CN106972341A - 展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统 - Google Patents

Abstract

一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，包括内置光学平板的光栅展宽器、色散光学器件和高密度光栅压缩器，所述的光学平板被夹持在精密旋转平台上，而且该光学平板垂直于水平工作面，与衍射光方向的夹角通过驱动精密旋转平台调整。本发明能有效地消除四阶以下色散，使啁啾脉冲激光放大装置输出的宽带脉冲具有足够宽的平坦相位光谱，获得接近光谱傅立叶变换极限的超短脉冲宽度，提升啁啾脉冲激光放大装置的输出激光脉冲的峰值功率。

Description

展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统

技术领域

本发明涉及超强超短激光，特别是一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统。

背景技术

“超强超短”脉冲激光是指激光脉冲的时间宽度短至100飞秒以下(飞秒，即10^-15s，缩写fs)，峰值功率高至100太瓦以上(太瓦，即10¹²W，缩写TW)的脉冲激光。

啁啾脉冲激光放大装置能够实现超强超短脉冲输出，是超强超短激光科学领域研究的基础设备。它采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)方法为基本技术路线，能够实现超强超短激光脉冲输出。典型方案以采用CPA技术的钛宝石激光系统为例：飞秒激光源振荡锁模，产生强度较弱的800nm波段飞秒种子脉冲；飞秒种子脉冲被送入光栅展宽器中，受到展宽器的正色散作用，成为光谱随时间分布的啁啾脉冲，展宽器的色散越强，则脉冲啁啾越强；脉冲啁啾越强，则脉冲时域越宽。在大能量的啁啾脉冲激光装置中，种子飞秒脉冲通常被展宽百万倍，成为纳秒量级的长脉冲。纳秒长脉冲在包括各级激光放大介质在内的色散光学器件中穿行，逐级获得能量放大，同时持续受到光学材料色散的作用(通常也是正色散，但远小于光栅展宽器色散)。最后，在系统末端，利用光栅压缩器的负色散，补偿之前的正色散，消除激光脉冲中的啁啾，使能量被充分放大的激光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。

啁啾脉冲激光放大装置中的超短激光脉冲具有宽带光谱的特点。因为脉冲的时域形状可由其宽带光谱做付里叶变换得到，而且光谱越宽，脉宽可能越短，所以，为了获得更短的脉宽，相关研究机构都在不断提升啁啾脉冲激光放大装置的输出光谱宽度。但是，对于确定形状的光谱，最短脉宽(称为“付里叶变换极限脉宽”)只能在光谱相位曲线是一条平坦水平直线的情况下获得。实际中，激光脉冲在啁啾脉冲激光放大装置里穿行，会通过光栅展宽器和各种色散光学器件，不断累积色散(啁啾)。如果累积的色散(啁啾)不能被光栅压缩器完全补偿，则输出脉冲的光谱相位曲线将出现扭曲劣化，脉冲宽度将大于甚至远大于付里叶变换极限。以台劳(Taylor)级数方法做数学分析，光谱相位曲线可以被分解为中心波长处的一阶、二阶、三阶、四阶甚至更高阶色散(其中一阶级数只与脉冲的群速度有关，与本发明涉及的领域无关)。实现补偿的色散阶数越高，则宽带光谱就具有越宽的相位平坦区，获得的输出脉冲也就越短。

现有的光栅展宽器的基本构型可参见图1。在水平工作面内，宽光谱光束在第一光栅1处按波长衍射发散开来；利用1:1的光学望远成像系统2，第一光栅1可形成像光栅4；第二光栅3平行于第一光栅的像光栅4，可使不同波长光恢复平行；平面折返镜5使激光原路折返或在另一水平面内原路折返，并在第一光栅1处恢复成初始光束形状后离开光栅展宽器。

