CN111399244B - 光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，利用高精度透射面形来进行补偿光栅的衍射波前畸变。本发明可以很好地补偿光栅压缩器内部时空畸变，具有经济、简单易行并易于集成的特点，可以提升超强激光的聚焦能力。

Description

光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法
技术领域
本发明涉及超强超短激光，特别是一种光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，以补偿拍瓦级超高峰值功率激光装置，啁啾脉冲放大或光参量啁啾脉冲放大系统中的光栅压缩器内部时空畸变。
背景技术
由于拥有超强峰值功率与超短时域特性，超强超短激光脉冲可为人类提供前所未有的极端的物理条件，在强激光粒子加速、实验室天体物理、核聚变快点火等重大前沿科学研究领域有着重要应用。正是因为这些重要的应用前景，目前全世界已经有五十多套拍瓦量级的激光装置。
啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,简称CPA)和光参量啁啾脉冲放大(optical parameter chirped pulse amplification,简称OPCPA)技术是目前超强超短脉冲激光放大的两种主要方法。这两种方法的核心思想都是先利用一个光栅展宽器对入射的飞秒或皮秒(10-15秒或10-12秒)超短种子激光脉冲进行啁啾展宽，使其脉冲宽度从皮秒或飞秒展宽到纳秒(10-9秒)量级。脉冲展宽后的啁啾激光脉冲可以不损伤介质或晶体，从而可以在激光介质(比如钛宝石晶体)或者非线性晶体(比如BBO，KDP晶体，OPCPA放大)中进行进一步的CPA或OPCPA放大。对于PW量级的激光，能量放大后的啁啾激光脉冲最后都需要经过光栅压缩器将啁啾激光脉冲从纳秒宽度再压缩回到飞秒或皮秒脉冲宽度。在压缩器中，根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ(这里，d为光栅刻线密度，α为入射角，β衍射角，λ为激光波长，m为衍射级次，这里通常为1)，激光经过光栅后，不同波长的激光会被衍射到不同方向，致使不同波长所走光程不同从而引入色散压缩激光脉冲。特别是在典型四光栅压缩器中，第二光栅和第三光栅的衍射波前畸变会引入不能采用压缩前后可变形镜进行补偿的时空耦合的畸变效应，这种畸变不仅影响激光的聚焦光斑大小，还影响聚焦光斑上脉冲的宽度，从而影响整体的聚焦光强[Optics express,2018,26(7),8453-8469]。
超强超短激光装置的压缩器通常都是反射式光栅压缩器，装置结构较为简单，因为光栅可以获得较大的色散量，大口径的反射式光栅为了避免元件的损伤。随着放大输出的激光脉冲能量越来越大，激光光斑也越来越大，所需要的光栅口径也越来越大。由于受制于压缩光栅加工和镀膜工艺，大尺寸光栅加工镀膜的制作难度极高，价格也极为昂贵，并有一定的尺寸限制。并且，跟大口径光学元件一样，大口径光栅的波前畸变更难控制，通常的畸变会比较大。对于四光栅压缩器中的第一块光栅和第四块光栅，它们引入的畸变跟反射镜引入畸变一样，可以通过在压缩器前或压缩器后引入可变形镜来进行补偿。而对于第二光栅和第三光栅引入的衍射波前畸变，由于有时空耦合特性，不能在压缩器前或压缩器后采用可变形镜来补偿。为解决这一问题，有人提出紧跟在展宽器后面引入一个预压缩器，在这个预压缩器中引入可变形镜来进行时空畸变的补偿[Opt.Express 2019,27,25172-25186]。但是这种方法不直接，不是针对放大后的大光斑的补偿，并且比较复杂，成本也很高,也不适合多压缩器系统。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，该方法通过在光栅压缩器的第二光栅和第三光栅之间引入一块透射式补偿片，补偿第二光栅和第三光栅的衍射波前畸变，从而克服时空畸变的影响，获得更强的聚焦光强。
本发明的解决方案如下：
一种光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
