光脉冲的手段，也是实现拍瓦甚至艾瓦(1ew＝10¹⁸w)量级飞秒激光脉冲输出的重要技术。

在拍瓦超高功率激光系统中，极高的激光能量密度对元器件的抗激光破坏能力提出了非常高的要求，因此大大增加了设计和加工器件的难度。特别是对最终实现脉冲时域压缩，并输出10拍瓦量级飞秒激光的光栅对装置，由于脉冲激光携带的时域啁啾和空间啁啾得到补偿，脉冲宽度大幅压缩，因此所采用的光栅器件必须具有极高的激光破坏阈值。同时，压缩光栅还必须具有宽光谱高效率的特性，以支持飞秒量级的脉冲输出。考虑到以上两点，如何在拍瓦激光系统中应用基于反射式光栅对的脉冲压缩装置将面临着极大的挑战。

目前普遍采用对称结构的四光栅压缩装置，它可以获得接近傅里叶变换极限的飞秒脉冲输出，首先利用第一组光栅对引入二阶群速度色散(group velocity dispersion，GVD)，实现输入长脉冲时域啁啾的部分补偿，但同时会产生一定的空间光谱走离并形成空间啁啾，然后利用第二组对称的光栅对补偿空间啁啾和剩余的时域啁啾，最终得到超高功率的超短飞秒激光压缩脉冲输出，并通过反射式凹面镜聚焦获得超高能量密度的激光场。在这种脉冲压缩装置中，由于光束在到达最后一块光栅时空间啁啾和时域啁啾都被完全补偿，在光束截面中的所有位置上都形成完美的飞秒脉冲，因此最后这块光栅的每一处都将承受超强的激光功率，这是传统压缩装置面临的最大挑战。

事实上，对于超高功率激光系统应用在需要聚焦的领域，如激光聚变工程，其主要目标是在反应靶上实现超高能量密度的光场，而对激光在传输到反应靶之前的能量分布以及时域特性没有特别的要求。这就有可能为我们提供一种较容易实现的脉冲压缩技术，在保证宽光谱高效率衍射的前提下，降低对光栅激光破坏阈值的要求。和传统的脉冲压缩装置不同，这种技术不需要把第一组光栅对产生的空间光谱啁啾进行补偿，相反，通过增大空间啁啾量可以降低光谱在光束横截面内的叠加程度。虽然每种光谱分量在光束同一波前中基本实现了时域同位相，但是在空间上是分离的，因此，在光束截面的每一个位置都只对应某一中心波长的窄带光谱，这种窄带光谱只能维持较长的脉冲宽度，从而降低了对光栅的抗激光破坏能力的要求。而对于空间啁啾的补偿，可以通过最终使用的聚焦反射镜实现，并在靶面上(即凹面镜焦点)得到无时间啁啾和空间啁啾的超高功率飞秒激光脉冲。

发明内容

为了解决在拍瓦超快激光系统中光栅承受激光破坏能量过大的问题，我们提出一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，该装置用于啁啾控制具有结构简单、高的激光破坏阈值、光谱范围宽(100纳米)和衍射效率高等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，特点在于其构成包括一对平行放置的深刻蚀透射式石英光栅和一块凹面反射镜，所述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为750nm，刻蚀深度为1900nm，占空比为0.6。

所述的凹面反射镜为离轴抛物面反射镜。

本发明的技术效果如下：

首先，这种脉冲压缩技术利用深刻蚀透射式光栅对将时域啁啾转换成空间啁啾，在出射光栅面上实现窄带的长脉冲，从而降低对光栅器件的激光破坏阈值要求，而空间啁啾的消除是通过聚焦反射镜在焦点靶面处实现的，这对于超高功率激光系统的应用基本没有太大影响，却放松了对元器件的抗激光破坏能力的要求；

其次，将光束传输过程所产生的影响也同时进行了考虑，通过优化光栅参数以及光栅对的相对位置，消除光束传输中可能造成的影响；同时，深刻蚀石英光栅和反射式金属光栅或介质膜光栅相比，具有高的激光破坏阈值，光谱范围宽(100纳米)，衍射效率高等优点；

另外，这种基于深刻蚀石英光栅的透射式啁啾控制装置还具有结构简单的优点，因此是一种产生超高功率超短脉冲激光的潜在技术方案。

附图说明

图1是本发明深刻蚀石英光栅啁啾控制技术原理装置图。

图2最后一块光栅上是展宽的飞秒脉冲，极大地降低了飞秒激光峰值强度。只有在凹面镜的焦点，才会出现完美压缩的傅立叶变换极限的飞秒短脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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。

