CN103901699B - 基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，特点在于其构成是在激光脉冲行进的光路上包括依次的第一色散补偿装置、脉冲分割装置、第二色散补偿装置、光谱展宽装置、脉冲合束装置和第三色散补偿装置。本发明适用于将能量远大于10mJ的，乃至焦耳量级的飞秒激光脉冲压缩至仅包含数个光周期的宽度的飞秒激光脉冲。

Description

基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置

技术领域

本发明与飞秒超强激光脉冲宽度压缩有关，特别是一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，适用于将能量远大于10mJ的，乃至焦耳量级的飞秒激光脉冲压缩至仅包含数个光周期的宽度。

背景技术

超快强激光技术是当前许多前沿领域的核心技术与驱动力量。例如，基于高次谐波产生的阿秒科学与技术，激光驱动的电子加速器和用于肿瘤治疗的台式化中子源等。当前，世界主要发达国家和地区纷纷投入巨资发展这一领域，如欧洲科学家提出的国际相干放大网络ICAN计划，欧盟的ELI计划和美国的国家点火装置NIF。

受到上世纪80年代啁啾脉冲放大CPA技术的推动，当前的大激光装置已经可以输出能量达到兆焦耳量级，峰值功率达到拍瓦以上，聚焦峰值强度达到10²²W/cm²等这样极端的量级，也极大地拓展了人类的想象力。但是，另一方面，受到激光介质增益窄化的影响，经过放大后的激光脉冲宽度最短也在20fs以上。当前拍瓦系统的输出也在30fs左右。一些强激光物理过程不仅需要非常高的场强，也需要非常短的脉宽，短至仅包含数个光周期。根据傅里叶变换原理，这样短的脉宽对应非常宽的光谱。要对如此宽的光谱进行放大，需要使用新的技术，如光参量啁啾脉冲放大技术OPCPA。目前，使用这种技术达到的最高参数记录是脉宽小于3个光周期（800nm中心波长）、峰值功率达到16TW。这种技术不同于传统的CPA技术，所以若要采用这种技术，需要放弃原有的CPA系统。然而，这些系统造价昂贵，且许多实验室使用的都是以前搭建的CPA系统。OPCPA系统虽然可以支持很宽的带宽，但是输出能量还远不能和CPA技术相比。所以，对CPA系统的输出脉冲进行腔外压缩是另一种产生超快强激光的可行而且经济的途径。

对于毫焦量级的飞秒激光脉冲压缩而言，目前存在一种成熟的技术，即基于充惰性气体的空心光纤的脉冲压缩技术。这种技术利用自相位调制效应展宽光谱，波导结构的使用可以得到稳定的输出。压缩后的脉冲具有非常好的光束质量和仅包含数个光周期的超短脉宽。此方法已经是阿秒物理和超快泵浦探测研究中的标准技术组成。受到多种高阶非线性效应的限制，这种技术的稳定输出能量被限制在毫焦量级。为了提高输出能量水平，国内外多个小组相继提出了多种新方案，例如使用气压梯度的方法、入射脉冲为圆偏振光的方法、使用大口径光纤的方法，在入射脉冲中引入正啁啾展宽的方法，利用多孔空心光纤结构的方法等。前四种方法虽然可以提高出射脉冲能量，但提高幅度仍然有限。最后一种方法的实质是多光束空间合束，原则上可以大幅度提高出射能量，但所用的多孔光纤的制造有难度。综上，对CPA系统输出的高能脉冲进行腔外压缩仍是尚未圆满解决的问题。

发明内容

本发明要解决的问题就是提供一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，将远大于10mJ的，乃至焦耳量级的飞秒激光脉冲压缩至仅包含数个光周期的宽度。

