CN110535008A - 基于全反射望远系统离轴补偿构型的消色差光栅展宽器 - Google Patents

Abstract

一种基于全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，包括光栅、全反射望远系统离轴补偿结构、屋脊镜和棱镜。本发明利用凸面镜球面校正全反射式望远系统离轴球差，消除反射式光栅展宽器的色差，显著改善激光束的远场光斑质量。本发明可以减少光栅展宽过程中光学系统色差引入的相位畸变，可以使激光啁啾脉冲放大装置的最终输出脉冲具有更宽的平坦光谱相位，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。

Description

基于全反射望远系统离轴补偿构型的消色差光栅展宽器

技术领域

本发明涉及激光啁啾脉冲放大系统，特别是一种用于宽光谱飞秒激光脉冲的全反射望远系统离轴补偿型消色差光栅展宽器。

背景技术

“超强超短”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)。

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。

光栅展宽器是激光脉冲放大的预备阶段器件，它将飞秒宽光谱激光脉冲展宽成纳秒级宽度的啁啾脉冲，以方便后续能量放大。它的基本方法是利用1:1的光学望远成像系统形成一个彼此间距离为负值的平行光栅对。光栅的空间色散能力和光栅之间的负值距离形成了强烈正色散，使得不同的光谱分量位于脉冲的不同时间位置，形成了纳秒级宽脉冲。

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。理论分析可知，光栅展宽器与光栅压缩器的色散计算公式完全相同。也就是说，在相同参数下，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。

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，脉宽就可能越短，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，会因为色散元件的相位扭曲、光栅展宽器和光栅压缩器之间的失配等原因，造成输出脉冲的光谱相位扭曲劣化。这使得在中心波长附近的平坦相位谱区变窄，脉冲宽度将大于甚至远大于光谱的付里叶变换极限。在中心波长附近，如果能够具有更宽的平坦相位谱，那么最终获得的输出脉冲也就有希望更短。

与理想的1:1光学望远成像系统不同，实际的光学系统会存在色差，使得光栅展宽器与理想的负距离光栅对相偏离。这样会给激光束引入空间啁啾(其远场无法聚焦成点)，也会带来额外的相位波动(导致光栅压缩后无法实现足够宽的平坦相位，脉冲无法压缩到最窄)，将防碍啁啾脉冲激光放大装置峰值功率的进一步提升。

G.Cheriaux等人提供了一种无畸变的OFFNER全反射式光栅展宽器(Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification,Opt.Lett.,1996,21,414-416.)，其中的1:1望远系统由Offner于1971年设计。OFFNER全反射式光栅展宽器的光路布置如图1所示。飞秒激光脉冲(圆光斑)被引入光栅展宽器后，首先，在一个水平工作面内被光栅1按照不同波长衍射发散开来；然后，进入由一面反射式凸面镜2(曲率半径R)和一面反射式凹面镜3(曲率半径2R)构成的共心1:1光学望远成像系统(其中，反射式凸面镜2和反射式凹面镜3共球心C)。该1:1光学望远成像系统将使光线在另一水平面内返回光栅1。从光线传播的角度看，该1:1光学望远成像系统使得各光谱分量光线离开/返回光栅1时的传播指向互相平行且相反；从光学成像的角度看，该光学系统使得光栅1形成像光栅4(光栅1和像光栅4关于球心C中心对称且互相平行)——光栅与1:1光学望远成像系统在像空间构造了一对彼此间负距离的平行光栅对。需要注意的是，为了光路的畅通无阻，激光与光学系统球心C并不在同一个水平面内。屋脊镜5将离开光栅的平行激光从一个水平面折入另一个水平面，送回光栅展宽器。当完成整个渡越后，激光恢复成正常的圆光斑。棱镜6的作用，则是提供再一次的完整往返渡越，实现2倍的展宽和色散效果。

上述技术方案，在实际中遇到困难。

首先，在先技术的光栅展宽器成像系统中，虽然能够避免光学材料色散，但无法避免球面镜傍轴光与离轴光的聚焦差异。通过几何光学对子午面内光线的分析可知，对于一个曲率半径2R的凹面镜，其傍轴光的焦距为R，但离轴光线的焦距将短于傍轴光线，形成球差。这种球差与光线偏离光轴的距离呈正比。

其次，在先技术的光栅展宽器中，受光栅衍射作用影响，激光脉冲的不同光谱分量沿不同指向行进，尤其是在宽光谱(50～200nm)、大色散(>1200线/mm光栅色散)的情况下，不同光谱分量的角度、路径差异显著。由于激光与球心不在同一高度内，所以对于不同指向的光谱分量，离轴距离存在差异。

