CN109478753A

CN109478753A - 紧凑型高平均功率压缩器

Info

Publication number: CN109478753A
Application number: CN201780043497.7A
Authority: CN
Inventors: M·安捷; A·佩莱格里纳; S·洛; M·沙博诺
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2037-07-03
Also published as: CN109478753B; JP2019527478A; WO2018010984A1; CA3030590A1; EP3485542A1; FR3054082B1; KR20190028698A; FR3054082A1; US20190305500A1

Abstract

本发明涉及用于具有预定展宽比的频移系统的折叠式压缩器(3)，其包括：压缩光栅，其定位为接收压缩器的输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)，并安装在动态平移和旋转调节装置(310)上；折叠反射镜(41)和至少一个高度调节反射镜(42)，压缩光栅和反射镜配置为在压缩光栅上形成至少两个展宽脉冲(T3、T4)。将压缩光栅分为安装在所述调节装置(310)上的两个具有相同光学特性的压缩子光栅(31a、31b)：‑第一压缩子光栅(31a)，其长度为L1，确定为包括展宽脉冲(T3、T4)但不包括输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)，‑第二压缩子光栅(31b)，其长度为L2，以包括输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)但不包括展宽脉冲(T3、T4)，其中L2<L1。

Description

紧凑型高平均功率压缩器

技术领域

本发明的领域是具有超短脉冲持续时间(通常小于1ps)的激光器。

背景技术

这种激光脉冲是通过脉冲压缩激光放大装置获得的，该装置也称为频移系统100(或CPA，表述“啁啾脉冲放大器”的首字母缩写)，如图1所示。由发生器0提供的具有低能量和短持续时间的激光脉冲10是：

-通过展宽器1在时域上展宽(最长波长在最短波长之前到达，但在空间上保持在一起)为具有低峰值能量和长持续时间的脉冲11；展宽比意指展宽后脉冲持续时间与展宽前脉冲持续时间之间的比值，

-然后，展宽脉冲11由放大器2放大为长持续时间的高能脉冲12；该放大器2通常由级联的一系列放大器组成，

-然后，展宽并放大的脉冲12由压缩器3压缩为具有高峰值能量和短持续时间的脉冲13。

CPA系统的输入端和输出端的脉冲持续时间接近傅立叶极限(通常在几百到几十fs之间)。

压缩器3可以将在压缩器的输入端的脉冲持续时间达到几ns的脉冲在压缩器的输出处压缩为几百fs甚至几十fs。压缩器是频移结构中的关键组件，因为频移结构的光学组件(压缩光栅(réseau de compression)、反射镜(dièdre))必须承受压缩后的激光的全部平均功率和峰值功率。压缩光栅意指压缩器中使用的衍射光栅。此外，在一些激光器中，压缩比(其定义为压缩前的脉冲持续时间与压缩后的脉冲持续时间之间的比值)可能非常高，范围可达数万(例如100000)。通常，压缩比等于展宽比。该压缩比确定了压缩器的尺寸。

在当前用于对以高展宽比展宽然后放大的脉冲12进行压缩的压缩器结构中，可以涉及以下内容：

-图2所示的“常规”压缩器结构3或Treacy压缩器，其具有2个压缩光栅31、32。在压缩比为几万的情况下，两个光栅31、32之间的距离为几米。这种非紧凑型的结构可能使脉冲的压缩随时间不稳定。另外，在光栅31、32上执行该结构的调节，每个光栅安装在其自己的动态平移和旋转调节装置310、320(由两个箭头表示)上，因此使得这种调节难以执行。

-为了减小压缩器3的尺寸并改善其稳定性，可以使用折叠结构，如图3a所示。这具有以下优点：将光学元件之间的距离近似减半；利用安装在单个动态平移和旋转调节装置310(由两个箭头表示)上的单个压缩光栅31，从而便于调节；并且将动态优化调节的重点放在单个压缩光栅上。

然而，该结构需要获取大光栅31，其长度通常大于500mm。由于这些光栅通常不是由制造商提供的，所以成本很高并且供货时间很长，与所谓的“标准”光栅(＝长度短于500mm)相比供货时间可能是两倍。

另外，给定光栅的长度L，其厚度ep也较大的，通常是光栅长度的10％，从而确保压缩器输出端的良好的波前质量。该厚度限制了光栅的后冷却以管理热量的可能性，特别是在压缩器输入端处具有高平均功率(例如大于300W)，或者在压缩器输出端处具有高峰值功率(例如大于1TW)的脉冲的情况下。