本发明技术解决方案的实质是通过利用脉冲分割的方法，将入射的高能量激光脉冲分割成一串偏振垂直的低能量脉冲从而分别进行光谱展宽，然后再将这串脉冲合成为一个脉冲进行压缩，最终实现对高能量激光脉冲的高效压缩。这种技术成功的关键在于脉冲分割与合成部分。因为待压缩的脉冲本身具有非常宽的光谱，在分割过程中会受到色散的影响导致不同偏振方向上的子脉冲有不同的时域展宽，甚至脉冲串中的相邻子脉冲在时域上相互交叠。这使得无法对单个子脉冲进行光谱展宽。为了解决不同偏振方向上脉冲有不同时域展宽的问题，本发明利用一种组合晶体。这种组合晶体由两种不同的双折射晶体材料顺序拼接而成。两种晶体材料的厚度具有一定比例，目的是实现入射激光中心波长处的偏振模群速度色散差为0。这样，不同偏振方向的脉冲的时域展宽就是一致的。一个脉冲经过这样一块组合晶体后，将变为偏振方向垂直的、能量相同且光强时域分布相同的两个子脉冲。两个子脉冲一前一后，时间上相互分开。时间间隔由组合晶体的厚度决定，一般设计为入射激光脉冲宽度的4倍。两个子脉冲再通过另一块合理设计的组合晶体时，将变为4个偏振方向垂直的、能量相同且光强时域分布相同的子脉冲，且相邻子脉冲的时间间隔相同。由此可知，n块合理设计的组合晶体将把入射脉冲分割为2ⁿ个偏振方向垂直的、能量相同且光强时域分布相同的子脉冲，且相邻子脉冲的时间间隔相同。为了解决脉冲串中的相邻脉冲相互交叠的问题，本发明中在脉冲分割装置后引入色散补偿装置，将脉冲时域宽度减小，从而避免了交叠，可以独立地展宽每个子脉冲的光谱。脉冲合束装置的功能是将入射的子脉冲串合成为一个线偏振脉冲。该装置的内部组成与脉冲分割装置呈镜像对称，从而确保了脉冲串合束过程是脉冲分割过程的逆过程。合束后的脉冲经色散补偿装置压缩至仅包含数个光周期的宽度。通过合理的参数设计，本发明可以压缩能量达到焦耳量级的飞秒激光脉冲。

本发明的技术解决方案是：

一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，特点在于其构成是在激光脉冲行进的光路上包括依次的第一色散补偿装置、脉冲分割装置、第二色散补偿装置、光谱展宽装置、脉冲合束装置和第三色散补偿装置，所述的光谱展宽装置的构成是置于密封的充有惰性气体的气体管中的空心光纤，气体管的前端有聚焦元件，管后为准直元件，首先利用第一色散补偿装置在入射的高能量脉冲中引入正啁啾，从而将脉冲时域展宽，降低脉冲峰值强度；之后，脉冲经过所述的脉冲分割装置被分成一串偏振方向垂直的、时间间隔相同、能量相同且光强时域分布相同的子脉冲，这串子脉冲再经过引入负啁啾的第二色散补偿装置，使得子脉冲宽度减小，相邻子脉冲之间不相互交叠，确保通过该装置的脉冲不含负啁啾，这串子脉冲随后经聚焦元件被耦合至置于充惰性气体的气体管中的空心光纤中进行光谱展宽，然后再经准直元件重新变为平行光束；光谱展宽后的脉冲串经所述的脉冲合束装置被重新合成为一个线偏振脉冲；该线偏振脉冲再经过第三色散补偿装置被压缩至仅包含数个光周期的宽度的飞秒激光脉冲。

所述的脉冲分割装置由n片厚度递增的组合晶体构成，组合晶体的厚度决定入射激光中心波长处的偏振模群速度延迟，所述的组合晶体由两种不同的双折射晶体材料顺序拼接而成，两种晶体材料的厚度具有一定比例，目的是实现入射激光中心波长处的偏振模群速度色散差为0。

所述的脉冲合束装置由n片厚度递减的组合晶体构成，组合晶体的厚度决定入射激光中心波长处的偏振模群速度延迟；所述的组合晶体由两种不同的双折射晶体材料顺序拼接而成，两种晶体材料的厚度具有一定比例，目的是实现入射激光中心波长处的偏振模群速度色散差为0。

综上所述，本发明的优点归纳如下：

（1）本发明可以将飞秒脉冲的宽度压缩至数个光周期，甚至接近单个光周期（例如，中心波长为800nm的脉冲对应的单个光周期脉宽为2.7fs）。

（2）本发明利用脉冲分割的方法，将入射的高能量激光脉冲分割成一串低能量脉冲从而分别进行光谱展宽，然后再将这串脉冲合成为一个脉冲进行压缩，最终实现对高能量激光脉冲的高效压缩。本发明适用于能量远大于10mJ的，乃至焦耳量级的飞秒激光脉冲的压缩。

