CN104570377B - 激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器 - Google Patents

激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器 Download PDF

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Abstract

一种激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，包括由互相平行的第一光栅和第二光栅构成的第一光栅对，由互相平行的第三光栅和第四光栅构成的第二光栅对，所述的第三光栅和第四光栅是所述的第一光栅和第二光栅镜像，还包括分束镜组和转折镜组。本发明中大能量激光啁啾脉冲被分光成左右两束，在环路布局的光栅压缩器中分别按顺时针方向和逆时针方向进行脉冲宽度压缩。使得光栅压缩器能够突破光栅破坏阈值的限制，显著提高激光啁啾脉冲放大系统的超强超短脉冲能量输出，也可以用于获得两个精确同步的超强超短激光脉冲。

Description

激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器
技术领域
本发明涉及超强超短激光科学领域，特别涉及一种适用于在激光啁啾脉冲放大系统末端压缩激光脉冲时间宽度、实现超强超短激光脉冲输出的啁啾脉冲压缩的研究与应用领域，适用于输出能量密度高于光栅破坏阈值的激光啁啾脉冲光栅压缩，适用于需要同时输出两个时间精确同步的激光脉冲的激光啁啾脉冲压缩。
背景技术
超强超短激光科学以超强超短激光的发展，超强超短激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域。其中可以输出高功率脉冲的小型化超短超强激光系统是超强超短激光科学领域研究的基本设备。这里的“超强超短”是指激光脉冲的时间宽度极窄(一般小于200飞秒，飞秒即10- 15s，简称fs)，峰值功率极高(大于1太瓦，即1012W，简称TW)。超短脉冲的时间宽度受到光谱的制约，光谱越宽，脉冲压缩理论上可能达到的脉冲宽度就越窄，但实际中会受不平坦的激光相位谱的影响，无法实现理想压缩。
超短超强激光放大系统采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)为基本技术路线。典型方案如采用CPA技术的钛宝石激光系统：飞秒激光振荡源振荡产生的强度较弱但具有超过几十纳米宽光谱带宽的超短脉冲，，首先被送入正色散的光栅展宽器中，由光栅引入强烈的啁啾，脉冲时间宽度因而被展宽百万倍，成为纳秒(纳秒即10- 9s，简称ns)量级的长脉冲。这样的长脉冲在钛宝石增益介质中，获得能量放大；最后利用正色散的光栅压缩器，消除激光脉冲中的啁啾，使纳秒长脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出。该激光脉冲具有宽光谱的特性，其光谱的付里叶变换极限决定了压缩可能达 到的最窄脉冲宽度。
激光啁啾脉冲放大系统输出的激光脉冲具有超高的功率，容易造成系统自身的光学器件破坏。所以通常要求压缩器采用反射元件，结构越简单越好、损耗越小越好。由两对平行光栅构成的光栅压缩器满足了这种要求，它可以产生负色散。
在现有技术中，在啁啾脉冲放大级中完成能量放大的纳秒级啁啾长脉冲被引向光栅压缩器。首先被第一光栅1所衍射，不同波长的激光成分被衍射向不同的空间方向，遵循公式：
d[sin(θi)+sin(θd)]＝mλ
其中d是光栅刻线密度，λ是激光波长，θi是入射光与光栅法线夹角，θd是衍射光与光栅法线夹角，m是衍射级次(通常选1)。由于脉冲具有宽光谱，所以衍射光是发散的。传播一定的距离后，这样的发散光被第二光栅2再次衍射。由于第二光栅2与第一光栅1相互平行，所以第二光栅3能够使得不同波长的光分量重新实现平行，但不同的波长空间路线已经不再重合。第三光栅3和第四光栅4则是第一光栅1和第二光栅2的镜像，可以使不同波长光分量的空间路线重新复合在一起。以上可见，在光栅压缩器中不同波长光分量经过的路程长度不同：长波长光分量经过的光程长，在脉冲中的位置向后移；短波长光分量经过的光程短，在脉冲中的位置向前移；在整个光谱带宽上实现了可控的负色散，使脉冲宽度恢复到飞秒级，最终实现超强超短激光脉冲的输出，如图1所示。
