CN103616788A - 一种组合式啁啾脉冲压缩器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式啁啾脉冲压缩器，该压缩器包括至少一组啁啾布拉格光栅，每组包括四块啁啾布拉格光栅，且四块啁啾布拉格光栅分为镜像设置的两部分，每部分的两块啁啾布拉格光栅平行设置，使得整个压缩器无空间啁啾，结构紧凑、空间体积小，且输入输出脉冲光束同轴，可以封装为一个模块，实现即插即用的目的。通过采用光热敏折变玻璃制备啁啾布拉格光栅，激光诱导损伤阈值高，可承受10J/cm²的能量密度，色散能力强，可用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩，适用范围较广。

Description

一种组合式啁啾脉冲压缩器

技术领域

本发明属于光脉冲压缩器设计制造领域，具体涉及一种组合式啁啾脉冲压缩器。

背景技术

自从1960年Theodore H.Maiman发明第一台激光器开始，人们就一直在寻求更高能量、更高功率的激光，并利用其作为实验手段发现新现象、构建新理论，研制新材料、制作新器件，推动科学、医疗以及工程等领域的进一步发展。

如何提高激光的输出能量以及功率，自激光发明以来就一直受到人们的广泛关注。在激光发明的初期，调Q与锁模技术的应用将激光脉冲的峰值功率提升至10⁹W量级。激光的能量来自处于反转状态的粒子，而这些粒子是被外界泵浦，由基态激发到高能态上去的，随后这些粒子在极短的时间内(纳秒或者更短)向下能态跃迁，同时发出的受激辐射形成激光。然而，当激光功率过高时，增益介质就会因自聚焦等非线性光学效应而被激光损坏。因此，增益介质能够输出的最大功率密度就必须低于该介质的激光损伤阈值，这也是调Q与锁模技术无法突破10⁹W瓶颈的原因所在。

1985年，Rochester大学的Gerard Mourou与Donna Strickland将雷达中的啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，简称CPA)概念引入到激光领域，改变了这一现状，为脉冲峰值功率的进一步提高奠定了基础。CPA技术利用色散元件(例如衍射光栅、棱镜等)在种子脉冲进入增益介质之前将其展宽：脉冲的低频成分走的路径要比高频成分要短(正啁啾)，因此其脉宽要比初始时要大，峰值功率得到降低，通过色散元件调节脉冲的啁啾量便可以将脉冲的峰值功率降低到增益介质的损伤阈值之下。经增益介质放大后的脉冲再次通过色散元件，此时色散元件的作用与展宽时刚好相反，即补偿脉冲中的啁啾，将脉冲压缩到种子脉冲的宽度，此时的脉冲峰值功率便能得到极大的提高。CPA技术成功地规避了增益介质损伤阈值的问题，产生的激光聚焦功率甚至超过了10²⁰W/cm²量级，成为全世界高功率激光系统的核心技术。

CPA系统的关键器件之一是啁啾脉冲压缩器，压缩器的激光诱导损伤阈值直接决定了系统的输出功率密度；压缩器的均匀性与输出激光波前畸变息息相关。常用的压缩器有：棱镜对、光纤、啁啾镜以及衍射光栅对，国内可见一种基于衍射光栅对的啁啾脉冲压缩器，并采用组合透镜对高阶色散进行了补偿（中国专利号200410017495.5）；可见一种利用等离子体的啁啾脉冲压缩方法（中国专利号200610076255.1）；可见一种基于禁带反射的啁啾脉冲压缩器（中国专利号201210535671.9）。棱镜对结构简单，但是带宽小，且存在较大的高阶色散；光纤的激光诱导损伤阈值低，且容易产生和频、差频等非线性效应；啁啾镜色散量小；衍射光栅对的激光诱导损伤阈值低（约数个焦耳/平方厘米），且主要通过增大光栅间距获得大色散量，需要的空间体积大。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的脉冲压缩器，可适用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩，且激光诱导损伤阈值高，色散量大，结构紧凑、空间体积小，便于封装使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种组合式啁啾脉冲压缩器，可适用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩，且激光诱导损伤阈值高，色散量大，结构紧凑、空间体积小，便于封装使用。