（3）本发明的脉冲分割与合束装置经过特殊设计，可以处理光谱非常宽的宽带脉冲（如以800nm为中心波长的、脉宽小于50fs的脉冲），确保分割后的各个子脉冲具有相同的时域强度分布，同时在时间上不交叠；合成的脉冲具有高的线偏振度。

附图说明

图1为本发明基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置的示意图。

图2为基于充惰性气体的空心光纤的光谱展宽装置的示意图。

图3为光谱展宽装置之前的子脉冲的时域强度包络图和光谱展宽后的光谱强度图。

图4为经过脉冲合束与压缩后的光强时域分布图和线偏振度。

具体实施方式

图1为本发明基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置的示意图，其中，1是第一色散补偿装置，2是脉冲分割装置，3是第二色散补偿装置，4是光谱展宽装置，5是脉冲合束装置，6是第三色散补偿装置。图2是基于充惰性气体的空心光纤的光谱展宽装置4的示意图，其中7是空心光纤，8是密闭的气体管，管中充有惰性气体，9是聚焦元件，10是准直元件。下面是本发明的一个实施例：

一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，其构成是在激光脉冲行进的光路上包括依次的第一色散补偿装置1、脉冲分割装置2、第二色散补偿装置3、光谱展宽装置4、脉冲合束装置5和第三色散补偿装置，所述的光谱展宽装置4的构成是置于密封的充有惰性气体的气体管8中的空心光纤7，气体管8的前端有聚焦元件9，管后为准直元件10。首先利用第一色散补偿装置1在入射的高能量脉冲中引入正啁啾，从而将脉冲时域展宽，降低脉冲峰值强度；之后，脉冲经过所述的脉冲分割装置2被分成一串偏振方向垂直的、时间间隔相同、能量相同且光强时域分布相同的子脉冲，这串子脉冲再经过引入负啁啾的第二色散补偿装置3，使得子脉冲宽度减小，相邻子脉冲之间不相互交叠，同时确保通过该装置的脉冲不含负啁啾，这串子脉冲随后经聚焦元件9被耦合至置于充惰性气体的气体管8中的空心光纤7中进行光谱展宽，然后再经准直元件10重新变为平行光束；光谱展宽后的脉冲串经所述的脉冲合束装置5被重新合成为一个线偏振脉冲；该线偏振脉冲再经过第三色散补偿装置6被压缩至仅包含数个光周期的宽度的飞秒激光脉冲。

假定入射脉冲中心波长800nm，能量100mJ，脉冲宽度40fs（半高全宽）。因为脉冲的峰值功率和强度非常高，当其在介质中传播时会积累显著的非线性相移，从而导致光束质量的恶化。为了克服这点，入射脉冲首先经第一色散补偿装置1进行时域展宽，降低峰值功率和强度。这里假定脉冲被展宽至9.3ps。脉冲分割装置2由5块厚度递增的组合晶体构成，将入射脉冲分割为一串包含32个子脉冲的脉冲序列，每个子脉冲的能量约为3.12mJ。这样的脉冲能量已经低至可以直接耦合到空心光纤7中进行光谱展宽。每块组合晶体由2种双折射晶体材料顺序拼接而成，这两种晶体材料的正常光光轴相互平行，同时反常光光轴相互平行。两种晶体材料的厚度满足一定比例，从而使800nm处的偏振模群速度色散差值为0，例如，对于晶体YVO₄和LiNbO₃，当厚度比例为1:1.79时，800nm处的偏振模群速度色散差值为0，即正常光偏振方向和反常光偏振方向的子脉冲积累的群速度色散相同。下面以晶体YVO₄和LiNbO₃的组合为例进行定量说明。脉冲分割装置中的5块组合晶体中，第1块的YVO₄的厚度设定为L₁=0.8mm，第i块组合晶体中的YVO₄的厚度为L_i=L₁*2^(i-1)，LiNbO₃的厚度按比例确定。这样确保了最终脉冲序列中相邻子脉冲的时间间隔为176fs，超过了入射脉冲40fs宽度的4倍。但是，脉冲序列因为经过了一定厚度的晶体材料，本身被时域展宽了，所以需要经由第二色散补偿装置3恢复到和入射脉冲一样的脉宽。第二色散补偿装置3引入的啁啾量为-160960fs²和-17600fs³时，所有子脉冲的时域包络几乎与入射脉冲相同，如图3（a）所示。然后，脉冲序列被聚焦元件9耦合到充惰性气体的空心光纤7中进行光谱展宽，随后由准直元件10变为平行光束。充有1.4bar氖气的空心光纤的内径设定为0.5mm以适应3.12mJ、40fs的入射脉冲。为了进一步得到脉冲光谱展宽和能量透过率的情况，需要对32个子脉冲分别数值求解其在空心光纤中的传播方程。经过求解可知，能量透射效率接近97%，即每个子脉冲为3mJ。图3（b）显示了光谱展宽情况。值得注意的是，所有32个子脉冲的展宽光谱显示在同一个图中，因为光谱几乎相同，所以无法看出差别。