先请参阅图1，图1是本发明基于深刻蚀石英光栅啁啾控制技术原理装置图。由图可见，本发明基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置的构成包括一对平行放置的深刻蚀透射式石英光栅2、3和一块凹面反射镜5，所述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为750nm，刻蚀深度为1900nm，占空比为0.6。所述的凹面反射镜5为离轴抛物面反射镜。

将带有正群速度色散的长脉冲1以Littrow角入射到一块透射式深刻蚀石英光栅2上，产生角色散并由另一块与之平行的透射式深刻蚀石英光栅3形成光谱空间走离。利用高密度深刻蚀光栅的负色散特性补偿入射脉冲的二阶群延迟色散(groupdelay dispersion，GDD)，同时产生较强的空间啁啾，使得脉冲在光束截面上产生缓慢变化的光谱分布4，然后通过聚焦反射镜5将带有空间啁啾的脉冲会聚到焦点上，消除空间啁啾并获得高功率密度的飞秒激光场6。在这个过程中，由于在光束离开光栅时，其截面上每一处的光谱都是窄带的，如图2，因此只可以支持时间宽度非常长的脉冲，这种光谱空间走离效应一方面使光束能量分开，另一方面也使得脉冲宽度变长，因此光栅所承受的激光功率将随着空间啁啾的增大而显著降低，通常可以降低一到两个数量级。同时，考虑到传输距离可能对光束啁啾特性产生影响，通过优化光栅参数，以及光栅对之间的相对位置，对出射脉冲的时域啁啾进行预调制，可以最终消除光束传输过程中产生的影响，并在焦点上得到无时域啁啾和空间啁啾的完美压缩脉冲。

这种深刻蚀石英光栅啁啾控制装置和传统的脉冲压缩装置相比，优化时考虑了两大因素：

1)聚焦反射镜的作用。以往的传统的反射式光栅脉冲压缩装置没有综合考虑聚焦反射镜的作用，使得最后一块光栅的承载激光强度过高；本方案考虑了聚焦反射镜的作用，使得最后一块光栅的承载激光强度显著下降，只有在聚焦反射镜的焦点处才压缩飞秒脉冲，这对最终的激光打靶没有不利影响。

2)从光栅出射到聚焦反射镜焦点的传播距离导致的啁啾。以往传统的反射式光栅脉冲压缩装置没有综合考虑从光栅出射面到聚焦反射镜焦点的传播距离的影响。本发明考虑了传播距离的影响，使得只有在最终的焦点处，才出现压缩的飞秒脉冲，而在这之前出现的是有啁啾的、展宽的飞秒脉冲。

对于带有正啁啾的入射脉冲，可以表示为：

$E_i(x,y,t)=E_i\left(t\right)\·E_i\left(t\right)(x,y)=\exp (-\frac{{2t}^2\ln 2}{{\mathrm{\τ}}^2})\exp \left({\mathrm{ibt}}^2\right)\exp (-i\frac{k(x^2+y^2)}{2q\left(z\right)})---\left(1\right)$

$q\left(z\right)=z+i\frac{{\mathrm{\π\σ}}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中：b＞0，表示啁啾为正，τ为入射飞秒激光的脉冲宽度(full width at half maximum，FWHM)，z是光束位置到束腰的距离，σ是束腰半径。光束经过光栅对后的位相变化可以表示为：

其中：L是光栅对之间的垂直距离，d为光栅周期，θ为入射角，θ′为中心波长光波衍射角，α为随波长变化的衍射角。由此可以推算出光栅对引入的二阶色散为：

这时产生的二阶色散是负的，而入射脉冲携带了正啁啾，因此可以进行时域啁啾的补偿。同时由(4)式可以看出，光栅对所引入的二阶色散跟距离L成正比，所以当光栅对之间的距离足够大时，可以完全补偿入射脉冲携带的正啁啾。根据Martinez等人的理论计算(在先技术：O.E.Martinez，“Grating and prism compressors in the caseof finite beam size，”J.Opt.Soc，Am.B，1986，3：929～934)，经过光栅对后，脉冲在频域的表达形式为：

