CN105794054A - 与压缩器组合的用于采样大尺寸高能的激光束的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对高能和大尺寸脉冲激光束进行采样的领域，该激光束的能量一般大于1J，直径一般大于1cm。本发明描述了用于对大直径高能脉冲激光束进行采样的设备，该设备旨在与压缩器(3)组合，其中，所述设备包括在压缩器的上游的：?采样设备，其设置有采样屈光器(44)，所述采样屈光器能够透射T％的脉冲激光束，T大于90，所述采样屈光器还能够反射(1?T)％的脉冲激光束，被反射的光束称为被采样光束，?无焦系统(42)，其能够减小被采样光束的尺寸，?对于具有确定的有用开口的压缩器，用于将已减小的被采样光束再注入到该有用开口中的设备(45)。

Description

与压缩器组合的用于采样大尺寸高能的激光束的设备

技术领域

本发明的领域在于对高能(一般大于1J)并且大尺寸(即，直径一般大于1cm)的脉冲激光束的采样。所涉及的脉冲激光的持续时间一般小于1ps，甚至在fs的量级。

背景技术

为进行代表激光束的分析，要对该光束进行采样(即，光束被采样)。

应当注意，高能大尺寸脉冲激光束是通过CPA器件获得的，CPA是“Chirped Pulse Amplifier”(“啁啾脉冲放大器”)的缩写，其如图1所示，其包括在输入处的展宽器1，展宽器能够根据波长而将低能激光脉冲展宽，其连接至放大器2，该放大器能够将已展宽的脉冲放大为高能展宽脉冲，其连接至真空压缩器3，该真空压缩器能够对已展宽且已放大的脉冲进行压缩。在压缩器的输出处，得到了高能大尺寸的以大于4TW的能量在真空中传输的激光脉冲。对于TW级的激光，甚至是多个PW级的激光，在压缩器输出处的激光脉冲的直径是厘米级、甚至米级的。

为了对这样的高能系统进行空间-时间表征，需要仅采样光束的非常小的一部分以便不破坏分析设备，还需要在维持其属性的同时缩小其尺寸以使其适应该分析设备的尺寸。

已知的方式是，使用下列各项来对这样的光束采样：

-所谓“泄漏”镜32，如图2所示，其布置在压缩器的真空罩31中，但是在压缩元件的输出处且在输出窗口33的上游，该镜的透射率小于2％，仅取得已压缩的主光束中的少量样本，

-减小无焦件42，其校正像差，位于压缩器的输出窗口的下游，以及

-用于测量已减小的被采样光束的设备43。

应当注意，上游下游方向指的是激光束传播的上游下游方向。

然而，这样的采样设备呈现出很多缺陷：

-被采样光束在得到测量之前穿过了泄漏镜32。对于脉冲持续时间极短的测量的情况，需要确保构成该脉冲的每个波长所行进的光程(即，光谱相位)在主光束和被采样光束上相同。同样必要的是，如实地保持能量的光谱分布(即，光谱强度)。因此必要的是，补偿该自身被反射，而没有穿过镜32的材料的经压缩的主光束行进的光程。然而，考虑到压缩器输出处的主光束的能量，这样的补偿器是难以制造的。实际上，这样的光束会破坏任何待穿过的材料。

-此外，被采样光束由于泄漏镜而变形，这在主光束上也是难以补偿的。

-此外，非常小的透射率(即，<2％)要求在镜的整个光瞳上和镜的整个光谱带上的采样具有非常好的均匀性。对于泄漏镜制造商而言，获得变化小于0.2％的小于2％的透射率是非常难以实现的。

因此，目前为止，仍然存在着对于能够对高能大尺寸光束进行采样而不变换其空间-时间属性的系统的需求。

发明内容

更具体而言，本发明的主题为一种用于对高能大直径脉冲激光束进行采样的设备，该设备旨在与压缩器组合。其主要特性为，其包括在压缩器的上游的：

-采样设备，其设置有采样屈光器，所述采样屈光器能够透射T％的脉冲激光束，T大于90，所述采样屈光器还能够反射(1-T)％的脉冲激光束，被反射的光束称为被采样光束，

-无焦件，其能够减小被采样光束的尺寸，

-对于具有确定的有用孔隙的压缩器，用于将已减小的被采样光束再注入到压缩器的有用孔隙中的设备。

在该配置中，泄漏镜的使用已被替换为在屈光器上的反射。该方案因此能够获得在宽光瞳上的、并且代表待分析的光束的均匀的被采样光束。实际上，被采样光束不经历与采样中的任何非均匀性相联系的任何变形，被采样光束仅取决于采样的光学指数n，其在待分析的光束的光瞳中的任何位置上都是一致的。然后可以使用被采样光束来探测宽孔隙压缩器，还可以使用应用到被采样的信号的小孔隙补偿器(其可以易于表征)。

