CN106033863A

CN106033863A - 一种高损伤阈值的强激光啁啾脉冲压缩装置及压缩方法

Info

Publication number: CN106033863A
Application number: CN201610015282.1A
Authority: CN
Inventors: 陈英; 张竹娴; 周晓霞; 王路露; 夏旭
Original assignee: Changsha University
Current assignee: Changsha University
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: CN106033863B

Abstract

本发明属于强激光技术领域，具体涉及一种具备高损伤阈值的啁啾脉冲压缩装置，核心元件是一组光栅对和一块非线性晶体。脉冲压缩过程如下：基频啁啾脉冲一分为二，各自通过光栅后在非线性晶体中进行和频。其中，不同频率的子光束经历不同的光程，经巧妙安排，脉冲的啁啾能被消除。同时，光栅产生的激光角色散也在非共线和频中得到补偿，最终获得无啁啾、无角色散的和频压缩脉冲。在本装置中，由于脉冲压缩的最后阶段在非线性晶体中进行，而非线性晶体（如BBO，KDP）的损伤阈值普遍远高于光栅；因此，相比传统的光栅对压缩器，本装置能有效提升压缩器的损伤阈值，可用于更高能量的激光啁啾压缩过程，有望提升强激光系统的输出能量。

Description

一种高损伤阈值的强激光啁啾脉冲压缩装置及压缩方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种在强激光照射条件下具备高损伤阈值的啁啾脉冲压缩器装置。

背景技术

当前国内外高能量的激光系统中的放大器装置基本上采用的是啁啾脉冲放大（CPA）或光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术。CPA技术简要描述如下：振荡器输出的飞秒脉冲首先通过展宽器展宽为纳秒量级的啁啾脉冲；然后通过多级激光放大器获得高能量的啁啾脉冲；最后，利用压缩器对啁啾脉冲进行压缩，获得持续时间短、输出功率高的高能量压缩脉冲。脉冲压缩器处在放大器的末端，它所承载的脉冲光强最大，是完成高能量激光脉冲压缩的核心元件。目前，高能量激光系统中广泛采用的脉冲压缩装置是平行光栅对。然而，光栅属于损伤阈值较低的光学元件，其激光损伤阈值仅为1 J/cm²～2 J/cm²。为了不至于损坏光栅，只好降低放大器末端的激光能量，这严重影响了强激光系统的输出能量。可见，压缩光栅的低损伤阈值是限制目前高能量激光系统输出能力的关键瓶颈之一。

为克服压缩光栅低损伤阈值的限制，目前通常采取的措施是增加激光光束在光栅上的辐照面积（即增加光栅的尺寸），降低其单位面积上的能量密度、从而降低损伤风险。经计算，要获得输出能量为数千焦耳的强激光脉冲，需要米量级的大口径光栅。但是，由于大面积曝光、刻蚀以及均匀镀膜等工艺技术上的困难，大口径光栅不仅价格高昂且不易获得；迄今为止，美国PGL实验室制作的光栅的最大口径是为910 mm×420 mm。然而，即便如此也远不能满足高能量激光系统的要求。拼接光栅技术是解决大口径光栅问题的一个重要研究方向，但拼接光栅的精度检测、反馈控制和稳定性保持均面临巨大的技术难度。

发明内容

针对当前强激光系统的输出能量受限于压缩光栅的低损伤阈值的现状，本发明的目的是提出一种具备高损伤阈值的啁啾脉冲压缩装置，有望提升现有的高能量激光系统的输出能量和输出功率。

为了更清楚地阐述本发明与普通啁啾脉冲压缩器的区别，首先对普通的平行光栅对压缩器进行描述。图1所示为普通的Treacy压缩器，由科学家Treacy发表在1969年的Journal of Quantum Elect第9期，第454~458页上，它由平行光栅对G₁、G₂和反射镜R构成。线性啁啾脉冲第一次通过光栅对后，脉冲在时间域上得到了一定的压缩；同时，脉冲在通过光栅对时产生了角色散，在空间被散开。通过反射镜进行反射后，脉冲再一次通过光栅对，其空间啁啾和时间啁啾均可得到补偿，最后获得持续时间更短的压缩脉冲。在Treacy压缩器中，高峰值功率的压缩脉冲最后通过光栅G₁衍射输出，光栅G₁承受的激光辐射密度最高，因此光栅G₁的损伤阈值将决定高能量激光系统的输出能力。