根据本发明的目的提出的一种组合式啁啾脉冲压缩器，包括至少一组啁啾布拉格光栅，每组包括四块啁啾布拉格光栅，所述四块啁啾布拉格光栅分为镜像设置的两部分，第一部分包括平行设置的第一啁啾布拉格光栅与第二啁啾布拉格光栅，第二部分包括平行设置的第三啁啾布拉格光栅与第四啁啾布拉格光栅，输入脉冲依次经过第一啁啾布拉格光栅、第二啁啾布拉格光栅、第三啁啾布拉格光栅与第四啁啾布拉格光栅反射压缩后输出，形成输出脉冲。

优选的，所述输入脉冲与所述输出脉冲同轴。

优选的，所述啁啾布拉格光栅厚度为1cm-4cm。

优选的，所述输入脉冲的入射角小于60°。

优选的，所述啁啾布拉格光栅为位相型啁啾布拉格体光栅。

优选的，所述啁啾布拉格光栅由光热敏折变玻璃制备而成。

优选的，所述光热敏折变玻璃为掺杂有铈、氟、银、锡与锑的多组分硅酸盐玻璃。

优选的，所述输入脉冲的压缩量与入射角及光栅厚度的关系式为：其中，n为啁啾布拉格光栅的平均折射率，d为光栅厚度，c为真空中光速，θ为入射角度。

与现有技术相比，本发明公开的组合式啁啾脉冲压缩器的优点是：该压缩器包括至少一组啁啾布拉格光栅，每组包括四块啁啾布拉格光栅，且四块啁啾布拉格光栅分为镜像设置的两部分，每部分的两块啁啾布拉格光栅平行设置，使得整个压缩器无空间啁啾，结构紧凑、空间体积小，且输入输出脉冲光束同轴，可以封装为一个模块，实现即插即用的目的。通过采用光热敏折变玻璃制备啁啾布拉格光栅，激光诱导损伤阈值高，可承受10J/cm²的能量密度，色散能力强，可用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩，适用范围较广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种组合式啁啾脉冲压缩器的结构示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

10、第一啁啾布拉格光栅20、第二啁啾布拉格光栅30、第三啁啾布拉格光栅40、第四啁啾布拉格光栅

具体实施方式

在光热敏折变玻璃中制备的啁啾布拉格光栅激光诱导损伤阈值高，纳秒损伤阈值高达10J/cm²（中心波长1064nm），且色散量较大，每厘米啁啾布拉格光栅提供的最大群延时色散约100ps/nm，可为高能高功率啁啾激光脉冲压缩提供更简单高效的方案，是目前极具潜力的一种啁啾脉冲压缩器。

但是受现有制作工艺的限制，单块啁啾布拉格光栅的厚度小于40mm，适合百皮秒及其以下脉宽的脉冲压缩，对更大脉宽的脉冲压缩无能为力，适用范围较小。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种组合式啁啾脉冲压缩器，可适用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩，激光诱导损伤阈值高，色散量大，结构紧凑、空间体积小，便于封装使用。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种组合式啁啾脉冲压缩器，包括至少一组啁啾布拉格光栅，每组包括四块啁啾布拉格光栅，四块啁啾布拉格光栅分为镜像设置的两部分，第一部分包括平行设置的第一啁啾布拉格光栅10与第二啁啾布拉格光栅20，第二部分包括平行设置的第三啁啾布拉格光栅30与第四啁啾布拉格光栅40，输入脉冲依次经过第一啁啾布拉格光栅10、第二啁啾布拉格光栅20、第三啁啾布拉格光栅30与第四啁啾布拉格光栅40反射后输出。输入脉冲经第一啁啾布拉格光栅10实现第一次压缩A并反射至第二啁啾布拉格光栅20上，第一次压缩脉冲经第二啁啾布拉格光栅20实现第二次压缩B并反射至第三啁啾布拉格光栅30上，第二次压缩脉冲经第三啁啾布拉格光栅30实现第三次压缩C并反射至第四啁啾布拉格光栅40上，第三次压缩脉冲经第四啁啾布拉格光栅40实现第四次压缩D并反射输出。该压缩器色散能力强，可适用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩。啁啾布拉格光栅由光热敏折变玻璃制备而成，可承受10J/cm²的能量密度，激光诱导损伤阈值高，增大了激光聚焦功率。且通过镜像设置两部分光栅，使得该压缩器结构紧凑，空间占用体积小。