上述技术方案下，啁啾脉冲放大系统输出能量的提高受限于光栅的破坏阈值和光栅尺寸。在光栅破坏阈值一定的条件下，啁啾脉冲放大系统输出的能量越大，光束口径和光栅尺寸也就应该越大。但受制于工艺，大尺寸光栅制作成本高难度大，这就限制了啁啾脉冲放大系统继续提高输出能量。在光栅压缩器的输出侧，脉冲宽度缩小到飞秒或皮秒量级，峰值功率急剧提高，所以第四光栅4最容易被破坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，使得光栅压缩器能够承受高于破坏阈值的能量，显著提高啁啾脉冲放大系统的能量输出上限。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，包括由互相平行的第一光栅和第二光栅构成的第一光栅对，由互相平行的第三光栅和第四光栅构成的第二光栅对，所述的第三光栅和第四光栅是所述的第一光栅和第二光栅镜像，其特点在于，还包括分束镜组和转折镜组；
所述的分束镜组包括由互相平行的第一反射镜和第二反射镜构成的第一组分束镜和由互相平行的第三反射镜和第四反射镜构成的第二组分束镜，所述的转折镜组包括第五反射镜和第六反射镜，所述的第一组分束镜、第二光栅对与五反射镜互相平行，所述的第二组分束镜、第一光栅对与第六反射镜互相平行。
所述的转折镜组引导光路形成环路。
所述的第六反射镜是第五反射镜镜像。
在啁啾脉冲放大系统中完成能量放大的啁啾长脉冲被引向分束镜组。该分束镜组将光束分成左右二束。
其中一路光沿顺时针方向被第一光栅所衍射。由于脉冲具有宽光谱，所以衍射光是发散的。传播一定距离后，这样的发散光被第二光栅再次衍射。由于第二光栅与第一光栅相互平行，所以第二光栅能够使得不同波长的光分量重新实现平行，但不同的波长空间路线已经不再重合。这样的光束被转折镜组转向第三光栅和第四光栅。第三光栅和第四光栅是第一光栅和第二光栅的镜像，可以使不同波长光分量的空间路线重新复合在一起。
另一路光沿逆时针方向被第四光栅所衍射，传播一定距离后，这样的发散光被第三光栅再次衍射。由于第三光栅与第四光栅相互平行，所以第三光栅能够使得不同波长的光分量重新实现平行，但不同的波长空间路线已经不再重合。这样的光束被反射镜所引导，转向第二光栅和第一光栅。第二光栅和第一光栅是第三光栅和第四光栅的镜像，可以使不同波长光分量的空间路线重新复合在一起。
两路激光离开压缩器时，空间相对位置确定，空间方向相同，彼此相对延时为零，可视为一束激光。
特别指出，相对于竖直放置的光栅，入射光需要有一定的仰角或俯角并提供足够长的距离以分离入射光和出射光。
所述的啁啾长脉冲，是宽光谱激光脉冲在色散元件作用下由较短的飞秒或皮秒(皮秒即10-12s，简称ps)量级激光脉冲在时间上展宽至百皮秒乃至纳秒以上脉冲宽度。
所述的分束镜组可以由数块平面反射镜或分光片等各种分光元件构成。
所述的光栅可以是金属、介质、金属介质等光栅。能够提供足够强的空间色散。
所述的转折镜组由数块平面反射镜等反射镜元件构成。
本发明具有以下创新点：
本发明中，大能量的激光啁啾脉冲被分束成左右两路光，在环路布局的四光栅压缩器中分别按顺时针方向和逆时针方向行进并压缩脉冲宽度。本发明中，两束光脉冲在间隔较长的时间里先后照射光栅，避免了单个脉冲能量超过光栅表面破坏阈值。本发明中，激光在同一端口处入射和出射。入射光在竖直方向上具有一定的仰角或俯角，可以确保在出入射端口处入射光和出射光的顺利分离。
本发明具有以下技术效果：
本发明涉及两路光束同时运转。输入的光脉冲既可以是一个完整的大光束，也可以是一左一右两个并行的小光束。因此不仅适用于普通啁啾脉冲放大级，更适用于组合晶体放大级(如，二块小口径激光晶体并排安装在一起，共同放大一个大口径光束)。
本发明中分束环路压缩的创新特点，避免了在先技术中大能量光脉冲对光栅的破坏，将一个大能量光脉冲分成两个较低能量光脉冲，而这两个光脉冲在间隔足够长的时间里两次冲击光栅，大幅降低了光栅被破坏的可能，成倍提高啁啾脉冲放大系统的输出总能量上限。
本发明最终形成横向分离的两束光。这两束光经历完全相同的光学元件，经历完全相同的环境干扰，因而是严格时间同步(飞秒量级)的两个 高能量激光脉冲。
附图说明
图1常用激光啁啾脉冲光栅压缩器结构示意图
图2本发明激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器实施例一的结构示意图
图3本发明激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器实施例二的结构示意图
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图2，图2为本发明激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器实施例一的结构示意图，如同所示，包括分束镜组5、第一光栅对6、转折镜组7和第二光栅对8。
分束镜组5可以由数块反射镜元件构成。在本实施例一中，分束镜组5由第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11和第四反射镜12构成，都采用镀45°全反射介质膜的光学平面镜，可以在800nm中心波长处支持100nm以上的带宽。