本发明提出的压缩器装置的核心光学元件是由一组光栅对G₁、G₂和一块非线性光学晶体C组成，此外还包括一块反射镜R和分光镜B，图2是本发明装置的示意图。其光学传输过程可如下简要描述：频率为ω的线性啁啾脉冲首先经分光镜B分成两束激光；这两束激光分别由光栅G₁、G₂衍射后在非线性晶体C中进行非共线和频；最后，从晶体C中输出的是频率为2ω、无啁啾的压缩脉冲。啁啾脉冲压缩的具体过程如下：基频线性啁啾脉冲在通过光栅后在空间上散开，不同频率的子光束经历不同的光程，经巧妙设计【详见具体实施方式和附录一、二】，基频激光在非线性晶体C中完成和频的同时，其脉冲啁啾也能被消除，从而输出频率为2ω、无啁啾的压缩脉冲。在此过程中，基频光通过光栅G₁、G₂时产生的角色散也在非共线的和频过程得到补偿，最终输出的2ω脉冲是无啁啾、无角色散的压缩脉冲。简而言之，线性啁啾脉冲在经过本发明装置后，可获得持续时间更短的压缩脉冲。在本发明装置中，由于啁啾脉冲压缩的最后阶段是在非线性晶体中完成的，因此非线性晶体的损伤阈值将决定高能量激光系统的输出能力。而普通非线性晶体，如BBO，KDP的损伤阈值均远高于光栅（损伤阈值为10 J/cm²～16 J/cm²，见王希敏等发表在1992年的人工晶体学报第3期，第292页上），并且实验室已经生长出大尺寸的非线性晶体，因此，理论上，本发明装置可大幅地提升高能量激光系统的输出能力。

本发明提出的这种啁啾脉冲压缩装置结构简单，无需额外设计复杂的光路，相比于普通的光栅压缩器，其损伤阈值有近1个数量级的提高，可有效地缓解现阶段光栅压缩器低损伤阈值对高能量激光系统输出能力的限制。

附图说明

图1是普通Treacy光栅对压缩器的示意图。

图2是本发明提出的啁啾脉冲压缩器装置的示意图。

图3是本发明装置中非线性晶体部分的光路示意图。

图4是本发明装置中光栅部分的光路示意图。

图中标号：图1中G₁、G₂为光栅，R为反射镜。图2中B为分光镜，C为非线性晶体，L为晶体C与光栅G₁之间的距离，α为和频过程的非共线角。ω为输入基频光的频率，2ω为输出和频光的频率。图3中k_i、k_i ^’、k_j、k_j ^’分别是频率为ω_i、ω_i ^’、ω_j、ω_j ^’基频子光束的波矢，k_ij、k_ij ^’是和频光的波矢。图4中Chirped pulse为输入的基频啁啾脉冲，θ_in为基频激光的入射角，θ_out1、θ_out2是频率为ω_i、ω_j的基频激光的0级衍射角。

具体实施方式

下面我将结合附图2、附图3、附图4详细地阐述本发明装置获得无啁啾、无角色散的和频压缩脉冲的具体实施方法。

非线性晶体部分：在本发明装置中，非线性晶体的主要作用是消除基频光的角色散和高效地实现和频转换，晶体中的光路示意图如图3所示。如果在XYZ空间坐标系中，所有和频激光的波矢（k_ij ^’，k_ij等）都沿Z轴方向（X轴方向的波矢分量为零），那么所获得的和频激光的角色散也就等于零。同时为保证和频的效率，Z轴方向上的基频波矢与和频光矢之间要满足相位匹配条件。经严格推导【见附录一】，只要和频的非共线角α₀、晶体方向角ψ以及非共线角色散量∂α/∂ω需满足以下三个方程：

； (1)

； (2)

(3)

那么非线性晶体输出的2ω激光的角色散将等于零，同时和频转换效率也会比较高，其中k=nw/c，n为晶体中的折射率； k₀、k₂₀分别是基频、和频光中心频率处的波矢；∂α/∂ω是非共线和频引入的补偿角色散量。

光栅部分：光栅在本发明装置中的作用主要是将基频光束在空间上按频率成份分开，此过程中会产生角色散量。光栅的光路示意图如图4所示。为保证非线性和频过程的高转换效率，基频激光在通过光栅衍射后需满足以下三个条件：1）两束基频激光在入射到晶体表面处的波前要保持一致，且其波前倾斜角φ要与非共线角α匹配；2）基频光在光栅中获得的角色散量 ∂θ/∂ω要恰好能被非共线频率转换引入的角色散∂α/∂ω所补偿；3）基频激光的啁啾在通过光栅和非线性晶体后要能够被消除。经严格推导【见附录二】，如果啁啾脉冲的入射角θ_in、光栅常数d的选择满足以下三个方程：

； (4)

； (5)

； (6)

条件1）、2）都能得到满足。其中θ_in是基频光入射光栅时的入射角，θ_out是经光栅出射的一级衍射光的衍射角，φ是一级衍射光到达晶体表面的波前倾斜角，d是光栅常数。此外，假定输入基频光的啁啾系数为C_p，如果光栅和晶体之间的距离L满足等式

， (7)