光热敏折变玻璃为掺杂有铈、氟、银、锡与锑的多组分硅酸盐玻璃。啁啾布拉格光栅为位相型啁啾布拉格体光栅。

输入脉冲与输出脉冲同轴。可以将组合式啁啾脉冲压缩器封装为一个模块，实现即插即用的目的。

啁啾布拉格光栅厚度为1cm-4cm。每厘米啁啾布拉格光栅提供的最大群延时色散约100ps/nm，可根据压缩需要调节光栅的厚度。

输入脉冲的入射角小于60°。压缩器总的压缩量由入射角及啁啾布拉格光栅厚度确定。输入脉冲的压缩量与所述入射角及光栅厚度的关系式为：

$\mathrm{GD}=\frac{2\mathrm{nd}}{c\·\cos \mathrm{\θ}}$

其中，n为啁啾布拉格光栅的平均折射率，d为光栅厚度，c为真空中光速，θ为入射角度。

实施例

输入脉冲为中心波长λ₀约1053nm，带宽B约3nm，脉宽约1ns的高斯型脉冲。计划将该脉冲压缩到200ps，所需的群延时补偿量为800ps，即要组合式啁啾脉冲压缩器中的四块啁啾布拉格光栅厚度均为2cm，每块啁啾布拉格光栅可压缩200ps。假设四块啁啾布拉格光栅均工作在入射角为5°条件下，中心处响应波长为1053nm，响应带宽为9nm，频谱啁啾率为1.5nm/cm，折射率调制度为600ppm，此时啁啾布拉格光栅衍射效率为100%，每块啁啾布拉格光栅的群延时色散约为22.2ps/nm。

采用传输矩阵方法，对组合式啁啾脉冲压缩器的压缩效果进行数值模拟，结果表明：输入脉冲经第一啁啾布拉格光栅10压缩后，脉宽约为762ps，且存在一定的空间啁啾；第一次压缩脉冲经第二啁啾布拉格光栅20压缩后，脉宽约为558ps，空间啁啾翻倍，第二次压缩脉冲的空间啁啾最大；经第三啁啾布拉格光栅30压缩后，第三次压缩脉冲压缩到398ps，且此时的空间啁啾被补偿一半；经第四啁啾布拉格光栅40压缩后，脉冲脉宽约为201ps，达到目标值，且空间啁啾被完全补偿，及输出脉冲无任何空间啁啾。整个压缩器的脉冲压缩效率大于99.7%。

此外，还可根据使用及压缩需要设置多组啁啾布拉格光栅，实现多级压缩的目的。

本发明公开了一种组合式啁啾脉冲压缩器，该压缩器包括至少一组啁啾布拉格光栅，每组包括四块啁啾布拉格光栅，且四块啁啾布拉格光栅分为镜像设置的两部分，每部分的两块啁啾布拉格光栅平行设置，使得整个压缩器无空间啁啾，结构紧凑、空间体积小，且输入输出脉冲光束同轴，可以封装为一个模块，实现即插即用的目的。

通过采用光热敏折变玻璃制备啁啾布拉格光栅，激光诱导损伤阈值高，可承受10J/cm²的能量密度，色散能力强，可用于脉宽为纳秒量级及其以下的脉冲压缩，适用范围较广。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，包括至少一组啁啾布拉格光栅，每组包括四块啁啾布拉格光栅，所述四块啁啾布拉格光栅分为镜像设置的两部分，第一部分包括平行设置的第一啁啾布拉格光栅与第二啁啾布拉格光栅，第二部分包括平行设置的第三啁啾布拉格光栅与第四啁啾布拉格光栅，输入脉冲依次经过第一啁啾布拉格光栅、第二啁啾布拉格光栅、第三啁啾布拉格光栅与第四啁啾布拉格光栅反射压缩后输出，形成输出脉冲。

2.如权利要求1所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述输入脉冲与所述输出脉冲同轴。

3.如权利要求1所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述啁啾布拉格光栅厚度为1cm-4cm。

4.如权利要求1所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述输入脉冲的入射角小于60°。

5.如权利要求1所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述啁啾布拉格光栅为位相型啁啾布拉格体光栅。

6.如权利要求1所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述啁啾布拉格光栅由光热敏折变玻璃制备而成。

7.如权利要求6所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述光热敏折变玻璃为掺杂有铈、氟、银、锡与锑的多组分硅酸盐玻璃。

8.如权利要求1所述的组合式啁啾脉冲压缩器，其特征在于，所述输入脉冲的压缩量与入射角及光栅厚度的关系式为：

其中，n为啁啾布拉格光栅的平均折射率，d为光栅厚度，c为真空中光速，θ为入射角度。

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