第一光栅对6是由互相平行的第一光栅13和第二光栅14构成，通过提供正色散实现啁啾脉冲的时间宽度压缩。第一光栅13与第二光栅14平行。在本实施例中，采用1480线/mm的镀金光栅360×565×40mm，光线入射角47.5°，在中心波长(800nm)衍射光方向上，平行光栅之间间距约100cm。带通100nm。
转折镜组7用于构造环路，在本实施例中，由第五反射镜15和第六反射镜16构成，均采用镀45°介质全反膜的光学平面镜，可以在800nm中心波长处支持100nm以上的带宽。
其中第二光栅对8的特点是由互相平行的第三光栅17和第四光栅18构成，通过提供正色散实现啁啾脉冲的时间宽度压缩。第三光栅17和第四光栅18彼此平行，与第一光栅13和第二光栅14构成的第一光栅对6成镜像。在本实施例中，采用1480线/mm的镀金光栅360×565×40，光线入 射角47.5°，在中心波长(800nm)衍射光方向上，平行光栅之间间距约100cm，带通100nm。
本发明激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器实施例一的工作过程如下：
(1)在啁啾脉冲放大级中完成能量放大的啁啾长脉冲(800nm中心波长，100nm带宽，1ns脉冲宽度)按照设定的方向入射分束环路光栅压缩器。在竖直方向上有1.5°的仰角。
(2)该脉冲光束在分束镜组的作用下，被分裂成260×260mm的左右两部分。其中一部分经由第一反射镜9和第二反射镜10，沿顺时针方向进入环路；其中另一部分经由第三反射镜11和第四反射镜12，沿逆时针方向进入环路。
(3)顺时针方向行进的光脉冲先后历经第一光栅13、第二光栅14、第五反射镜15、第六反射镜16、第三光栅17、第四光栅18、第四反射镜12和第三反射镜11。激光脉冲的不同波长光分量经过的路程长度不同：长波长光分量经过的光程长，在脉冲包络中的位置向后移；短波长光分量经过的光程短，在脉冲包络中的位置向前移；最终完成啁啾脉冲压缩，使脉冲宽度恢复到飞秒级。
(4)逆时针方向行进的光脉冲先后历经第四光栅18、第三光栅17、第六反射镜16、第五反射镜15、第二光栅14、第一光栅13、第二反射镜10和第一反射镜9，完成啁啾脉冲压缩。
(5)第一光栅13和第四光栅18表面都经历了两次光脉冲照射，间隔时间>12ns，有效保护光栅不被破坏。
(6)两部分光脉冲合在一起，沿原输入方向返回，由于竖直方向上有1.5°存在倾角，所以出射光再经过5米的距离后，即可在横截面内与入射光分离。
图3为本发明激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器实施例二的结构示意图，如图所示，包括分束镜组5、第一光栅对6、转折镜组7和第二光栅对8。
在本实施例二中，其中分束镜组5、第一光栅对6和第二光栅对8的结构与实施例一的相同。
在本实施例二中，其中转折镜组7的特点是用于构造环路。转折镜组7由第五反射镜15和第六反射镜16构成，都采用镀45°介质全反膜的光学平面镜，可以在800nm中心波长处支持100nm以上的带宽。第五反射镜15位于分束镜组5和第一光栅对6之间，第六反射镜16位于分束镜组5和第二光栅对8之间。
本发明激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器实施例二的工作过程如下：
(1)在啁啾脉冲放大级中完成能量放大的啁啾长脉冲(800nm中心波长，100nm带宽，1ns脉冲宽度)按照设定的方向入射分束环路光栅压缩器。在竖直方向上有1.5°的仰角。
(2)该脉冲光束在分束镜组的作用下，被分裂成260×260mm的左右两部分。其中一部分经由第一反射镜9和第二反射镜10，沿顺时针方向进入环路；其中另一部分经由第三反射镜11和第四反射镜12，沿逆时针方向进入环路。
(3)顺时针方向行进的光脉冲先后历经第五反射镜15、第一光栅13、第二光栅14、第三光栅17、第四光栅18、第六反射镜16、第四反射镜12和第三反射镜11。激光脉冲的不同波长光分量经过的路程长度不同：长波长光分量经过的光程长，在脉冲包络中的位置向后移；短波长光分量经过的光程短，在脉冲包络中的位置向前移；最终完成啁啾脉冲压缩，使脉冲宽度恢复到飞秒级。
(4)逆时针方向行进的光脉冲先后历经第六反射镜16、第四光栅18、第三光栅17、第二光栅14、第一光栅13、第五反射镜15、第二反射镜10和第一反射镜9，完成啁啾脉冲压缩。
(5)第一光栅13和第四光栅18表面都经历了两次光脉冲照射，间隔时间>12ns，有效保护光栅不被破坏。
(6)两部分光脉冲合在一起，沿原输入方向返回，由于竖直方向上有1.5°存在倾角，所以出射光再经过5米的距离后，即可在横截面内与入射光分离。