条件3）也能得到满足。

如果所有非线性晶体的参数（非共线角α、晶体方向角ψ）、光栅参数（光栅常数d、光栅与晶体的距离L）以及基频光入射角θ_in的选择满足上述7个等式，一个线性啁啾的、频率为ω的基频光通过本发明装置后，就可以输出无啁啾、无角色散的2ω压缩脉冲。

基于以上的理论推导，下面将给出本发明装置实现脉冲压缩的一个具体案例，以下实施案例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。假设输入基频激光是线性啁啾高斯脉冲，中心波长1054 nm，光谱带宽20 nm，啁啾脉宽20 ps，其傅氏变换脉冲宽度为80fs，其啁啾系数C_p=3.47×10^-6fs^-2。选择BBO做为Ⅰ类位相匹配的非线性晶体，相应基频中心波长的折射率n为1.65。依据BBO晶体的Sellmeier方程和公式（1），所需的和频非共线角α为7°，代入公式（2）可知相应的晶体方向角ψ为29.9°。从公式（3）可知和频过程的角色散量为–6.95×10^-17rad/Hz。考虑到晶体表面的折射效应，则光栅需产生的角色散量和相应的波前倾斜角φ分别为1.2×10^-16rad/Hz以及11.58°。

联立公式（4）-（6）可得，选择光栅常数d 为200 line/mm、基频光在近似正入射光栅时，条件1）、2）都可得到满足。最后，将上述参数代入公式（7），可知，如将光栅与晶体间的距离L设为1.68 m，基频激光的啁啾也将被消除，最终从BBO晶体中输出的是无啁啾、无角色散的2ω压缩脉冲，脉宽为57 fs。

综上，只要选择合适的光栅和非线性晶体参数，本发明装置完全可以对输入的高能量啁啾脉冲进行压缩，最终输出无啁啾、无色散的高能量脉冲。由于本压缩装置的光损伤阈值要比普通的光栅压缩器高1个数量级，这就意味着本发明装置可承受更高激光能量的照射。因此，本发明装置的提出能有效缓解高能量激光系统输出能量受限于光栅口径的现状，从而有望提升现有的高能激光系统的输出能力。

附录一：公式（1）-（3）的详细推导过程。

在本发明装置中，非线性晶体的主要作用是消除角色散和高效地实现非共线和频转换，晶体中的光路示意图如图3所示。如果在XYZ空间坐标系中，所有和频激光的波矢（图2中的k_ij ^’，k_ij等）都沿Z轴方向（X轴方向上的和频波矢分量k_ij为零），那么所获得的和频激光的角色散也就等于零。同时为保证和频的效率，Z轴方向上的基频波矢与和频光矢之间要满足相位匹配条件。

对于I类相位匹配方式（o+o→e），将波矢在X轴和Z轴两个方向上进行分解，相位匹配条件要求满足下面的公式组：

式（1.1）表明，如果波矢k的分量ksinα与频率无关（∂(ksinα)/ ∂ω=0），那么X轴上的相位匹配条件可以得到满足。将ksinα进行一阶近似展开，

(1.3)

式（1.1）中的相位失配量可重新表示为：

(1.4)

由于频率ω_i和ω_j与基频光中心频率ω₀差别不大，且非共线角α_i和α_j都非常接近于中心频率ω₀处的非共线角α₀，因而式（1.4）可以化简为：

(1.5)

从上式可以看出，只要满足：

(1.6)

则X轴方向上的相位匹配条件就会自动满足，其中∂α/∂ω通常被定义为非共线和频引入的补偿角色散量。此外，有角色散的基频激光在经过晶体表面时会发生折射现象，如图3所示；因而非线性晶体内部和表面的非共线性角，α_out和α_in（α_in即图2中的非共线角α）满足如下的关系：

α_out=nα_in (1.7)

其中n为晶体的折射率，考虑到非共线角非常小，α≈sinα。晶体内部和表面的角色散量关系如下：

(1.8)

由于ω_i和ω_j的差别很小，故可以认为n₂= n₁。则式（1.8）可重写为：

(1.9)

与X轴上的处理方法类似，在Z轴上，我们对式（1.2）中的kcosα做一级近似展开：

(1.10)

式（1.2）中的和频波的频率为ω_i+ω_j，其波矢k_ij可表示为：

(1.11)

将（1.10）、（1.11）式代入（1.2）式，可得：

(1.12)

为了使Δk_z=0表达式（相位匹配条件）的成立与频率ω_i或ω_j无关，需满足如下的方程组：

将（1.6）式代入到（1.14）式中，（1.14）式可重写为：

(1.15)

综上，要使得基频光与和频光之间将满足相位匹配条件，并且输出的和频激光无角色散，必须使得（1.6）、（1.13）和（1.15）三个等式同时得到满足（即说明书正文中的（1）、（2）、（3）式）。此时，和频转换的效率会比较高；同时输入基频光的角色散量也会得到补偿，最后从非线性晶体输出的是无角色散的和频激光。