啁啾脉冲激光放大装置内的色散光学器件，包括激光工作介质(如钛宝石)、偏振器、光隔离器、光学透镜、普克尔盒等等各种色散元件。

光栅压缩器是啁啾脉冲激光放大装置的输出端，其基本构造是四面平面反射光栅两两平行并呈镜像放置的装置。理论分析可知，在理想的1:1的光学望远成像系统情况下，只要将光栅展宽器中的像光栅4和第二光栅3的距离写做负数，光栅展宽器与光栅压缩器的色散计算公式就完全相同。也就是说，如果不考虑色散光学器件的存在，理想光栅展宽器与光栅压缩器的各阶色散大小相等、符号相反，可以实现完全匹配和互相抵消。但对于实际运转的啁啾脉冲激光放大装置，光栅压缩器不仅要补偿光栅展宽器的色散，还要补偿色散光学器件中各种色散元件的色散。

光栅压缩器的色散量取决于激光的中心波长、入射角以及光栅刻线密度和光栅间距。三阶色散量、四阶色散量与二阶色散量的比值只与激光入射角有关；而当激光入射角确定时，二阶色散量只与光栅的间距有关。这表明，优化光栅压缩器，可以通过调整角度和间距这两个独立变量，来实现二阶色散和三阶色散的完全补偿，但无法补偿四阶色散。由于色散光学器件的存在，实现二阶色散、三阶色散补偿后的光栅压缩器，其角度、距离偏离了光栅展宽器的对应参数。这种参数失配，导致输出脉冲中有远远超过系统内材料的强四阶色散残余，输出脉冲的时域宽度也因此无法进一步缩短，阻碍了啁啾脉冲激光放大装置的峰值功率的进一步提升。

在现有技术中，日本原子能研究所M.Aoyama等人提供了一种典型的混合型光栅展宽压缩系统(“0.85-PW,33-fs Ti:sapphire laser,”Optics Letters，vol.28，2003，1594-1596)，可以消除四阶以下的系统色散。其光路布置如图2所示。飞秒种子脉冲首先被引入光栅展宽器6中。在光栅展宽器6中，光栅刻线密度1200线/mm，激光入射角8.5度，第一光栅1与像光栅4之间的垂直距离是627mm。激光脉冲被展宽成为1.5纳秒啁啾脉冲。啁啾脉冲经过包括激光工作介质(多级钛宝石放大)的色散光学器件7，获得能量放大并继续累积色散；放大后的啁啾脉冲经过高密度光栅压缩器8在时域内被压缩后输出。高密度光栅压缩器8中，光栅刻线密度1480线/mm，激光入射角24.4度，平行光栅之间的垂直距离是544mm。混合光栅展宽压缩系统的设计(1200线/mm光栅展宽，1480线/mm光栅压缩)结合色散光学器件7的色散量，理论上可以消除四阶以下的色散。报道中，61nm半高全宽的光谱带宽，最终实现33fs超强超短激光脉冲的输出。

上述技术方案，在实际中遇到各种困难：

首先，在先技术的光栅展宽压缩系统，在实际使用中需要调试优化。应用在先技术的实际装置中，展宽器、压缩器以及色散光学器件不能实现精准搭配，那么四阶色散补偿无法实现。在实际安装调试中，各部件各项参数相对设计值都会出现偏差；在实际啁啾脉冲放大装置建设运转过程中，色散材料种类以及材料长度也经常会因实际需要而做出频繁调整。这些偏差累积起来，导致压缩后的残余四阶色散量迅速升高，进而四阶色散补偿失败。

其次，在先技术的光栅展宽压缩系统，在实际使用中难以调试优化。对于相对较小的偏差，理论上可以优化各项参数，增减色散材料，予以解决。但实际中，在先技术无法实现材料色散的连续可调变化；每次前端光路的材料增减调整，都可能影响后续的激光指向，需要重新校准光路；每次前端参数的修正，又都需要重新调试压缩器的光栅入射角和光栅间距，以补偿新参数下的二三阶色散。这使得四阶色散补偿优化的工作量巨大，难以实现。

再次，在先技术的光栅展宽压缩系统，可能需要辅以很多额外的材料色散。光栅压缩器是光栅展宽压缩系统设计的出发原点。大能量啁啾脉冲激光放大装置中，光栅压缩器是大口径大尺寸的，以避免能量破坏。与这样的大压缩器设计相匹配，材料器件色散的设计值可能远大于实际器件色散。这就需要在啁啾脉冲放大装置中专门引入一段很长的透射式光学材料补充材料色散。增加了能量损耗，劣化了光学质量。高质量的透射式材料本身也非常昂贵，而且长度固定，无法随意调整。