因此，至今仍需要CPA系统的压缩器，该压缩器在体积、供货时间和成本、易于调节以及平均功率和/或峰值功率方面同时满足所有上述要求。

发明内容

通过将单个长压缩光栅分为以下两个压缩子光栅，所提供的解决方案可以在保持折叠结构的同时使其适应任何高平均功率：

-较大的子光栅，其包括具有展宽光谱的脉冲，在承受以峰值功率或平均功率表示的通量方面没有任何问题，

-标准尺寸的较小子光栅，其包括压缩器输入和输出脉冲，因此能够承受峰值功率和平均功率。

更确切地说，本发明的一个主题是一种用于具有预定展宽比的频移系统的折叠式压缩器，并且包括：

-压缩光栅，其定位为接收压缩器输入脉冲和输出脉冲，压缩光栅安装在动态平移和旋转调节装置上，

-折叠的反射镜，以及

-至少一个高度调节反射镜，

压缩光栅和反射镜配置为在压缩光栅上形成至少两个展宽脉冲。

其特征主要在于，将压缩光栅分为安装在所述调节装置上的两个具有相同光学特性的压缩子光栅：

-第一压缩子光栅，其长度为L1，确定为完全包括展宽脉冲但不包括输入脉冲和输出脉冲，

-第二压缩子光栅，其长度为L2，以完全包括输入脉冲和输出脉冲但不包括展宽脉冲，其中L2<L1。

两个压缩子光栅并排设置在单个平移和旋转调节装置上。在将两个子光栅安装在压缩器内之前，两个子光栅的刻线一次性彼此对齐(以便彼此平行)。一旦两个子光栅安装在压缩器中，它们就表现得像具有共用调节装置的单个光栅，从而便于调节并且可以保持折叠结构的动态调节的优点。通过将承受通量的问题转移到标准部件(＝小的子光栅)，可以在发生破损时减少供货时间并且降低成本。

根据本发明的一个特征，第一压缩子光栅具有厚度ep1，而第二压缩子光栅具有厚度ep2，其中ep2<ep1。

由于承受高平均功率的压缩子光栅具有较短的长度，因此厚度可以更小。这种更薄的厚度可以更好地冷却该子光栅，从而降低子光栅对损坏的敏感性以及压缩器输出端的激光脉冲的波前的畸变。

通常输入脉冲的平均功率大于300W。

该技术解决方案也适用于具有高峰值功率的折叠结构。供应速度和较低成本方面的论证仍然有效。

本发明的另一主题是一种频移系统，该频移系统包括如上所述的展宽器、放大器和压缩器。

附图说明

通过阅读以下以非限制性示例的方式给出的详细描述并参考附图，本发明的其它特征和优点将变得明显，在附图中：

已经描述的图1示意性地示出了根据现有技术的频移放大系统，其中指示了每个元件对脉冲(能量根据时间)的影响，

已经描述的图2示意性地示出了根据现有技术的具有两个压缩光栅的压缩器的第一示例的截面图，

已经描述的图3a示意性地示出了根据现有技术的包括单个压缩光栅的折叠式压缩器的第二示例的截面图，图3b示出了单个光栅上的脉冲的空间分布，

图4a示意性地示出了根据本发明的包括两个压缩子光栅的折叠式压缩器的示例的截面图，图4b示出了这些子光栅上的脉冲的空间分布。

从一个附图到另一个附图，相同的元件具有相同的附图标记。

在说明书的其余部分中，参考所描述的附图的方向使用表述“高”、“低”和“侧”。在压缩器可以以其它方向定位的情况下，方向术语通过示出的方式表示并且不是限制性的。

具体实施方式

图3b示出了折叠式压缩器3的单个光栅31上的脉冲在其通过压缩器的行程期间的空间分布。脉冲12在长度为L、高度为h且厚度为ep的压缩光栅31上形成：

-输入端的光斑T1，其根据波长在时域上展宽，其

-在由光栅31返回到折叠反射镜41，折叠反射镜41将光斑返回到光栅31之后，形成在空间域上光谱展宽的光斑T2，其

-在由光栅31返回到高度调节反射镜42，高度调节反射镜42将光斑返回到光栅31之后，形成在空间域上光谱展宽并且沿着高度h位于T2下方的光斑T3，其

-在由光栅31返回到折叠反射镜41，折叠反射镜41将光斑返回到光栅31之后，形成沿着高度h位于T1下方并且表示在时域上压缩的输出脉冲13的光斑T4。

假定输入脉冲T1和输出脉冲T4位于脉冲T2、T3(脉冲T2、T3由光栅31在空间域上光谱展宽)侧面(沿着长度L)，如图3b中可见，单个光栅31的长度L远大于传统结构的每个光栅31、32的长度；长度L至少等于光栅31和32的长度之和。

根据本发明，改变折叠式压缩器的结构以更具体地适应具有高压缩(或展宽)比的系统的情况，以便在具有特别高平均功率的脉冲的情况下降低对该结构的风险；不过，当然，该结构也能够在具有低平均功率的脉冲的情况下使用。