经过光谱展宽后的脉冲序列需要被重新合成为一个脉冲。因为光束的线性传播具有可逆性，所以脉冲合束装置5具有与脉冲分割装置2相同的组成，但是组合晶体排列方式为厚的在前，薄的在后，而且所有组合晶体以光束传播方向为轴旋转90°。这样，32个子脉冲被依次变为16个、8个、4个、2个，最终合成为1个。合成后的脉冲经过第三色散补偿装置6被压缩至9fs，总能量90mJ。压缩所需的啁啾量为-26900fs²和-16900fs³。图4（a）显示了压缩后脉冲的时域强度包络。尽管组合晶体的使用确保了脉冲序列中的子脉冲具有几乎相同的参数，但是细微的差别还是存在的，这反映在合成的脉冲不是100%线偏振的。图4（b）显示了合成脉冲的偏振度随时间的变化，偏振度为1表示线偏振。在脉冲能量的聚集区间，线偏振度达到了98%以上，足以满足实验的需要。

当更高能量的脉冲入射时，非线性相移是主要的限制因素。当非线性相移积累超过π时，脉冲就会出现显著的扭曲变形，应当避免。通过分析发现，在上述参数设置下的脉冲分割装置可以承受100J量级的脉冲，同时非线性相移不超过1。这表明本发明经过合理参数设计可以压缩能量达到焦耳量级的飞秒激光脉冲。

Claims (1)

1.一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，特征在于其构成是在激光脉冲行进的光路上包括依次的第一色散补偿装置(1)、脉冲分割装置(2)、第二色散补偿装置(3)、光谱展宽装置(4)、脉冲合束装置(5)和第三色散补偿装置(6)，所述的光谱展宽装置(4)的构成是置于密封的充有惰性气体的气体管(8)中的空心光纤(7)，气体管(8)的前端有聚焦元件(9)，管后为准直元件(10)，首先利用第一色散补偿装置(1)在入射的高能量脉冲中引入正啁啾，从而将脉冲时域展宽，降低脉冲峰值强度；之后，脉冲经过所述的脉冲分割装置(2)被分成一串偏振方向垂直的、时间间隔相同、能量相同且光强时域分布相同的子脉冲，这串子脉冲再经过引入负啁啾的第二色散补偿装置(3)，使得子脉冲宽度减小，相邻子脉冲之间不相互交叠，同时确保通过该装置的脉冲不含负啁啾，这串子脉冲随后经聚焦元件(9)被耦合至置于充惰性气体的气体管(8)中的空心光纤(7)中进行光谱展宽，然后再经准直元件(10)重新变为平行光束；光谱展宽后的脉冲串经所述的脉冲合束装置(5)被重新合成为一个线偏振脉冲；该线偏振脉冲再经过第三色散补偿装置(6)被压缩至仅包含数个光周期的宽度的飞秒激光脉冲；

所述的脉冲分割装置(2)由n片厚度递增的组合晶体构成，组合晶体的厚度决定入射激光中心波长处的偏振模群速度延迟，所述的组合晶体由两种不同的双折射晶体材料顺序拼接而成，两种晶体材料的厚度具有一定比例，目的是实现入射激光中心波长处的偏振模群速度色散差为0；

所述的脉冲合束装置(5)由n片厚度递减的组合晶体构成，组合晶体的厚度决定入射激光中心波长处的偏振模群速度延迟；所述的组合晶体由两种不同的双折射晶体材料顺序拼接而成，两种晶体材料的厚度具有一定比例，目的是实现入射激光中心波长处的偏振模群速度色散差为0。