CN105449507A - 一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置和补偿方法，该装置安装在飞秒激光脉冲放大系统的两个放大级之间,包括一个凹透镜和一个离轴抛面镜，离轴抛面镜的焦距大于凹透镜的焦距，两者共焦放置。通过计算飞秒激光脉冲放大系统中所有透镜扩束器所引入的脉冲前沿畸变量，确定凹透镜的焦距。根据飞秒激光脉冲放大系统所要求的扩束比以及凹透镜的焦距，可以确定离轴抛面镜的焦距。在飞秒激光脉冲放大系统中使用该装置，不仅可以实现激光脉冲的扩束，还可以有效地补偿由透镜扩束器所引起的脉冲前沿畸变，从而提升聚焦后飞秒激光脉冲的真实聚焦峰值强度。

Description

一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置和补偿方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲放大系统中的脉冲前沿畸变，尤其是涉及一种脉冲前沿畸变的补偿装置和补偿方法。

背景技术

啁啾脉冲放大技术的发明推动了超强超短脉冲激光系统的迅猛发展。目前，钛宝石飞秒激光脉冲放大系统的峰值功率已经达到拍瓦(1拍瓦＝10¹⁵W)量级。为了避免对激光脉冲放大系统中的光学元件造成损伤，激光脉冲的光束口径也相应地通过脉冲扩束器增大到百毫米甚至数百毫米量级。随着激光脉冲峰值功率及光束口径的增长，由激光脉冲放大系统中的透镜扩束器所引起的脉冲前沿畸变也逐渐引起了人们的关注。脉冲前沿，即脉冲的能量前沿，可以理解为波包的峰值所对应的平面或曲面。当激光脉冲经过透镜扩束器后，色散作用将导致脉冲前沿相对脉冲波前产生依赖于光束空间位置的延迟，从而形成脉冲前沿畸变。目前，大部分钛宝石飞秒激光脉冲放大系统中使用的都是传统的透射式扩束器，传统的透射式扩束器主要包括两种：即开普勒型的扩束器和伽利略型的扩束器。图1和图2分别显示了激光脉冲通过开普勒型和伽利略型扩束器后的脉冲前沿畸变。尽管这两种扩束器的结构不一样，而且引入的脉冲前沿的畸变量也不同，但是脉冲前沿发生畸变的趋势却是相似的，都是靠近光束中心位置处的脉冲前沿滞后于靠近光束边缘位置处的脉冲前沿。而且随着光束口径的增大，脉冲前沿的畸变量通常可与激光脉冲的时间宽度相比拟，甚至远大于激光脉冲的时间宽度。

脉冲前沿的畸变，会使得激光脉冲在聚焦时不同空间位置处的光线到达焦点区域的时间不同，从而引起焦点区域的脉冲时间宽度的展宽，造成真实聚焦脉冲峰值强度的下降。因此，为了改善真实的聚焦脉冲峰值强度，有必要采取相应的技术手段来补偿飞秒激光脉冲放大系统中由透射式扩束装置引起的脉冲前沿畸变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对飞秒激光脉冲放大系统中由透镜扩束器引入的的脉冲前沿畸变，提供一种脉冲前沿畸变补偿装置和补偿方法，能够有效地补偿透镜扩束器引入的脉冲前沿畸变，从而提升激光脉冲聚焦后的真实峰值强度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，它包括一个凹透镜和一个离轴抛面镜，所述的离轴抛面镜的焦距比所述的凹透镜的焦距大，且两者共焦放置。

所述的一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，安装在飞秒激光脉冲放大系统中两个放大级之间，在完成脉冲前沿畸变补偿的同时实现了脉冲的扩束。

本发明解决上述技术问题所采用的又一技术方案为：一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿方法，包括以下步骤，步骤一：计算飞秒激光脉冲放大系统中所有透镜扩束器所引入的脉冲前沿畸变量；步骤二：根据步骤一计算所得的脉冲前沿畸变量，确定所述的凹透镜的焦距；步骤三：根据所述的凹透镜的焦距和飞秒激光脉冲放大系统所要求的扩束比，确定离轴抛面镜的焦距；步骤四：将所述的凹透镜和离轴抛面镜安装在飞秒激光脉冲放大系统中，且两者共焦放置。

所述步骤一中由飞秒激光脉冲放大系统中所有透镜扩束器所引入的脉冲前沿畸变量是根据下列公式通过计算获得的：

$T=\underset{m}{\Σ}\frac{-r_{m,max}^2}{2{\mathrm{cf}}_{m,2}(n-1)}(-\mathrm{\λ}\frac{dn}{d\mathrm{\λ}})(1+\frac{1}{M_m}).$

其中，r_m,max为第m个扩束系统的出射脉冲的半径；c为真空中的光速；f_m,2为第m个扩束系统中第二个透镜的焦距；n和dn/dλ为透镜材料的折射率和色散；λ为待测脉冲的中心波长；M_m为第m个扩束系统的扩束比。

所述的步骤二中的凹透镜的焦距是根据下列公式通过计算获得的：

其中，r为凹透镜处的脉冲的入射半径；c为真空中的光速；n和dn/dλ为透镜材料的折射率和色散；λ为待测脉冲的中心波长；T为所述步骤二计算所得的飞秒激光脉冲放大系统中所有透镜扩束器所引入的脉冲前沿畸变量。