1)利用波前探测器或其他仪器测量光栅压缩器内部第二光栅的静态衍射波前畸变的空间分布及其畸变数值和第三光栅的静态衍射波前畸变的空间分布及其畸变数值；
2)确定第二光栅和第三光栅要使用的区域，进而确定对应使用区域的衍射波前及其畸变数值；
3)根据所述的第二光栅使用区域的衍射波前畸变数值空间分布P2、第三光栅使用区域的衍射波前畸变数值空间分布P3和透射式补偿片使用时放置的位置和角度，设计所述的透射式补偿片的的波前畸变P5，在空间每一点满足P5＝-P2-P3，在镜片尺寸大于光束尺寸的透射式光学玻璃平板上加工获得具有波前畸变P5的透射式补偿片；
4)将所述的透射式补偿片按设计角度与位置置于第二光栅与第三光栅之间，使其透射波前畸变最佳补偿第二光栅和第三光栅引入的时空畸变。
所述的光栅压缩器是四光栅压缩器，所述的透射式补偿片(5)放置角度通常最好为0度放置。
所述的所有光栅为金属膜光栅、介质膜光栅或金属介质混合膜光栅。
所述的光栅压缩器不仅指典型的四光栅压缩器，其它第二光栅和第三光栅之间有其它光学元件的四光栅压缩器也适用，只需要将这些光学元件的波前畸变叠加在光栅衍射波前畸变即可。
所述的时空畸变补偿片通常为长方形，或大于光束口径的其它形状，为了方便，通常对所述的透射式补偿片的后表面进行相位加工，特殊情况也可以是在前表面进行加工。
一种光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，利用这一方法进行内部时空畸变补偿的典型四光栅压缩器的构成包括：由相互平行的第一光栅和第二光栅组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅和第四光栅组成的第二光栅对,透射式补偿片被放置于第二光栅和第三光栅之间；
入射的高能量啁啾激光脉冲首先被导入第一光栅，经第一光栅衍射以后，不同光谱在垂直光栅刻线方向进行展开，经过第二光栅展开后的时空耦合光束准直为平行光，此平行光带有第二光栅引入的时空畸变，经过放置于第二光栅和第三光栅之间的透射式补偿片后，不仅补偿了第二光栅引入的畸变，并补偿了第三光栅的畸变，因此经过第三光栅后，第二光栅和第三光栅引入的时空畸变都被所述的透射式补偿片进行了补偿，最后汇聚于第四光栅，经第四光栅压缩后得到超强超短激光。
本发明具有如下的显著特点：
1、大口径光栅压缩器因为贵重而不轻易替换，本发明通过测量第二光栅和第三光栅静态衍射波前畸变，并直接在光栅压缩器内部插入一片透射式补偿镜片，对于时空畸变的静态补偿直接高效，补偿片引入的色散可以对压缩器进行直接补偿。
2、本发明利用了大口径透射镜片要比压缩光栅尺寸小，并且透射元件的透射面型在加工中可以更加精准的控制的特点。来补偿更大口径，更复杂工艺的压缩光栅的更难控制的反射波前畸变。
3、本发明能很好地补偿光栅压缩器内部时空畸变，具有经济、简单易行并易于集成的特点，可以提升超强激光的聚焦能力。
附图说明
图1为光栅压缩器内部时空畸变补偿新方法的主要步骤流程图。
图2为本发明实施例1典型四光栅压缩器的内部时空畸变补偿光路结构与时空畸变补偿示意图
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本发明光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，包括以下步骤：
1)利用波前探测器或其他仪器测量光栅压缩器内部第二光栅2的静态衍射波前畸变的空间分布及其畸变数值和第三光栅3的静态衍射波前畸变的空间分布及其畸变数值；
2)确定第二光栅2和第三光栅3要使用的区域，进而确定对应使用区域的衍射波前及其畸变数值；
3)根据所述的第二光栅2使用区域的衍射波前畸变数值空间分布P2、第三光栅3使用区域的衍射波前畸变数值空间分布P3和透射式补偿片5使用时放置的位置和角度，设计所述的透射式补偿片5的的波前畸变P5，在空间每一点满足P5＝-P2-P3，在镜片尺寸大于光束尺寸的透射式光学玻璃平板上加工获得具有波前畸变P5的透射式补偿片5；
4)将所述的透射式补偿片5按设计角度与位置置于第二光栅2与第三光栅3之间，使其透射波前畸变最佳补偿第二光栅和第三光栅引入的时空畸变。
所述的光栅压缩器是四光栅压缩器，所述的透射式补偿片5放置角度通常最好为0度放置。