$E_o(x,y,\mathrm{\ω})\∝E_i\left(\mathrm{\ω}\right)\exp ({\mathrm{ik\β}}^2{\mathrm{\ω}}^{2}D/2)$

$\×\exp (-\mathrm{ik}(\frac{{(x+\mathrm{\α\β\ωD})}^2}{2q(z_0+{\mathrm{\α}}^{2}D)}+\frac{y^2}{2q(z_0+D)}+)---\left(5\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{-{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{2\mathrm{\π}\mathrm{cd}\cos \mathrm{\θ}}=\frac{-{\mathrm{\λ}}_0\tan \mathrm{\θ}}{\mathrm{\πc}}---\left(6\right)$

其中：E_i(ω)是E_i(t)的傅立叶变换形式，式(5)第二项因子是由光栅引入的位相变化，即二阶群速色散。由于角色散引起光谱空间走离效应，因此光束在出射时光谱是分开的，这可以从式(5)第三项因子中看出，此时脉冲的时域啁啾虽然被补偿，但是出现了空间啁啾，因此仍然不是压缩的飞秒激光，脉冲由于光谱的分离而仍然保持较长的时间宽度，相对应的光场功率密度也大大降低，可以避免光栅激光破坏阈值不够高而被打坏。然后通过凹面反射镜5聚焦，在焦点处各种光谱都叠加在一起，所有的时域和空间色散基本消除，于是可以实现接近傅立叶变换极限的压缩脉冲输出，其极限脉冲宽度可以表示为：

${\mathrm{\τ}}_{o\min }=\mathrm{\τ}\sqrt{1/[1+{({\mathrm{b\τ}}^2/2\ln 2)}^2]}---\left(7\right)$

此时所需要的光栅间距可表示为：

$L=D\cos \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{b\τ}}^2{\mathrm{\τ}}_{o\min }^2\cos \mathrm{\θ}}{8k{\mathrm{\β}}^2{\ln }^{2}2}---\left(8\right)$

当入射脉冲谱宽60nm，中心波长为800nm，脉冲宽度约1ns时，可以通过以上公式算出，入射脉冲携带的线性正啁啾约10⁵rad/fs²，最小可支持的脉宽约15fs。基于在先技术[Hongchao Cao，Changhe Zhou，Jijun Feng，Peng Lu，and Jianyong Ma，″Design and fabrication of a polarization-independent wideband transmission fused-silicagrating，″Appl.Opt.49，4108-4112(2010)]，选择深刻蚀光栅周期为750nm，深度1.95微米，可以满足100nm带宽内的高效率衍射(超过90％)。采用Littrow角入射(约32度角)，当光栅间距达到2m左右时，可以基本补偿入射脉冲携带的时域啁啾，同时脉冲引入了较强的空间啁啾。为了消除空间啁啾，需要特殊设计的大尺寸聚焦反射镜，考虑采用无像差的二次非球面反射镜实现聚焦，如离轴抛物面反射镜等，这种反射镜将入射平行光完全会聚在焦点上，而与入射光波长无关，并保证各条光线经过的距离完全相等，不会引入时域啁啾，因此可以很好的消除脉冲啁啾，在焦点处实现压缩至接近极限脉冲的激光光场。

本发明针对超高功率超短脉冲激光中啁啾补偿压缩系统承载过大功率密度的问题，首次提出了一种基于高密度深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，通过控制脉冲携带的空间啁啾得到宽度较长的脉冲，使得出射激光在离开光栅时的功率密度大大降低，从而可以降低对压缩系统中光栅元件的激光破坏阈值要求，最后通过聚焦反射镜消除空间啁啾的影响，在焦点位置实现无空间啁啾和时域啁啾的超高功率飞秒激光脉冲。本发明结合了超高功率激光系统中聚焦反射镜的作用，只在焦点处实现超高功率的光场，在不影响最终激光系统高能输出的前提下，降低了对光栅等光学器件的激光破坏阈值要求；同时采用透射式深刻蚀石英光栅具有许多优点，包括宽光谱、高效率、高阈值以及高稳定性等，因此本发明在超高功率超短脉冲激光系统中具有很好的应用前景。

Claims (2)

1.一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，特征在于其构成包括一对平行放置的深刻蚀透射式石英光栅(2、3)和一块凹面反射镜(5)，所述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为750nm，刻蚀深度为1900nm，占空比为0.6。

2.根据权利要求1所述的基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，其特征在于所述的凹面反射镜(5)为离轴抛物面反射镜。

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