就以M.Aoyama等人所报道方案中的实际表现来看，61nm半高全宽的光谱带宽足以支持20fs脉冲输出，33fs的脉冲输出，表明只有三阶以下的色散得到了补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，该光栅展宽压缩系统能有效地消除四阶以下色散，能精细控制啁啾脉冲激光放大装置的系统色散，使啁啾脉冲激光放大装置输出的宽带脉冲具有足够宽的平坦相位光谱，以获得接近光谱傅立叶变换极限的超短脉冲宽度，最终提升啁啾脉冲激光放大装置的输出激光脉冲的峰值功率。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，包括光栅展宽器、色散光学器件和高密度光栅压缩器，其特点是在所述的光栅展宽器的第一光栅和1:1光学望远成像系统之间的衍射光路中插入一光学平板，称为内置光学平板的光栅展宽器，所述的光学平板被夹持在精密旋转平台上，而且该光学平板垂直于水平工作面，与衍射光方向的夹角通过驱动精密旋转平台调整，所述的光学平板宽度足以通过整个衍射光束，所述的光学平板厚度达到设计所需要的色散量，所述的光栅展宽器的光栅刻线密度低于所述的高密度光栅压缩器的光栅刻线密度。

所述的光学平板是高质量色散材料制成的。

所述的光栅展宽器是透镜组展宽器、Offner展宽器、Lemoff展宽器或柱面展宽器。

本发明的工作过程是：飞秒种子脉冲首先进入内置光学平板的光栅展宽器，展宽成啁啾长脉冲。啁啾长脉冲经过各种色散光学器件，接受能量放大和材料色散等作用后，进入高密度光栅压缩器，被压缩成为飞秒量级的超短脉冲。

所述的光栅展宽器，是以光栅为色散元件，利用1:1光学望远成像系统形成一个像光栅，而第二光栅和像光栅之间彼此平行且具有“负”距离。光栅展宽器是具有强大脉冲时域展宽能力的展宽器，只要有必要，可以将飞秒种子脉冲展宽至纳秒量级。根据1:1光学望远成像系统的不同，光栅展宽器可以是透镜组展宽器、Offner展宽器、Lemoff展宽器、柱面展宽器等。为了补偿四阶以下色散，本发明中展宽器的光栅刻线密度应该低于压缩器光栅。

所述的内置光学平板的光栅展宽器，是在已有光栅展宽器的基础上，在激光被光栅衍射发散之后的光路中，插入高质量的光学平板。光线追迹分析表明，光学平板位于光栅展宽器内部时的色散特性与其材料自身固有色散完全不同，色散能力有很大提升。光学平板的位置，应该在光栅之后，望远成像光学元件之前，应该能覆盖整束发散光。光学平板与光栅间的距离不会影响色散量。一般而言，距离近一些好，因为这样的位置上光束尚未发散开，对光学平板的口径要求较小。为了提高透射率，减少能量损失，光学平板可以呈布儒斯特角放置，也可以在两个工作面加镀增透膜。光学平板应该被夹持在精密旋转平台上，该平台应该具有姿态精密调节和角度精密调节功能。这样就可以通过微调光学平板与光线的夹角，连续调整色散。

所述的色散光学器件，是啁啾脉冲激光放大装置内的各种色散元件的集合，包括激光工作介质(如钛宝石)、偏振器、光隔离器、光学透镜、普克尔盒等等。

所述的高密度光栅压缩器是啁啾脉冲激光放大装置的输出端，使用比展宽器刻线密度更高的光栅为色散元件，能够提供强烈负色散，具有强大压缩能力的压缩器。其基本构造是四面平面反射光栅两两平行并呈镜像放置，也可以采用两光栅加平面折返镜等简化结构。高密度光栅压缩器提供负色散，可以补偿光栅展宽器和系统色散光学器件所导致的色散，将纳秒量级光脉冲压缩回飞秒量级脉宽。为了补偿四阶以下色散，压缩器的光栅刻线密度应该高于展宽器光栅。