Claims (3)

1.一种激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，包括由互相平行的第一光栅(13)和第二光栅(14)构成的第一光栅对(6)，由互相平行的第三光栅(17)和第四光栅(18)构成的第二光栅对(8)，所述的第三光栅(17)和第四光栅(18)是所述的第二光栅(14)和第一光栅(13)镜像，其特征在于，还包括分束镜组(5)和转折镜组(7)；
所述的分束镜组(5)包括由互相平行的第一反射镜(9)和第二反射镜(10)构成的第一组分束镜和由互相平行的第三反射镜(11)和第四反射镜(12)构成的第二组分束镜，所述的转折镜组(7)包括第五反射镜(15)和第六反射镜(16)，所述的第一组分束镜、第二光栅对(8)与第六反射镜(16)互相平行，所述的第二组分束镜、第一光栅对(6)与第五反射镜(15)互相平行；
所述的转折镜组引导光路形成环路，完成能量放大的纳秒级啁啾长脉冲被引向分束镜组，在分束镜组的作用下，被分裂成两部分光脉冲，其中一部分光脉冲经由第一反射镜(9)和第二反射镜(10)，沿顺时针方向进入环路，其中另一部分光脉冲经由第三反射镜(11)和第四反射镜(12)，沿逆时针方向进入环路；
顺时针方向行进的光脉冲先后历经第一光栅(13)、第二光栅(14)、第五反射镜(15)、第六反射镜(16)、第三光栅(17)、第四光栅(18)、第四反射镜(12)和第三反射镜(11)，完成啁啾脉冲压缩；逆时针方向行进的光脉冲先后历经第四光栅(18)、第三光栅(17)、第六反射镜(16)、第五反射镜(15)、第二光栅(14)、第一光栅(13)、第二反射镜(10)和第一反射镜(9)，完成啁啾脉冲压缩；
或者顺时针方向行进的光脉冲先后历经第五反射镜(15)、第一光栅(13)、第二光栅(14)、第三光栅(17)、第四光栅(18)、第六反射镜(16)、第四反射镜(12)和第三反射镜(11)，完成啁啾脉冲压缩；逆时针方向行进的光脉冲先后历经第六反射镜(16)、第四光栅(18)、第三光栅(17)、第二光栅(14)、第一光栅(13)、第五反射镜(15)、第二反射镜(10)和第一反射镜(9)，完成啁啾脉冲压缩；
最后两部分光脉冲合在一起，沿原输入方向返回。
2.根据权利要求1所述的激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，其特征在于，所述的第五反射镜(15)和第六反射镜(16)均采用镀45°介质全反膜的光学平面镜。
3.根据权利要求1所述的激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，其特征在于，所述的第六反射镜(16)是第五反射镜(15)镜像。
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