所述的所有光栅为金属膜光栅、介质膜光栅或金属介质混合膜光栅。
所述的光栅压缩器不仅指典型的四光栅压缩器，其它第二光栅2和第三光栅3之间有其它光学元件的四光栅压缩器也适用，只需要将这些光学元件的波前畸变叠加在光栅衍射波前畸变即可。
所述的时空畸变补偿片通常为长方形，或大于光束口径的其它形状，为了方便，通常对所述的透射式补偿片5的后表面进行相位加工，特殊情况也可以是在前表面进行加工。
请参阅图2，图2为本发明实施例1典型四光栅压缩器的内部时空畸变补偿光路结构示意图。由图可见，本实施例四光栅时空畸变内部补偿压缩器光路结构主要包括：由相互平行的第一光栅1和第二光栅2组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅3和第四光栅4组成的第二光栅对,透射式补偿片5被放置于第二光栅2和第三光栅3之间；
入射激光脉冲宽度为4ns，方形激光经过第一光栅1压缩后输出为约3ns,并且方形激光束传输到第二光栅2上展宽为矩形，再经过第二光栅2被压缩到约2ns，并变为平行光束，光束带有第二光栅2衍射波前畸变P2引入的时空畸变。平行光束经过透射式补偿片5后，补偿了第二光栅2的时空畸变，并预补偿了第三光栅3衍射波前畸变P3的时空畸变，平行光束经过第三光栅3后，被压缩为约1ns,同时第二光栅2的静态衍射波前畸变P2和第三光栅3的静态衍射波前畸变P3被透射式补偿片5的波前畸变P5补偿，理想情况下，对于空间每一点可以表示为P5＝-P2-P3。最后激光经过第四光栅4压缩输出时空畸变被补偿的飞秒或皮秒激光。
由于在实施过程中第二光栅2和第三光栅3的衍射波前畸变被透射式补偿片5的透射波前畸变部分或完全补偿，降低了时空畸变的影响，最后可能实现数倍增强的聚焦光强。
实验表明，本发明可以很好地补偿光栅压缩器内部时空畸变，具有经济、简单易行并易于集成的特点，可以提升超强激光的聚焦能力。

Claims (5)

1.一种光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)利用波前探测器或其他仪器测量光栅压缩器内部第二光栅(2)的静态衍射波前畸变的空间分布及其畸变数值和第三光栅(3)的静态衍射波前畸变的空间分布及其畸变数值；
2)确定第二光栅(2)和第三光栅(3)要使用的区域，进而确定对应使用区域的衍射波前及其畸变数值；
3)根据所述的第二光栅(2)使用区域的衍射波前畸变数值空间分布P2、第三光栅(3)使用区域的衍射波前畸变数值空间分布P3和透射式补偿片(5)使用时放置的位置和角度，设计所述的透射式补偿片(5)的波前畸变P5，在空间每一点满足P5＝-P2-P3，在镜片尺寸大于光束尺寸的透射式光学玻璃平板上加工获得具有波前畸变P5的透射式补偿片(5)；
4)将所述的透射式补偿片(5)按设计角度与位置置于第二光栅(2)与第三光栅(3)之间，使其透射波前畸变最佳补偿第二光栅和第三光栅引入的时空畸变。
2.根据权利要求1所述的光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，其特征在于，所述的光栅压缩器是四光栅压缩器，所述的透射式补偿片(5)放置角度为0度放置。
3.根据权利要求1所述的光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，其特征在于，所述的所有光栅为金属膜光栅、介质膜光栅或金属介质混合膜光栅。
4.根据权利要求1所述的光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，其特征在于，所述的光栅压缩器不仅指典型的四光栅压缩器，其它第二光栅(2)和第三光栅(3)之间有其它光学元件的四光栅压缩器也适用，只需要将这些光学元件的波前畸变叠加在光栅衍射波前畸变即可。
5.根据权利要求1所述的光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法，其特征在于，所述的时空畸变补偿片为长方形，对所述的透射式补偿片(5)的后表面或前表面进行加工。
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