CN111342322B - 啁啾脉冲放大装置 - Google Patents

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Abstract

一种啁啾脉冲放大装置，包括啁啾脉冲光源、单光栅展宽器、传输放大光学系统、单光栅压缩器和目标点，啁啾脉冲经过单光栅展宽器、传输放大光学系统、单光栅压缩器后在目标点上获得高功率光斑。该装置具有降低系统复杂程度，成本优势明显的特点，可输出拍瓦级激光，在高能拍瓦装置研制领域具有重要的应用前景。

Description

啁啾脉冲放大装置
技术领域
本发明涉及超短超强激光，特别是一种啁啾脉冲放大装置。
背景技术
随着激光技术的发展，提高可聚焦光强始终是激光技术发展所追求的目标之一。上世纪80年代中期发展起来的啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简称CPA)技术被成功地用来产生超短超强激光脉冲，开创了超强激光技术的新纪元。啁啾脉冲放大技术与优良的激光增益介质相结合把激光输出功率提高了几个数量级，使输出功率达到拍瓦级(1015W)。
超强超短激光技术领域，目前有两种方案实现拍瓦级的功率输出。一种是超强超短脉冲，其特点是光束光谱很宽，可达到数百纳米，可压缩极限可达数十飞秒；另一种是高能拍瓦方案，其特点是能量很高，可达数千焦耳，脉冲宽度极限一般为数皮秒。而无论哪种构型，均需要采用大口径的光栅作为压缩器，将光脉冲进行压缩；并采用反射式汇聚元件，将光束进行聚焦。
受限于材料非线性效应及损伤阈值，一般的超强超短脉冲均采用光栅作为压缩器对光脉冲进行压缩，无论采用哪种构型，均可认为光束需要四次通过光栅实现脉冲压缩。带来的主要问题包括：
第一是较大的能量损耗，如果单块光栅的衍射效率为95％，经过四块光栅之后，压缩效率只有81％；
第二是光栅越多，引入的波前畸变越严重，最终影响焦斑的峰值功率密度；
第三是大口径的光栅技术尚不成熟，且基于多程光栅的压缩器对光栅姿态调节要求颇为复杂；
第四是超短脉冲一般采用离轴抛物面镜作为汇聚元件，对加工、安装和调整的要求都很高。
发明内容
本发明的目的是提出一种啁啾脉冲放大装置，该装置充分考虑了啁啾脉冲展宽、传输放大和压缩聚焦，采用单光栅结构的展宽器和压缩器，实现啁啾脉冲放大，结构简单，可输出拍瓦级激光，在高能拍瓦装置研制领域具有重要的应用前景。
为实现上述目标，本发明的技术解决方案如下：
一种啁啾脉冲放大装置，其特点在于，该装置包括啁啾脉冲光源、单光栅展宽器、传输放大光学系统、单光栅压缩器和目标点，啁啾脉冲光源输出的汇聚光束到达单光栅展宽器，将啁啾脉冲进行时域展宽和空间色散，该光束经传输放大光学系统后到达单光栅压缩器，脉冲经过压缩后，到达目标点。
啁啾脉冲光源到达光栅面的光斑大小不可大于光栅尺寸。传输放大光学系统的光轴为啁啾脉冲光源中心波长主光线经单光栅展宽器后的传输方向。单光栅展宽器和单光栅压缩器是传输放大光学系统的一对物像共轭面。传输放大光学系统对单光栅展宽器的放大倍率和角放大倍率为(-1)n，其中n为正整数。放大器位于传输放大光学系统光束F数较大处。单光栅压缩器的光栅尺寸、刻线密度、刻线方向等参数与单光栅展宽器一致。目标点位于单光栅压缩器输出光束中心波长主光束的传播方向，其到单光栅压缩器的距离同啁啾脉冲光源的汇聚点到单光栅展宽器的距离相等。
本发明的技术效果如下：
本发明通过单块光栅即可实现脉冲压缩和光束汇聚。在降低压缩器复杂性的同时，可有效减少真空压缩室的尺寸，免去离轴抛物面镜高难度的加工和装调，可有效降低结构件、光学件和相关环境保障组件的研制成本，可输出拍瓦级激光，在高能拍瓦装置研制领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明啁啾脉冲放大装置结构示意图
图中：1-啁啾脉冲光源；2-单光栅展宽器；3-传输放大光学系统；4-单光栅压缩器；5-目标点。
图2是本发明一种啁啾脉冲放大装置实施例示意图(一)
图中：1-啁啾脉冲光源；101-啁啾脉冲光源主光线；102-啁啾脉冲光源汇聚点；2-单光栅展宽器；3-传输放大光学系统；301-放大器；4-单光栅压缩器；5-目标点。
图3是本发明一种啁啾脉冲放大装置实施例示意图(二)
图中：1-啁啾脉冲光源；101-啁啾脉冲光源主光线；102-啁啾脉冲光源汇聚点；2-单光栅展宽器；3-传输放大光学系统；301-放大器；4-单光栅压缩器；5-目标点。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明啁啾脉冲放大装置的结构示意图，以图1、图2说明本发明在束间同步测量中的使用方法。汇聚传输的啁啾脉冲光源1具有一定的光谱宽度，其光谱宽范围为λ0±Δλ和脉冲宽度τ，可汇聚于点102处；经过单光栅展宽器2后，光束脉冲宽度将被展宽，衍射光束进入传输放大光学系统3，放大器301位于传输放大光学系统中；传输放大光学系统光轴为啁啾脉冲光源主光线101中心波长经单光栅展宽器后的传输方向。
首先采用矩阵光学方法进行理论分析。
入射光栅的光线可写作：
Figure BDA0002397025500000041
其中，r为光线在目标截面上离轴距离，u为该光线的传输角度。
单光栅展宽器2的光学矩阵可写为：
Figure BDA0002397025500000042
其中：
Figure BDA0002397025500000043
其中，θ1是光栅法线与光学系统光轴的夹角，d为光栅常数，λ为波长。
以4f系统为例，其等效传输矩阵为：
Figure BDA0002397025500000044
其中，f为4f系统透镜焦距，物距和像距均为f。其放大率为-1，角放大率为-1，满足所述的传输放大光学系统要求。
单光栅压缩器4的光学矩阵可写作：
Figure BDA0002397025500000045
其中：
Figure BDA0002397025500000051
θ2是压缩光栅法线与光学系统光轴的夹角，且θ2＝-θ1。根据矩阵光学原理，可得到经过压缩器的光线为：
Figure BDA0002397025500000052
上式表明，表明经过单光栅展宽器2、传输放大光学系统3和单光栅压缩器4后，光线位置和传输方向均与波长无关，即光束无横向色散；根据几何关系，可认为光栅及入射光线在入射面内关于传输放大光学系统的光轴进行了镜像，表明出射光束可汇聚于一点；根据几何光学成像关系，单光栅展宽器2和单光栅压缩器4物象共轭且放大率为-1，光束无轴向色散，即无脉冲展宽。
考察光束在放大器中的脉冲宽度。以典型的高能拍瓦装置参数为例进行数值模拟。其中，中心波长λ0＝1053nm，光谱宽度2Δλ＝3nm，光栅常数为d＝1/1.7um，入射角为α0＝57°，出射角为β0＝72.1°；点光源距离光栅为s＝2000mm，考察目标面距离光栅距离l＝8000mm处，主光线脉冲宽度约展宽为1ns，本发明可当做一般的啁啾脉冲放大装置进行脉冲放大。
图3可认为在所述的传输放大光学系统3多增加了一级4f系统，光束和单光栅压缩器4再镜像一次。以此类推，只要保证光学系统的放大倍率和角放大倍率同时为(-1)n，即可采用单光栅压缩器实现光束的脉冲压缩和聚焦。
实验表明，本发明通过单块光栅即可实现脉冲压缩和光束汇聚。在降低压缩器复杂性的同时，可有效减少真空压缩室的尺寸，免去离轴抛物面镜高难度的加工和装调，可有效降低结构件、光学件和相关环境保障组件的研制成本，可输出拍瓦级激光，在高能拍瓦装置研制领域具有重要的应用前景。