根据该配置，被采样光束穿过比原始光束更少的材料，这与前述具有泄漏镜的情况相反。然后可以通过能够易于表征的补偿器来补偿穿过材料对被采样的信号的光程。

根据本发明的一个特征，该采样设备包括在被采样光束的路径上的光程补偿器，其能够增加该被采样光束的光程。

本发明的另一个主题为一种用于分析来自压缩器的高能大直径脉冲激光束的设备，其包括：上述的旨在与所述压缩器组合的采样设备、以及用于测量被采样且被压缩的光束的设备。

本发明还涉及一种用于通过脉冲压缩来进行激光放大的装置，其包括展宽器、放大器、压缩器，其能够在压缩器的输出处产生高能大直径脉冲激光束，其中，所述装置包括前述的分析设备。

附图说明

阅读随后由非限制性示例的方式给出的具体实施方式并且参考所附附图，本发明的其它特征和优点将变得显然，在附图中：

图1，如上所述，示意性地表示根据现有技术的放大链，

图2，如上所述，示意性地表示根据现有技术的与采样设备组合的压缩器，

图3示意性地表示根据本发明的与采样设备组合的压缩器的示例，

图4示意性地示出根据本发明的与采样设备组合的压缩器的有用孔隙中的被采样光束以及主光束的特征的示例，

图5示出泄漏镜的透射系数与二氧化硅玻璃屈光镜的反射系数的比较(图5a)，以及在这两种情况下获得的高斯光谱的光谱强度(图5b)，

图6示出在脉冲不再以相同的波长为中心的情况下，在穿过泄漏镜之后以及在被屈光镜反射之后的高斯光谱的光谱强度的差异，

图7示出时间高斯脉冲在以45°的角度穿过厚度为e(40mm)的材料之前和之后的时间强度的差异。

在所有附图中，相同的附图标记标识相同的元件。

具体实施方式

为进行对于在压缩器的输出处获得的高能大尺寸激光脉冲的代表性分析，需要确保主光束和被采样光束在其各自的路径上经历相同的空间-时间变化。

首先，具有泄漏镜的采样设备带来的问题详述如下：

-泄漏镜的透射率或其厚度必须很小，以避免在激光在镜中传输期间的SPM(自相位调制)类型的非线性效应。应当注意，非线性效应尤其取决于脉冲的尖峰输入功率以及所穿过的材料厚度。为了将非线性效应保持在合理的范围内，例如保持透射的脉冲的积分B小于1，泄漏镜的透射率因此必须大约0.1％，这带来了下一个问题。

-作为示例，取一个高反射率或HR镜，其在波长λ1下的反射率为99.9％，在波长λ2下的反射率为99.8％。

被反射的脉冲的变形，也即这两个波长之间的变形，为((99.9-99.8)/(99.9))＝0.001。因此，被反射的脉冲的变形非常小。

对于透射的脉冲，波长λ1透射0.2％，而波长λ2透射0.1％。

对于透射的脉冲，这两个波长之间的变形为((0.2-0.1)/(0.2))＝50％。因此，该情况下的变形非常大。

透射的光束(＝被采样光束)的光谱轮廓因此与被反射的有用光束完全不类似：其更宽，并且可能以另一个波长为中心。这些变形会使得时间测量不准确。

-对于TW级、甚至多个PW级的激光，压缩器中的激光脉冲的直径在厘米级、甚至米级，泄漏镜的厚度必须为大约几厘米，才能保证被反射的波前具有良好的质量(不存在波前像差)，但是如前所述，该厚度必须很小才能限制非线性效应。

-而且，原始光束被HR镜反射，其不穿过任何材料。就其本身而言，被采样光束穿过镜的基片。因此，这两个光束行进的光程不同，这两个光束从而没有经历相同的空间-时间变形。

根据本发明的方案包括在压缩器的上游进行采样。然后，在减小了被采样光束的尺寸以使其适应测量装置的尺寸之后，被采样光束与待被压缩器压缩的主光束在与主光束相同的空间-时间条件下并置。

更具体而言，结合图3描述的采样设备包括在压缩器3的上游的：

-采样设备，其被设置有例如二氧化硅或BK7的采样屈光器44，其能够透射T％的脉冲激光束以被压缩(T>90，甚至大于99)，透射的光束在其位于该屈光器的下游的路径上称为主光束或参考光束，该采样设备还能够反射(1-T)％的脉冲激光束，被反射的光束称为被采样光束。在穿过屈光器44时，非线性效应不会出现，因为在其到达压缩器输出处仍是还没有显示出尖峰功率的已展宽的光束。