所述步骤三中离轴抛面镜的焦距f_抛是根据凹透镜的焦距f_凹和飞秒激光脉冲放大系统所要求的扩束比M来确定,f_抛＝M×f_凹。

本发明的优点在于，该补偿装置在实现脉冲前沿畸变补偿的同时，还能实现激光脉冲的扩束。该补偿装置可以作为一种新型的脉冲扩束器安装在飞秒激光脉冲放大系统的两个放大级之间，从而无需在飞秒激光脉冲放大系统中使用额外的元器件来进行脉冲前沿畸变的补偿。该发明设计方法简单，科学高效，可实行性很强。

附图说明

图1是开普勒型的扩束器引入的脉冲前沿畸变；

图2是伽利略型的扩束器引入的脉冲前沿畸变；

图3是本发明脉冲前沿畸变补偿装置的结构示意图；

图4是本发明飞秒激光脉冲放大系统的实施例结构示意图；

图5是本发明实施例中根据计算所得的由所有透镜扩束器所引入的脉冲前沿畸变；

图6是本发明实施例中根据计算所得的使用脉冲前沿畸变补偿装置后的脉冲前沿畸变情况。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图3是本发明一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，它包括一个凹透镜8和一个离轴抛面镜9，所述的离轴抛面镜9的焦距比所述的凹透镜8的焦距大，且两者共焦放置。

实施例：

图4是本发明飞秒激光脉冲放大系统的实施例结构示意图。由图4可见，所述飞秒激光脉冲放大系统包括振荡器1，展宽器2，再生放大器3，透镜扩束器4，前置放大器5，透镜扩束器6，功率放大器7，脉冲前沿畸变补偿装置，终端放大器10,透镜扩束器11以及压缩器12。

在本实施例中，所述的透镜扩束器4，透镜扩束器6及透镜扩束器11都是伽利略型的扩束器。所述的透镜扩束器4由一个焦距为-200.12mm凹透镜和一个焦距为400.38mm的凸透镜组成，可将激光脉冲的光束口径从2mm扩束到4mm。所述的透镜扩束器6由一个焦距为-83.84mm的凹透镜及一个焦距为429.1mm的凸透镜组成，可将激光脉冲的光束口径从4mm扩束到20mm。所述的透镜扩束器11由一个焦距为-406.62mm的凹透镜及一个焦距为1156.9mm的凸透镜组成，可将激光脉冲的光束口径从32mm扩束到91mm。通过计算可得由所述的透镜扩束器4，透镜扩束器6以及透镜扩束器11所引入的脉冲前沿畸变量情况,如图5所示,最大畸变量为69.68fs。

所述的脉冲前沿畸变补偿装置由一个凹透镜8和一个离轴抛面镜9组成。根据图4所述的飞秒激光脉冲放大系统的要求，所述的脉冲前沿补偿装置需要将激光脉冲的光束口径从20mm扩束至32mm，要实现的扩束比为1.6。根据计算所示的最大脉冲前沿畸变量69.68fs，可以计算得到所述的脉冲前沿畸变补偿装置中凹透镜8的焦距为-74.3mm。再结合所述的脉冲前沿畸变补偿装置所需实现的扩束比(扩束比为1.6)，可以计算得到所述的脉冲前沿畸变补偿装置中离轴抛面镜9的焦距为118.9mm。图6给出了在飞秒激光脉冲放大系统使用脉冲前沿畸变补偿装置以后的脉冲前沿畸变情况。

本发明不仅适用于使用伽利略型扩束器的飞秒激光脉冲放大系统，也适用于使用开普勒型扩束器的飞秒激光脉冲放大系统。本发明在补偿脉冲前沿畸变的同时，还能作为一种新型的脉冲扩束器，实现放大脉冲光束口径的扩束。本发明设计方法简单，科学高效，实用性很强。

Claims (5)

1.一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，其特征在于该装置包括一个凹透镜(8)和一个离轴抛面镜(9)，离轴抛面镜(9)的焦距大于凹透镜(8)的焦距，两者共焦放置。

2.如权利要求1所述的一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，其特征在于该装置安装在飞秒激光脉冲放大系统的两个放大级之间，不仅能够补偿脉冲前沿畸变，同时也能够实现脉冲的扩束。

3.如权利要求1所述的一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，其特征在于所述的凹透镜(8)的焦距是根据飞秒激光脉冲放大系统中所有透镜扩束装置所引入的脉冲前沿畸变量来确定的。

4.如权利要求1所述的一种用于飞秒激光脉冲放大系统中脉冲前沿畸变的补偿装置，其特征在于所述的离轴抛面镜(9)的焦距，是根据权利要求3中所述的凹透镜(8)的焦距和飞秒激光脉冲放大系统所要求的扩束比来确定的。

5.一种利用权利要求1所述的补偿装置进行脉冲前沿畸变的补偿方法，包括下述步骤，

步骤一：计算飞秒激光脉冲放大系统中所有透镜扩束器所引入的脉冲前沿畸变量；

步骤二：根据步骤一计算所得的脉冲前沿畸变量，确定所述的凹透镜(8)的焦距；

步骤三：根据所述的凹透镜(8)的焦距和飞秒激光脉冲放大系统所要求的扩束比，确定离轴抛面镜(9)的焦距；

步骤四：将所述的凹透镜(8)和离轴抛面镜(9)安装在飞秒激光脉冲放大系统中，且凹透镜(8)和离轴抛面镜(9)共焦放置。