本发明具有以下创新点：

本发明创新地将光学平板内置于光栅展宽器中。光学平板置于光栅展宽器内部时的色散特性，与其材料本身固有色散完全不同：进入光栅展宽器的激光光束受到光栅的衍射作用，不同光谱分量会沿不同的方向行进；这样的衍射光透过内置光学平板时，强化了内置光学平板的色散能力，获得了远超过光学平板材料本身的连续可调色散量。色散能力有几十倍的提升，而且，最大的特点是改变光学平板与衍射光的夹角可以连续调整色散量。

本发明创新地将内置光学平板的光栅展宽器应用于构建可补偿四阶以下色散的光栅展宽压缩系统。首先，补偿四阶以下色散的光栅展宽压缩系统对系统材料总色散量有明确的要求，只有满足特定的色散量，展宽压缩系统才能实现四阶以下色散补偿。光栅展宽器中内置的光学平板，只需要厘米量级厚度的光学平板，就可以获得相当于几米长材料的色散。这使得配合设计要求增加系统色散变得轻而易举。其次，光学平板被夹持在精密旋转平台上，微调光学平板与衍射光线的夹角，可以连续地平缓地改变色散量，而且不会影响后续的激光路径，减化了光栅展宽压缩系统实现四阶以下色散补偿所需要的优化工作。

本发明具有以下技术效果：

本发明，通过设计光栅展宽器中内置光学平板的材料、厚度、角度等参数，获得了光栅展宽压缩系统设计所需的大色散量，使其可以实现四阶以下系统色散的补偿，避免了为满足设计而添加长尺寸光学色散材料导致的光束质量劣化和能量损耗。

本发明，光学平板被夹持在精密旋转平台上，通过改变光栅展宽器中的内置光学平板角度，即可实现色散连续可调，避免了色散量调整过程对原有光路的干扰破坏，全面简化了光栅展宽压缩系统的优化过程，使补偿四阶以下色散具备了现实可操作性。

本发明能够补偿啁啾脉冲激光放大装置四阶以下色散，而且易实现易调整。能够使啁啾脉冲激光放大装置输出的宽带脉冲具有足够宽的平坦相位光谱，以获得接近光谱傅立叶变换极限的超短脉冲宽度，最终提升啁啾脉冲激光放大装置的输出激光脉冲的峰值功率。

附图说明

图1是现有的光栅展宽器的结构示意图

图2是现有的混合型光栅展宽压缩系统的结构示意图

图3是本发明展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统的结构示意图

图4是本发明内置光学平板的光栅展宽器的结构示意图

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。

请参见图3，图3是本发明展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统的结构示意图，由图可见，本发明展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统包括内置光学平板的光栅展宽器9、色散光学器件7和高密度光栅压缩器8。

所述的内置光学平板的光栅展宽器9，请参见图4。该内置光学平板的光栅展宽器9在现有光栅展宽器6的第一光栅1和1:1光学望远成像系统2之间的衍射光路中插入一光学平板10构成的，该光学平板10被夹持在精密旋转平台11上，该光学平板10垂直于水平工作面并与衍射光方向成一定夹角，所述的光学平板10宽度足以通过整个衍射光束，所述的光学平板10厚度达到设计所需要的色散量，所述的内置光学平板的光栅展宽器的光栅刻线密度低于所述的高密度光栅压缩器8的光栅刻线密度。

本实施例的内置光学平板的光栅展宽器9光栅的刻线密度1200线/mm，光脉冲入射角8.5°，带通100nm。在中心波长衍射光方向上，物像光栅总间距260cm，能将飞秒脉冲展宽至2.9纳秒。内置光学平板10采用高质量石英玻璃材料，尺寸50×50×32(厚)mm。内置光学平板10被夹持在精密旋转平台11上，该平台具有姿态精密调节和角度精密调节功能。调整精密旋转平台11，使内置光学平板10垂直于水平面，并与800nm中心波长衍射光方向成45度夹角(入射光线侧的边应远离光栅，见图4)。选择45度角，是为了增加色散的可调节范围。需要调整的范围较小时，也可以选择布儒斯特角以提高透射率。