-在被采样光束的路径上：

○无焦件42，其能够减小被采样光束的尺寸，其优选包括反射折射光学器件以保持被采样光束的属性；

○用于将已减小的被采样光束再注入到压缩器3的有用孔隙中的设备。该再注入设备例如是，旨在通过并置已减小的被采样光束与主光束而向着压缩器3的有用孔隙反射已减小的被采样光束的镜45。压缩器在常规上包括一个或多个色散元件，例如屈光器或反射色散光栅34、35、36、37、或透射色散光栅，这些元件中的每一个具有有用孔隙，如图4所示。该图一方面显示了还没有经历光谱色散的主光束和已减小的被采样光束到达的光栅34的有用孔隙，另一方面显示已经通过光栅34而经历了第一色散的主光束和已减小的被采样光束到达的光栅35的有用孔隙(该图中表示了三个波长)；应当注意，在每种情况下，被采样光束和主光束是并置的。应当注意，压缩器的有用孔隙被定义为所有这些色散元件的有用孔隙的公共部分。

-可选地，屈光器46，其相对于采样屈光器44对称，并且布置在压缩器的上游的主光束的路径上。该屈光器可以包括确保再注入镜45功能的部分，而另一部分旨在传输主光束；在两个光束在该屈光器上并置的情况下，其称为复合屈光器46。

主光束和被采样光束穿过了不同的基片。被压缩的主光束穿过采样屈光器44，并且可能穿过复合屈光器46。已压缩的被采样光束就其本身而言穿过输出窗口33至测量设备43。因此，采样设备还包括光程补偿器47，其使得这两个光束中的每一个的光程一致。这是色散补偿器，其布置在压缩器3的下游的被采样光束的路径上，如图所述(也可以在上游)，以便在两个光束上获得相同的色散。能够易于表征的该小孔隙补偿器47可以为例如厚度可调的屈光器，其可以包括如图所示的两个棱镜，并且能够增加已压缩的被采样光束的每个波长行进的光程(即，光谱相位)。这是可行的，因为已压缩的主光束穿过比已压缩的被采样光束更多的材料厚度，与前述的具有泄漏镜的采样设备正好相反，在前述的采样设备中，是被采样光束穿过了镜的基片。

根据本发明，采样是实时进行的。

申请人比较了由具有泄漏镜的采样设备获得的结果与由根据本发明的采样设备获得的结果。

图5a显示了泄漏镜的透射系数与二氧化硅玻璃屈光器上的反射系数之间的比较。在以820nm为中心的大约100nm的带上，屈光器的响应相比于泄漏镜的响应更线性，这还由图5b所证实，该图显示了持续时间25fs的时间高斯脉冲的光谱强度，其半高宽为40nm，中心在820nm。实际上观察到，参考脉冲和在屈光器上反射的脉冲是一致的，但是通过泄漏镜透射的脉冲使得信号发生了强变形：因此，透射的脉冲不代表被反射的脉冲。

在屈光器上采样的另一个益处在于对信号的中心波长的敏感度。图6显示了在脉冲不再以820nm为中心而是以800nm为中心(这是可能发生的)时，在泄漏镜与屈光器之间的行为差异。可见，通过屈光器进行的采样的强度对于中心波长不敏感，这与通过泄漏镜进行的采样相反。

对于光程(即，光谱相位)的差异，图7示出了以45°的角度穿过厚度为e(40mm)的材料对于持续时间为25fs、半高宽为40nm且中心在820nm的时间高斯脉冲的影响。可以观察到，通过泄漏镜进行的采样的强度使得信号发生了强变形：因此，透射脉冲不代表被反射的脉冲。应当注意，如果该变形也应用到穿过采样屈光器44的主光束上，则其相应设定地被压缩器补偿。已减小的被采样脉冲在适当设定的压缩器中还经历反变形；然而，布置在采样光束的光程上的补偿器47能够弥补该偏差。

Claims (6)

1.一种用于对高能大直径脉冲激光束进行采样的设备，该设备旨在与压缩器(3)组合，其特征在于，所述设备包括在压缩器(3)的上游的：

-采样设备，其设置有采样屈光器(44)，所述采样屈光器能够透射T％的脉冲激光束，T大于90，所述采样屈光器还能够反射(1-T)％的脉冲激光束，被反射的光束称为被采样光束，

-无焦件(42)，其能够减小被采样光束的尺寸，

-对于具有确定的有用孔隙的压缩器，用于将已减小的被采样光束再注入到该有用孔隙中的设备(45)。

2.根据前一项权利要求所述的采样设备，其特征在于，其包括在被采样光束的路径上的光程补偿器(47)，其能够增加被采样光束的光程。

3.根据前一项权利要求所述的采样设备，其特征在于，所述补偿器位于压缩器的下游。

4.根据在前权利要求中的一项所述的采样设备，其特征在于，脉冲激光束的能量大于1J，直径大于1cm。

5.一种用于分析来自压缩器(3)的高能大直径脉冲激光束的设备，其包括根据在前权利要求中的一项所述的并且旨在与所述压缩器(3)组合的采样设备，以及用于测量被采样且被压缩的光束的设备(43)。

6.一种用于通过脉冲压缩来进行激光放大的装置，其包括展宽器(1)、放大器(2)、压缩器(3)，其能够在压缩器的输出处产生高能大直径脉冲激光束，其特征在于，所述装置包括根据前一项权利要求所述的分析设备。