CN110431719B - 多输出啁啾放大链 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种M输出啁啾脉冲放大链(100)，其中M>1，包括：‑展宽系数为tx_stretch的展宽器(10)，‑串级的M个放大器(20₁，....20_M)，‑M个输出压缩器(30₁，...30_M)，其分别放置在每个放大器的输出处，其特征在于，其包括：‑放置在展宽器和第一放大器之间的部分压缩装置(50)，该部分压缩装置具有至少一个部分压缩系数，一个(或多于一个)部分压缩系数低于tx_stretch，以及‑光学开关(40)，其构造为接收从展宽器(10)输出的束并根据从输出压缩器中选择的输出压缩器而将束直接引导至串级的第一放大器(20₁)或部分压缩装置(50)。

Description

多输出啁啾放大链

技术领域

本发明的领域是多输出啁啾放大链的领域。

背景技术

可以回想一下，单输出放大链在其输入处包括展宽器，其功能是利用展宽系数tx_stretch暂时展宽激光脉冲，然后展宽的脉冲由放大器放大，然后由置于真空室中的压缩系数tx_compression＝tx_stretch的时间压缩器压缩，如图1所示。有时，在文献中按惯例tx_compression＝-tx_stretch，而下面不采用这种惯例。压缩器的功能是补偿展宽器的展宽。展宽器和压缩器通常包括衍射光栅。

M输出放大链在展宽器100的输出处包括串级的M个放大器，每个放大器20_i(i从1变化到M)与其自身的压缩器相关联(因此有M个压缩器30_i)，每个压缩器的输出一起形成链的M个输出，如图2所示。在每个激光放大器的输出上，激光束可以被发送到与所述放大器相关的压缩器，或者发送到后面的放大器。

沿着脉冲通过放大链的路径，脉冲必须遵守某些约束，包括每个光学元件的注量和能量约束，这需要针对每个光学元件定义最小入射束直径。在多输出放大链的情况下，这意味着放大器的数量越多，随着串级中的放大器的等级增加，最小束直径变得越大(束的空间扩展增加)，并且所讨论的放大器的尺寸越大。由于每个元件的尺寸取决于该直径，并且由于这些元件尽可能小，特别是出于体积和成本的原因，这相当于增加了光学元件的尺寸并因此增加了其成本。最小直径在链的末端，即在M号输出压缩器的输入处最大。最后输出处的最后一个压缩器接收高能量并因此具有大直径的激光脉冲，以保证该压缩器中使用的光栅能够承受激光通量。为了限制激光束在该压缩器中的渐晕，光栅彼此远离，这导致压缩系数的增加，因此不再等于展宽器的展宽系数(这是相对计于激光放大器的光学通量阻力而不考虑渐晕计算的)。具体地，将回想起压缩系数与光栅之间的距离成比例。由于展宽系数必须等于待作为输出传递的变换限制脉冲的压缩系数，因此展宽器必须与后一个压缩器匹配并且必须具有等于最后一个压缩器(M号压缩器)的压缩系数的展宽系数。因此，必须使所有中间压缩器(1号至M-1号压缩器)与展宽器的展宽系数相匹配。压缩器的光栅之间的距离变得大于光栅用于单输出构造的情况，这要求压缩器的光栅及压缩器的真空室的尺寸增加。

这个问题将在以下具有高能量和高功率的示例中说明。

例如，考虑一个双输出链，其具有展宽系数等于10ps/nm的展宽器、在1号放大器输出处能量为25J、1号压缩器输出处的功率为1PW、2号放大器输出处的功率为250J、2号压缩器输出处的功率为10PW。

每个压缩器所包括的衍射光栅通常具有约200mJ/cm²的通量阻力。因此，每个压缩器的尺寸设计为以100mJ/cm²的平均注量运行，以实现安全裕度并且不会有损坏的风险。

在这样的假设下，需要体积很大的2号压缩器，其各种衍射光栅必须相隔很远以避免任何渐晕。这种压缩器的压缩系数变高，通常为14ps/nm，并且不同于展宽系数。因此有必要重新审视整个链的配置。

第一种解决方案在于使用具有与2号压缩器相同的压缩系数的1号压缩器，该压缩系数等于展宽系数，即在我们的示例中为14ps/nm。为此，1号压缩器的衍射光栅必须比10ps/nm的展宽系数距离更远；因此1号压缩器的衍射光栅必须更大。1号压缩器的真空室本身也必须体积更大。