由于压缩器输入脉冲T1和输出脉冲T4在光栅31上都没有在空间上展宽，所以光栅的该区域上的平均功率密度和峰值功率密度非常高；当然，时域上压缩的输出脉冲T4的平均功率密度和峰值功率密度比时域上展宽的输入脉冲T1的平均功率密度和峰值功率密度大得多。因此，在承受通量方面，组件的极限集中在接收T1和T4的这个区域上，实际上是在整个T4上。但是，如果发生损坏，则必须更换整个光栅。

参考图4a和4b来描述根据本发明的压缩器的一个示例：图3a的大单个光栅31被分为两个压缩子光栅31a和31b，压缩子光栅31a和31b并排位于相同的动态平移和旋转调节装置310(用两个箭头表示)上。从平移和旋转调节的角度来看，这对子光栅在压缩器中表现得像单个光栅，具有相应的优点(易于调节、稳定等)。当然，这两个子光栅具有相同的光学特性(刻线311的间距(图3b和4b中仅显示几个刻线，以免过度拥挤)、波长、以波长表示的半高全宽等)。图4b示出了两个子光栅上的脉冲位置的示意图：

-第一压缩子光栅31a完全包括光谱展宽脉冲T2和T3但不包括T1或T4，因此即使L1<L，第一压缩子光栅31a也具有较长的长度L1，从而导致高成本和长供货时间。第一压缩子光栅31a具有先验地与h相同的高度h1，并且由于L1<L，所以厚度ep1先验地小于ep。然而，该长子光栅31a上的平均功率密度低，从而限制了子光栅损坏以及波前畸变的风险。

-第二压缩子光栅31b，其与(完整的)压缩器输入脉冲T1和输出脉冲T4而不是T2或T3相倚靠，并且由于这些脉冲的空间维度，因此可以具有更短的长度L2(L2<L1)。通常情况是(L1/L2)≥压缩比。第二压缩子光栅31b的高度h2可以小于h1，厚度为ep2。因此，该子光栅31b承受更高的平均功率密度，因此集中了所有的损坏风险。由于第二压缩子光栅31b的长度L2是标准的，因此供货时间短且成本低，从而减少了与任何损坏相关的缺点。

这两个子光栅间隔足够小的距离d，从而不增大压缩器的体积。0.3至3mm的距离是合理的。

另外，由于L2<L1，因此有利地可以使ep2<ep1，从而可以更好地进行热冷却。这种更好的热管理限制了损坏的风险并防止波前的过度畸变。

这种压缩器可以在紧凑性、调节性(两个子光栅31a和31b位于共用的平移和旋转调节装置310上)以及稳定性方面保持折叠结构的优点。

在添加额外的反射镜的进一步折叠的结构的情况下，仍保持这些优点。每添加一个新的高度反射镜，使光栅31a上的脉冲数量加倍。所有的展宽的脉冲沿h1叠加，如图4b所示。如果该展宽的脉冲数意味着h1>L1，那么当然厚度ep1根据最大尺寸h1而确定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于具有预定展宽比的频移系统的折叠式压缩器(3)，其包括：

-压缩光栅，其定位为接收压缩器的输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)，并安装在动态平移和旋转调节装置(310)上，

-折叠反射镜(41)，以及

-至少一个高度调节反射镜(42)，

所述压缩光栅和所述反射镜配置为在压缩光栅上形成至少两个展宽脉冲(T3、T4)，

其特征在于，将压缩光栅分为安装在所述调节装置(310)上的两个具有相同光学特性的压缩子光栅(31a、31b)：

-第一压缩子光栅(31a)，其厚度为ep1，并且长度为L1，确定为完全包括展宽脉冲(T3、T4)但不包括输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)，

-第二压缩子光栅(31b)，其厚度为ep2，其中，ep2<ep1，并且长度为L2，以完全包括输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)但不包括展宽脉冲(T3、T4)，其中L2<L1。

2.根据前述权利要求所述的压缩器，其特征在于，所述输入脉冲(T1)的平均功率大于300W。

3.一种频移系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的展宽器(1)、放大器(2)和压缩器(3)。

Claims

-折叠反射镜(41)，以及

-至少一个高度调节反射镜(42)，

-第一压缩子光栅(31a)，其长度为L1，确定为完全包括展宽脉冲(T3、T4)但不包括输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)，

-第二压缩子光栅(31b)，其长度为L2，以完全包括输入脉冲(T1)和输出脉冲(T4)但不包括展宽脉冲(T3、T4)，其中L2<L1。

2.根据前述权利要求所述的压缩器，其特征在于，所述第一压缩子光栅(31a)具有厚度ep1，并且所述第二压缩子光栅(31b)具有厚度ep2，其中ep2<ep1。

3.根据前述权利要求中任一项所述的压缩器，其特征在于，所述输入脉冲(T1)的平均功率大于300W。

4.一种频移系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的展宽器(1)、放大器(2)以及压缩器(3)。