Claims (1)

1.一种啁啾脉冲放大装置，其特征在于，该装置包括啁啾脉冲光源(1)、单光栅展宽器(2)、传输放大光学系统(3)、单光栅压缩器(4)和目标点(5)；所述的啁啾脉冲光源(1)输出的汇聚光束到达所述的单光栅展宽器(2)，将啁啾脉冲进行时域展宽和空间色散，该光束经所述的传输放大光学系统(3)到达所述的单光栅压缩器(4)，脉冲经过压缩后，到达所述的目标点(5)，
所述的啁啾脉冲光源(1)可汇聚于一汇聚点(102)；
所述的传输放大光学系统(3)的光轴为所述的啁啾脉冲光源(1)中心波长主光线(101)经所述的单光栅展宽器(2)后的传输方向；
所述的单光栅展宽器(2)和单光栅压缩器(4)构成所述的传输放大光学系统(3)的一对物像共轭面；
所述的传输放大光学系统(3)对单光栅展宽器(2)的放大倍率和角放大率均为(-1)n，其中n为正整数；
所述的传输放大光学系统(3)的放大器(301)位于光束F数较大处；
所述的单光栅压缩器(4)的光栅尺寸、刻线密度、刻线方向参数与所述的单光栅展宽器(2)一致；
所述的目标点(5)位于所述的单光栅压缩器(4)输出光束中心波长主光束的传播方向，目标点(5)到所述的单光栅压缩器(4)的距离同所述的啁啾脉冲光源(1)的汇聚点(102)到所述的单光栅展宽器(2)的距离相等。
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