另一种解决方案包括使用具有不同压缩系数的压缩器，例如1号压缩器为10ps/nm并且2号压缩器为14ps/nm，并根据设想的输出修改展宽器的展宽系数，例如，通过机动化展宽器的第二个光栅。然而，展宽器是一个关键关键。

包括衍射光栅的展宽器10的一个示例如图3所示；涉及包括一个Offner三元组1以及彼此平行的两个衍射光栅11,12的展宽器。在这种配置中，Offner三元组所代表的光学元件由凹面镜2和凸面镜3组成，凸面镜3的曲率半径是凹面镜的一半。这些镜以同心几何形状放置。Offner三元组产生与对象大小相同的图像。该Offner三元组被放置在脉冲在两个倾斜衍射光栅11,12之间行进的路径上。通过展宽器的一次或多次通过(下面表示为nbre_pass_ETR)可以通过弯折棱镜(二面体13)实现，如图所示。由展宽器引入的色散量由两个光栅11,12之间的距离G_ETR确定。

在两个光栅中的一个机动平移期间，两个光栅必须保持彼此平行，以便不引入色差。两个光栅的蚀刻凹槽也必须保持彼此平行：一个光栅的凹槽保持平行于另一个光栅的凹槽。

从图3中可以看出，因此需要将两个光栅中较大且因此较重的一个(光栅11)以非常好的滚动/偏转/俯仰稳定性进行平移。

因此，从一个输出到另一个输出的快速通道可能需要重新调整展宽器，并因此需要检查展宽器的输出处的色差。这样的程序需要时间。在图3中还可以看出，必须使二面体13的尺寸不可忽略地过大。

发明内容

因此，至今仍需要一种多输出啁啾放大链，其同时令人满意地满足调节稳定性、操作简便性、体积和成本方面的所有上述要求。

更确切地说，本发明的一个主题是M输出啁啾脉冲放大链，其中M>1，给放大链包括：

-展宽系数为tx_stretch的展宽器，

-串级的M个级放大器，

-M个输出压缩器，其分别放置在每个放大器的输出处。

该放大链的主要特征在于，其包括：

-放置在展宽器和第一放大器之间的部分压缩装置，该部分压缩装置具有至少一个部分压缩系数，一个(或多于一个)部分压缩系数低于tx_stretch，以及

-光学开关，其构造为接收从展宽器输出的束并且根据在输出压缩器中选择的输出压缩器将该束直接引导至串级的第一放大器或部分压缩装置。

放置在展宽器和1号放大器之间的该部分压缩装置允许展宽系数与各种输出压缩器的压缩系数相匹配。

从展宽器输出的束通过光学开关发送到部分压缩装置，或直接发送到1号放大器。因此，用户快速从一种操作模式转换到另一种操作模式，而无需如现有技术中那样重新调整展宽器。

这使得既可以避免必须使展宽器的衍射部件机动化，又可以获得尽可能紧凑的中间压缩器(压缩器1至M-1)。

当M>2时，部分压缩装置可包括具有可调节压缩系数的部分压缩器，例如通过在包含衍射光栅的部分压缩器中机动化衍射光栅中的一个而获得。

根据一个替代方案，当M>2时，部分压缩装置包括L个部分压缩器，1<L<M，每个部分压缩器具有恒定的压缩系数。

根据本发明的放大链通常被配置为放大持续时间短于100fs的脉冲。

部分压缩装置放置在展宽器和1号放大器之间。该部分压缩装置允许展宽系数与各种输出压缩器的压缩系数相匹配。因此，中间输出(输出1至M-1)被批量优化。这使得既可以避免必须使展宽器的衍射部件机动化，又可以获得尽可能紧凑的压缩器。

本发明的另一主题是一种使用脉冲放大链的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

-用展宽器展宽脉冲，

-根据在所述输出压缩器中选择的输出压缩器，通过光学开关将脉冲发送到部分压缩装置或将脉冲直接传递到下一步骤，

-将脉冲通过放大器串级从第一个放大器发送到与所选输出压缩器相关的放大器，

-将脉冲发送到所选输出压缩器。

从展宽器输出的束可以通过光学开关发送到部分压缩装置，或者直接发送到1号放大器。因此，用户快速从一种操作模式转换到另一种操作模式，而无需如现有技术中那样重新调整展宽器。