综上所述，球面镜球差与激光光谱波长相结合，形成展宽器的色差。

其一，在先技术的光栅展宽器成像系统中，对于逐渐偏离中心波长的那些光谱分量，凹面镜(曲率半径2R)的焦点逐渐远离凸面镜(曲率半径R)表面。进而使得望远系统也逐渐偏离1:1的角放大率。这会导致激光离开展宽器后，各光谱分量有一定的方向差异(空间色散)。对激光作远场聚焦时，可以发现激光束的远场焦斑会散开呈“一”字形。

其二，在先技术的光栅展宽器成像系统中，像光栅的位置随着球差逐渐发生改变，这就意味着不同光谱分量拥有不同的光栅间距。不可避免地，光谱的相位发生畸变。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种全反射望远系统离轴补偿型的消色差光栅展宽器，该消色差光栅展宽器可以避免球面反射镜球差引起宽带激光光谱色差的光栅展宽器。本发明消除了激光脉冲的空间色散和相位畸变，可以优化光栅展宽器，使啁啾脉冲在放大、压缩后能够恢复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，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：

一种全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，包括光栅、凹面镜、屋脊镜、棱镜和凸面镜，其特点在于所述的凹面镜和凸面镜构成同轴1:1的全反射式望远系统离轴补偿结构，所述的光栅在所述的全反射式望远系统中形成像光栅，所述的光栅和像光栅互相平行构成彼此间负距离的平行光栅对，所述的凹面镜是曲率半径2R的反射式光学球面镜，所述的凸面镜是反射式光学球面镜，所述的凸面镜的曲率半径R’≠R，其球面与系统光轴的交点是所述的凹面镜的傍轴光的焦点位置F——所以凹面镜的球心O与凸面镜的球心O’相分离，在所述的光栅的激光输出方向依次是所述的屋脊镜和棱镜。

所述的光栅是反射式色散光学元件，表面有大量细密光栅刻线，通常选择1200线/mm、1480线/mm等中高刻线密度镀金光栅。

所述的凸面镜的球面为一个长条形工作球面。

所述的凹面镜和凸面镜的表面镀金膜、镀银膜或介质膜。

所述的屋脊镜是由两片长条形平面反射镜在竖直面内互呈直角而构造出的光学元件，两长条形平面反射镜通常镀金膜或介质膜。

所述的棱镜是透射式光学元件，其工作面为等腰直角三角形。

所以本发明用略大于R的R’作为凸面镜7的曲率半径，以使凸面镜7更加贴合凹面镜3在水平面内的焦面。R’设计的具体方法1：在宽带光谱中等间隔选取若干样本波长，分别确定它们的衍射方向及子午面内的离轴距离，以此推算凹面镜在该样本波长的对应焦点并绘出焦面曲线，最后用球面拟合就可以得到凸面镜7的曲率半径。具体方法2：建立光栅展宽器的光线追迹模型，用数字模拟的方式改变凸面镜曲率半径获得最佳的输出光斑远场，最终获得最优的凸面镜曲率半径。其中方法1未能计入凹面镜和凸面镜不同心带来的光线角度误差，但仍能保证一定设计精度。

所述的屋脊镜5是由两片长条形平面反射镜在竖直面内互呈直角而构造出的光学元件。它可以将因为波长不同而在同一个水平面内平行分离光线束折返回光栅展宽器，并转换到另一高度的水平面内。两长条形平面反射镜通常镀金膜或介质膜。

所述的棱镜6是透射式光学元件，其工作面为等腰直角三角形，利用两直角面的全反射将激光束送回光栅展宽器，通常不镀膜。棱镜6可以完成飞秒激光在光栅展宽器中的再一次渡越，使光栅展宽器色散能力倍增。

本发明具有以下创新点：

本发明针对光栅展宽器的结构特点，提出了全反射式望远系统离轴补偿构型，利用凸面镜球面校正全反射式望远系统离轴球差。

本发明具有以下技术效果：

本发明能够消除在先技术OFFNER全反射式展宽器的输出光斑的空间啁啾，显著改善激光束的远场光斑质量。尤其适用于脉冲光谱全宽达到100～200nm的近红外波段宽光谱啁啾脉冲放大系统。

本发明可以减少光栅展宽过程中光学系统色差引入的相位畸变，可以使激光啁啾脉冲放大装置的最终输出脉冲具有更宽的平坦光谱相位，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OFFNER全反射式光栅展宽器的水平面结构示意图

图2是本发明全反射望远系统离轴补偿构型的消色差光栅展宽器的水平面结构示意图

图3是凹球面镜子午面内光线焦距变化的示意图

图4是对800nm中心波长激光束的750/775/800/825/850nm波长分量进行光线追迹，数值模拟计算得到的输出远场图样(未校正球差)