事实上，只要选择合适的非线性晶体、合理的晶体方向角ψ以及和频非共线角α，上述的三个等式可以满足（见说明书正文中的实例）。具体地，在选择合适的非线性晶体后，先通过公式（1.13）、（1.15）确定所需的非共线角α和晶体方向角ψ；最后通过调整光栅参数d，L（见附录二），获得所需的基频光角色散量，从而使得公式（1.6）两边相等。

附录二：公式（4）-（7）的详细推导过程。

光栅在本发明装置中的作用主要是将基频光束在空间上按频率成份分开，此过程中会产生角色散量。光栅的光路示意图如图4所示。为保证非线性和频的高转换效率，基频激光在通过光栅后的衍射光需满足以下三个条件：1）两束基频激光在入射到晶体表面处的波前要保持一致，且其波前倾斜角φ要与非共线角α相匹配；2）基频光在光栅中获得的角色散量∂θ/∂ω要恰好能被非共线频率转换引入的角色散∂α/∂ω所补偿；3）基频激光的啁啾在通过光栅和非线性晶体后要能够被消除。

对于基频光束以入射角θ_in进入光栅时，其一级衍射光的出射角θ_out满足如下的光栅方程：

(2.1)

其中d是光栅常数，c是光的传播速度。光栅的Kostenbauder传输矩阵为：

(2.2)

其中x, θ, t 和f分别表示基频光的空间位置，倾斜角，时间和频率；下标in和out分别表示入射的基频光和经光栅出射的一级衍射光。在矩阵中，为标识方便，我们用β（β’）来代替θ_in（θ_out）。

条件1）要求基频光的波前倾斜角φ与和频非共线角α（即α_in）相匹配，从上述的传输矩阵可知基频光的波前倾斜角φ满足如下等式：

(2.3)

条件2）要求基频光在光栅中获得的角色散量∂θ/∂ω要恰好能被非共线频率转换引入的角色散∂α/∂ω所补偿，其中光栅产生的角色散为：

i.e. (2.4)

即要求（2.4）式与（1.9）式要相等。事实上，只要选择合适的光栅常数d和基频入射角θ_in（即β），条件1）和条件2）都可以得到满足。

要想条件3）成立，必须让频率不同的衍射子光束经历不同的光程。假设输入的线性啁啾脉冲的啁啾量为C_p（C_p=dω/dt），光栅与晶体的距离为L，基频激光中频率差为Δω（即ω_j–ω_i）的两束衍射光的衍射角度差为Δθ（即θ_out2–θ_out1）；则两束衍射光的光程差（从光栅到晶体）为：

(2.5)

考虑到Δθ非常小，可以认为cosΔθ≈1, sin(Δθ/2) ≈ Δθ/2，则（2.5）式可简化为：

(2.6)

将（2.6）式代入C_p的定义式，可得：

(2.7)

基于已知的C_p和以及计算获得的α、∂θ/∂ω，就可以通过（2.7）式计算出晶体和光栅之间所需的距离L。

简而言之，公式（2.3）、（2.4）和（2.7）描述了光栅部分需提供的波前倾斜角、角色散量以及需补偿的啁啾量。本装置通过选取适当的光栅常数d、光栅与晶体的间距L以及基频激光的入射角θ_in，可以使得上述的三个等式成立（见说明书正文中的实例），也就是说，基频激光在通过光栅衍射后需满足的三个条件完全可以得到满足。

结论：只要选择合适的非线性晶体参数和光栅参数（由公式（1.6）、（1.13）（1.15）、（2.3）、（2.4）和（2.7），即正文中的（1）-（7）式来确定），本发明装置可以对强激光啁啾脉冲实现脉冲压缩。由于本发明装置中压缩的最后阶段是在损伤阈值更高的非线性晶体中完成的，因此本装置可承受的激光脉冲强度更高，从而有望提升高能激光系统的输出能量。

Claims

1.一种高损伤阈值的强激光啁啾脉冲压缩器装置，包括一组光栅对和一块非线性光学晶体，其特征在于强激光啁啾脉冲的压缩是在非线性晶体中完成的；其中，频率为ω的线性啁啾脉冲通过分光镜后分成两束啁啾脉冲；这两束激光分别经光栅衍射后在非线性晶体中进行非共线和频；最后，从非线性晶体中输出频率为2ω、无啁啾的强激光脉冲。

2.根据权利要求1所述的脉冲压缩器装置，其特征在于基频光在光栅中获得的角色散量∂θ/∂ω恰好被非共线频率转换引入的角色散∂α/∂ω所补偿。

3.根据权利要求1所述的脉冲压缩器装置，其特征在于基频光经光栅产生的波前倾斜角φ与和频过程的非共线角α相匹配。