附图说明

通过阅读以下通过参考附图的非限制性示例给出的详细描述，将使本发明的其他特征和优点变得显而易见，其中：

已经描述的图1示意性地示出了根据现有技术的单输出啁啾放大链，

已经描述的图2示意性地示出了根据现有技术的多输出啁啾放大链，

已经描述的图3示意性地示出了现有技术的展宽器的示例，

图4示意性地示出了现有技术压缩器的示例，

图5示意性地示出了根据本发明的多输出啁啾放大链，

图6示意性地示出了根据本发明的放大链的恒定系数部分压缩器的示例，

图7示意性地示出了根据本发明的放大链的包括弯折二面体的可调系数部分压缩器的第一示例，

图8示意性地示出了根据本发明的放大链的包括两对衍射光栅的可调系数部分压缩器的第二示例。

在所有附图中，相同的元件用相同的参考标记表示。

具体实施方式

如前所示，放大链基本上包括展宽器、放大器以及压缩器。现考虑包括衍射光栅的展宽器和压缩器。

展宽器和压缩器是类似的：展宽器是在其衍射光栅之间具有负等效距离的压缩器，该距离由-1倍放大的光学系统产生，如在前序中提到的惯例。

包括两个衍射光栅11,12的展宽器10的示例在图2中示出。还可以使用包括单个衍射光栅的展宽器。包括单个衍射光栅的展宽器的原理是相同的，但是单个光栅远离Offner三元组的曲率中心。

展宽器10的特征在于以下几何参数：

-两个光栅之间的距离：G_ETR。在具有单个衍射光栅的展宽器的情况下，G_ETR是衍射光栅与Offner三元组的曲率中心之间的距离的两倍。

-第一光栅12(或单光栅)上的入射角：θ_ETR。

-每个光栅的凹槽密度：N_ETR。

如已经指出的，可以实现穿过展宽器的1次或多次通过。

展宽系数为：

其中：

λ0＝脉冲频谱的平均波长，

c＝光速，

θd_ETR＝由第一光栅12(或单个光栅)针对波长λ0所衍射的一阶角，由下式给出：

sin(θd_ETR)+sin(θ_ETR)＝λ0N_ETR

压缩器30_i的示意图如图4所示。该压缩器包括两对衍射光栅31_i，32_i和33_i，34_i。四个光栅每毫米都具有相同数量的凹槽。光栅31_i和34_i具有相同的尺寸；这对于光栅32_i和33_i来说也是一样，但光栅32_i和33_i的尺寸可以大于光栅31_i和34_i的尺寸。入射在第一光栅31_i上的脉冲5朝平行于第一光栅31_i的第二光栅32_i衍射。将该脉冲5发送到第三光栅33_i时，该脉冲5被第二光栅衍射，该第三光栅33_i将该脉冲5朝第四光栅34_i衍射。在该第四光栅34_i的出口处，脉冲5的持续时间已被压缩。

压缩器的几何参数为：

-每对2个光栅之间的距离：G_CPR，

-第一光栅上的入射角：θ_CPR，

-光栅的凹槽密度：N_CPR。

压缩系数为：

-θd_CPR，由第一个光栅针对波长λ0所衍射的角度，其由下式给出：

sin(θd_CPR)+sin(θ_CPR)＝λ0N_CPR

如果出现以下情况，则展宽器和压缩器的光谱相位完全相反：

G_CPR＝G_ETR x nbre_pass_ETR

θ_CPR＝θ_ETR

N_CPR＝N_ETR.

在没有色散材料放置在放大链中的理想情况下，光谱相位为零并且激光脉冲是变换极限的，即其持续时间在理论上是最短的。当然，放大链的激光束穿过色散材料，例如放大晶体。然而，相对于展宽器或压缩器的展宽系数，这种色散元件的展宽系数可以忽略不计。因此，这里忽略了由这些色散元件引入的展宽系数(或等效光谱相位)。

根据本发明，部分压缩装置50放置在展宽器10和1号放大器(20₁)之间。

参考图5描述根据本发明的M输出啁啾放大链100的示例。

其包括：

-展宽器10，其连接到

-光学开关40，其连接到

-部分压缩装置50，其功能是能够使展宽系数与每个输出压缩器的压缩系数相匹配，以及

-与第一输出压缩器30₁相关联的第一放大器20₁，

-其他放大器20₂，...，20_M，所有放大器20₂，...，20_M串级放置，每个其他放大器20₂，...，20_M与另一个输出压缩器30₂，...，30_M相关联。输出压缩器的压缩系数随等级增加，即最后一个压缩器，压缩器M，具有最高的压缩系数。

根据所选输出，从放大器20₁，...，20_M-1输出的激光脉冲被引导到与该放大器相关联的压缩器，或者通过放置在除了最后一个以外的每个放大器的输出处的光学开关(图中未示出)而被引导到后面的放大器。