图5是对800nm中心波长激光束的750/775/800/825/850nm波长分量进行光线追迹，数值模拟计算得到的输出远场图样(已校正球差)

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。

先请参阅图2，由图可见，本发明全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，包括光栅1、凹面镜3、屋脊镜5、棱镜6和凸面镜7，所述的凹面镜3和凸面镜7构成同轴1:1的全反射式望远系统离轴补偿结构，所述的光栅1在所述的全反射式望远系统中形成像光栅8，所述的光栅1和像光栅8互相平行构成彼此间负距离的平行光栅对，所述的凹面镜3是曲率半径2R的反射式光学球面镜，所述的凸面镜7是反射式光学球面镜，所述的凸面镜7的曲率半径R’≠R，其球面与系统光轴的交点是所述的凹面镜3的傍轴光的焦点位置F——所以凹面镜3的球心O与凸面镜7的球心O’相分离，在所述的光栅1的激光输出方向依次是所述的屋脊镜5和棱镜6。

所述的光栅1是反射式色散光学元件，表面有大量细密光栅刻线，通常选择1200线/mm、1480线/mm等中高刻线密度镀金光栅。

所述的凸面镜7的球面为一个长条形工作球面。

所述的凹面镜3和凸面镜7的表面镀金膜、镀银膜或介质膜。

所述的屋脊镜5是由两片长条形平面反射镜在竖直面内互呈直角而构造出的光学元件，两长条形平面反射镜通常镀金膜或介质膜。

所述的棱镜6是透射式光学元件，其工作面为等腰直角三角形。

本实施例，可以为800nm中心波长啁啾脉冲放大系统的100nm带宽飞秒激光提供脉冲时域展宽。光栅1的刻线密度1480线/mm，精细调整后光栅刻线垂直于水平面。凹面镜3的曲率半径为1000mm。飞秒激光在低于球心10mm的水平面内入射光栅，入射角50度，设计其800nm中心波长的衍射光线与全反射望远系统的中心轴相互平行。精调凸面镜7的光轴与凹面镜3的光轴重合，精调凸面镜7的位置使光轴上的球面与凹面镜3的傍轴焦点F重合。激光衍射光经过凹面镜3、凸面镜7、凹面镜3后，被光栅1所准直，在高于球心10mm的水平面内形成平行光。该平行光被屋脊镜5折向高于球心30mm的水平面。45度直角棱镜6可以完成飞秒激光在光栅展宽器中的再一次渡越，使光栅展宽器色散能力倍增。需要说明的是各光学元件的设计尺寸都应满足100nm光谱带通需要。

建立以上光栅展宽器的光线追迹模型，选择750nm、775nm、800nm、825nm、850nm五个波长进行光线追迹。凸面镜7的曲率半径为凹面镜的一半(即500mm)时，远场光斑有明显的空间啁啾，如图4。由此图可以看出，对于窄光谱(如775nm～825nm)，色差并不显著；但对于超过100nm以上宽光谱，色差会非常显著。凸面镜7的曲率半径为527mm时，不同光谱的远场光斑重叠在同一位置，消除了空间色差，如图5。需要说明的是，图中的比例尺为50微米。

Claims (4)

1.一种基于全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，包括光栅(1)、凹面镜(3)、屋脊镜(5)、棱镜(6)和凸面镜(7)，其特征在于所述的凹面镜(3)和凸面镜(7)构成同轴1:1的全反射式望远系统离轴补偿结构，所述的光栅(1)在所述的全反射式望远系统中形成像光栅(8)，所述的光栅(1)和像光栅(8)互相平行构成彼此间负距离的平行光栅对，所述的凹面镜(3)是曲率半径2R的反射式光学球面镜，所述的凸面镜(7)是反射式光学球面镜，所述的凸面镜(7)的曲率半径R’≠R，其球面与系统光轴的交点是所述的凹面镜(3)的傍轴光的焦点位置F，所述的凹面镜(3)的球心O与凸面镜(7)的球心O’相分离，在所述的光栅(1)的激光输出方向依次是所述的屋脊镜(5)和棱镜(6)。

2.根据权利要求1所述的基于全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，其特征在于所述的光栅(1)是反射式色散光学元件，表面有大量细密光栅刻线，通常选择1200线/mm、1480线/mm等中高刻线密度镀金光栅。

3.根据权利要求1所述的基于全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，其特征在于所述的凸面镜(7)的球面为一个长条形工作球面。

4.根据权利要求1所述的基于全反射式望远系统离轴补偿构型的光栅展宽器，其特征在于所述的凹面镜(3)和凸面镜(7)的表面镀金膜、镀银膜或介质膜。