本实施例中，色散光学器件7中采用钛宝石做为激光工作介质放大激光脉冲能量，并提供材料色散。脉冲能量的放大与否，通常不会对光栅展宽压缩系统的色散管理产生影响。为了突出重点、简化说明，本实施例只考虑多级放大器中累积的100cm长的钛宝石光程。在调试的过程中并不需要放大级满负荷运转，只要各种光学材料各就各位，小能量运转保证脉冲测量所需能量即可。

本实施例中，高密度光栅压缩器8采用了四块平面反射光栅两两平行并呈镜像放置的构型。这种构型特别适用于大能量大口径光束的啁啾脉冲激光放大装置。在本实施例中，高密度压缩器8的光栅刻线密度为1480线/mm，光脉冲入射角约24.46°，在中心波长衍射光方向上，平行光栅总间距约207cm。带通100nm。

本发明展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统的本实施例的工作过程如下：

(1)在本实施例中，飞秒种子脉冲的中心波长800nm，光谱带宽100nm，脉冲宽度12fs。依次途经内置光学平板的光栅展宽器9、色散光学器件7和高刻线密度光栅压缩器8。本实施例中各部件及系统色散量见表1。

表1本发明实施例中各部件在800nm波长的各阶色散

	二阶色散量fs2	三阶色散量fs3	四阶色散量fs4
				光栅展宽器	9.973×106	-4.1817×107	2.7672×108
内置石英片	8.1×104	5.0×104	-9.1×105
				色散光学器件	5.8×104	4.2×104	-1×104
高密度光栅压缩器	-1.0112×107	4.1725×107	-2.7580×108
				合计	0	0	0

其中，32mm石英玻璃片在800nm波段光垂直入射的情况下，可提供二阶1160fs²、三阶882fs³和四阶-363fs⁴的材料色散。但在本发明实施例中，同样长度的石英玻璃片能提供相当于2.2米长的石英玻璃材料的色散。

(2)在校准光路后，适当地小能量运转色散光学器件7中能量放大元件，以确保足够的脉冲能量供脉冲宽度测量使用。

(3)在高密度光栅压缩器8后测量光脉冲宽度。以测量结果为依据，反复调节高密度光栅压缩器8的入射角和光栅间距，找到脉冲宽度最短的状态，可以认为实现了三阶以下色散的补偿。

(4)微调精密旋转平台11，在水平面内调整内置光学平板10的角度后，重复步骤(3)。记录在不同光学平板角度下，压缩器能实现的最小脉冲宽度(即二三阶色散补偿时的脉宽)。

本发明实施例中，内置光学平板的角度调整导致二阶色散量发生改变，其理论计算值见表2所示。

表2本发明实施例中石英玻璃片在不同角度下的二阶色散

其中，55.47度是本实施例中石英玻璃片的布儒斯特角，在该角度运转透射率最高。

(5)分析最可能的角度区间，细调内置光学平板11的角度，重复步骤(3)，测量并找到最短脉宽，实现了四阶以下色散的补偿。在本实施例中，输出脉冲光谱半高全宽达到60nm，实现四阶以下色散补偿优化后,可以产生20fs左右的超短脉冲输出。

Claims (3)

1.一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，包括光栅展宽器、色散光学器件和高密度光栅压缩器，其特征是在所述的光栅展宽器的第一光栅和1:1光学望远成像系统之间的衍射光路中插入一光学平板，称为内置光学平板的光栅展宽器，所述的光学平板被夹持在精密旋转平台上，而且该光学平板垂直于水平工作面，与衍射光方向的夹角通过驱动精密旋转平台调整，所述的光学平板宽度足以通过整个衍射光束，所述的光学平板厚度达到设计所需要的色散量，所述的光栅展宽器的光栅刻线密度低于所述的高密度光栅压缩器的光栅刻线密度。

2.根据权利要求1所述的展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，其特征在于所述的光学平板是高质量色散材料制成的。

3.根据权利要求1所述的展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，其特征在于所述的光栅展宽器是透镜组展宽器、Offner展宽器、Lemoff展宽器或柱面展宽器。