光开关40(以及可选地位于放大器的输出处的开关)是光学不变量。其可以是可伸缩镜面系统，其包括安装在同一个机动可平移元件上的两个平行镜面，或安装在可旋转平台上的镜面，以便寻址部分压缩器或避免该部分压缩器。因此，根据该镜面系统的位置，可以选择或避免部分压缩装置。

根据输出压缩器的压缩系数，为部分压缩装置50设想了多种配置。

定义如下：

-tx_stretch_resist_flux：展宽器10的对于激光放大链的光学器件的通量阻力所需的最小展宽系数。

-tx_stretch(i)：展宽器10的既限制i号压缩器(压缩器30_i)中的渐晕，又保证该压缩器(即i号压缩器)上游的激光放大链的光学器件的通量阻力所需的展宽系数；因此：

tx_stretch(i)>tx_stretch_resist_flux

并且由于i号压缩器所接收的能量高于i-1号压缩器(压缩器30_i-1)所接收的能量：

tx_stretch(i)≥tx_stretch(i-1)。

关于M号压缩器，其是限制了该压缩器，M号压缩器(即压缩器30_M)的光栅之间的距离，而非限制各种激光放大器20₁至20_M的光学器件的通量阻力的渐晕。

-tx_stretch_max＝max[tx_stretch(i)]＝tx_stretch(M)。

展宽器10的展宽系数是tx_stretch_max。

-tx_compression_partial，部分压缩设备50的压缩系数，其是要优化的参数。

对于输出i，其遵从：

tx_stretch(i)≤tx_stretch_max-tx_compression_partial

从展宽器10输出的激光束通过光学开关40引导至部分压缩装置50。

对于其他输出(其中使得tx_stretch(i)>tx_stretch_max-tx_compression_partial)，从展宽器10输出的激光束被光学开关40偏离，以避免部分压缩装置50；束被直接偏离至1号放大器。特别是最后一个输出(＝M号压缩器的输出)的情况。

因此，激光脉冲首先通过展宽器10。根据所使用的i号输出，i从1变化到M，脉冲被发送到部分压缩装置50，或者脉冲被直接发送到下一级。

然后，激光脉冲通过一系列放大器20₁至20_i。然后，该脉冲被朝压缩器30_i偏离。该脉冲不通过放大器20_i+1。

各种输出的各种压缩器具有与展宽器相同的几何参数：θ_CPR(i)和N_CPR(i)接近展宽器的参数θ_ETR和N_ETR。这些参数在理论上是相同的，但由于展宽器和压缩器之间的色散材料(例如放大晶体)而在实践中接近。各种压缩器的光栅间距离G_CPR(i)根据所需的压缩系数来设定。

部分压缩装置例如是参考图6描述的Treacy压缩器50a，其几何参数等于其他压缩器30_i和展宽器10的几何参数：相同的θ_CPR，相同的N_CPR。该部分压缩装置包括：

第一衍射光栅51a、第二衍射光栅52a。光栅51a和52a具有相同数量的凹槽，光栅51a和52a是平行的并且其凹槽彼此平行。光栅51a和52a可以具有不同的尺寸，通常52a的宽度大于51a的宽度。二面体60a允许激光射线朝52a重定向并且改变这些激光射线的高度。因此激光射线依次通过51a、52a、60a、52a和51a。

距离G_CPR_partial(i)约为：

G_CPR_partial(i)＝G_ETR x nbre_pass_ETR-G_CPR(i)。

可以从中推导出部分压缩器的压缩系数，即tx_compression_partial。也可以写：

tx_compression_partial(i)＝tx_stretch(M)-tx_stretch(i)。

当1号至M-1号中间输出压缩器(即压缩器30₁至30_M-1)都具有相同的压缩系数时，部分压缩装置50通常包括具有恒定压缩系数的单个部分压缩器50a，其中一个示例示于图6。

当1号至M-1号压缩器不具有相同的压缩系数(压缩器具有增加的压缩系数)时，部分压缩装置50可包括多个部分压缩器，通常与具有不同压缩系数的压缩器30_i一样多的部分压缩器。这些部分压缩器中的每一个的部分压缩系数是恒定的，并且根据与其对应的一个(或多于一个)输出压缩器而设定。这些部分压缩器并联设置。

根据一个替代方案，部分压缩装置50包括一个(或多于一个)部分压缩器，其压缩系数可根据相应的输出压缩器进行调节。该可调系数例如使用如下压缩器获得：

-在压缩器50a包括两个光栅+弯折二面体的情况下，该压缩器的第二衍射光栅52a在对应于51a和52a之间的光谱中心的波长的中间射线的方向上机动，一个示例如图7所示，由于与图2所示的展宽器相同的原因，二面体60a的尺寸过大，或者

-在包括两对光栅51b，52b，53b，54b的压缩器50b的情况下，该压缩器的第二和第三衍射光栅52b，53b在对应于52b和53b之间的光谱中心的波长中间射线的方向上机动平移，如图8所示。

根据本发明的这种放大链使得既可以避免必须使展宽器的衍射部件机动化，又可以使用尽可能紧凑的中间压缩器(压缩器30₁至30_M-1)。

具有以下规范的示例实施例描述如下：

-定心于800nm上的高斯光谱，其半峰全宽为60nm。必须最小化720-890nm光谱的渐晕。

-3个激光放大器，其具有用532nm激光泵浦的Ti：Sa晶体。

-3个输出压缩器(一个输出压缩器位于每个激光放大器之后)。

-最小展宽系数：tx_stretch_resist_flux＝9.58ps/nm。该展宽系数允许防止损坏激光放大器的光学器件。

放大器参数：

选择与基于传统全息光栅的具有1480个凹槽/mm的压缩器配合。

入射角选择在56°附近(在有用光谱带中衍射有效性和渐晕的限制之间的折衷)。

全息衍射光栅的最大注量在110mJ/cm²附近。

在3个压缩器的输入处获得以下直径：

	CPR输入直径(mm)	面积(cm<sup>2</sup>)
			压缩器1	48	18
压缩器2	152	182
			压缩器3	481	1816

距离G_CPR(3)＝980mm被设定为限制3号压缩器中的渐晕。

3号压缩器的压缩系数为14.1ps/nm。因此，高于仅确保通量阻力所需，即高于tx_stretch_resist_flux＝9.58ps/nm。

根据本发明，展宽器设计成具有与链端部的M号压缩器，在本例中是3号压缩器相同的展宽系数。

当使用输出1或2时，激光脉冲从展宽器发送到部分压缩装置，以便展宽器的展宽系数(14.1ps/nm)减去部分压缩装置的系数(4.52ps/nm)等于tx_stretch_resist_flux(9.58ps/nm)。

各种元件的参数是：

因此，压缩器3显然体积最大。

在该示例中，压缩器1和2具有相同的压缩系数；然后，部分压缩装置包括具有恒定系数的单个压缩器。

Claims (6)

1.一种M输出啁啾脉冲放大链(100)，其中M>1，包括：

-展宽系数为tx_stretch用于暂时展宽激光脉冲的展宽器(10)，

-串级的M个放大器(20₁，....20_M)，

-M个输出压缩器(30₁，...30_M)，其分别放置在每个放大器的输出处，

其特征在于，其包括：

-放置在所述展宽器和第一放大器之间的部分压缩装置(50)，该部分压缩装置具有至少一个部分压缩系数，一个或多于一个部分压缩系数低于tx_stretch，以及

-光学开关(40)，其构造为接收从所述展宽器(10)输出的束并根据从所述M个输出压缩器中选择的输出压缩器而将所述束直接引导至串级的所述第一放大器(20₁)或所述部分压缩装置(50)。

2.根据前项权利要求所述的放大链，其特征在于，M>2，并且所述部分压缩装置包括具有可调节压缩系数的部分压缩器(50a，50b)。

3.根据前项权利要求所述的放大链，其特征在于，所述部分压缩器包括至少一个机动平移衍射光栅。

4.根据权利要求1所述的放大链，其特征在于，M>2，并且所述部分压缩装置包括L个包含衍射光栅的部分压缩器，其中1<L<M，每个部分压缩器具有恒定的压缩系数。

5.根据前述权利要求中任一项所述的放大链，其被构造为放大持续时间短于100fs的脉冲。

6.一种使用如前述权利要求中任一项所述的脉冲放大链的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

-用所述展宽器(10)展宽脉冲，

-根据在所述输出压缩器中选择的输出压缩器(30_i)，经由光学开关(40)将所述脉冲发送到所述部分压缩装置(50)或将所述脉冲直接传递到下一步骤，

-将所述脉冲通过放大器串级从所述第一放大器(20₁)发送到与所选输出压缩器(30_i)相关联的放大器(20_i)，

-将所述脉冲发送到所述所选输出压缩器(30_i)。

Images