CN111509547A - 超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统 - Google Patents

超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111509547A
CN111509547A CN202010228488.9A CN202010228488A CN111509547A CN 111509547 A CN111509547 A CN 111509547A CN 202010228488 A CN202010228488 A CN 202010228488A CN 111509547 A CN111509547 A CN 111509547A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
grating
compressor
peak power
chirped mirror
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010228488.9A
Other languages
English (en)
Inventor
许毅
冷雨欣
吴分翔
张宗昕
王乘
杨晓骏
归佳彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN202010228488.9A priority Critical patent/CN111509547A/zh
Publication of CN111509547A publication Critical patent/CN111509547A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping

Abstract

本发明公开了一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，该系统包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器，放大激光先经光栅压缩器压缩到皮秒量级，再经扩束器扩束，最后经啁啾镜压缩器压缩到飞秒量级输出。本发明适用于超高峰值功率飞秒激光的压缩，可以大大降低现有技术的难度，节约成本，具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。

Description

超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统
技术领域
本发明涉及飞秒激光压缩，尤其是一种超高峰值功率(10拍瓦及以上)飞秒激光压缩系统，主要包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器。所述的拍瓦级激光是指激光峰值功率达到1015W以上。
背景技术
啁啾脉冲放大(CPA)技术以及光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的发明，使得超强超短激光得到了迅速发展，其峰值功率已达到了数拍瓦乃至10拍瓦(PW)量级，激光时域宽度也已经实现了数十飞秒量级，相应的激光聚焦峰值强度达到了1022W/cm2。如此高的激光聚焦峰值强度可为众多学科研究创造前所未有的实验手段和极端物理条件，从而推动一系列强场激光物理及相关前沿研究的发展。目前，国际上很多科研机构都在积极筹建百拍瓦级的激光系统，例如Rochester-75PW，ELI-200PW，Nexawatt-200PW，以及XCELS-200PW等。此外，我国上海光学精密机械研究所也于2017年正式提出要建造100PW超强超短激光系统(SEL-100PW)，并结合硬x射线自由电子激光，为研究真空QED现象等极端物态研究提供重要手段。
随着激光脉冲放大技术以及增益介质生长技术迅速发展，激光脉冲的放大能量输出得到了飞速提升。然而，受限于现有制造工艺下压缩光栅的尺寸以及损伤阈值，激光脉冲的压缩已成为限制其峰值功率和强度增长的主要技术瓶颈。压缩光栅通常分为金属光栅、介质膜光栅和金属介质膜光栅等。对于脉宽为数十飞秒的激光脉冲，压缩光栅的损伤阈值通常在0.2J/cm2左右。对于百拍瓦级飞秒激光的压缩，为了避免光栅的损伤，需要急剧扩大激光光束尺寸，相应地光栅尺寸甚至需要达到两米左右。然而，目前国内外报道的最大光栅尺寸约为1.4米，价格高昂且不能完全满足百拍瓦级超高峰值功率飞秒激光的压缩需求。瞄准超高峰值功率飞秒激光压缩的重大需求，人们提出运用拼接技术来增大光栅尺寸或者采用分路压缩加相干合束的方法来克服脉冲压缩光栅的瓶颈问题。上述两种技术方案不仅需要使用较大数量的大口径光栅，而且技术难度较大。比如：对于光栅拼接技术，为了增大一块光栅的尺寸，通常需要两块甚至三块光栅进行拼接，要在三个维度上对拼接光栅实现非常精密的控制，对光栅数量、质量及精密控制提出了很高的要求。此外，机械及光学元件的应力影响以及光栅之间的拼缝会对激光时空质量造成较大的影响；对于分路压缩加相干合束的方法，一方面分路压缩增加了所需光栅的数量，另一方面相干合束则需要非常精密地控制各路激光的时空抖动，实施难度较大。因此，对于超高峰值功率飞秒激光，急需探索和发展新型的压缩方案及压缩系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统。本发明主要包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器，是一种级联的混合式压缩系统，具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。本发明可以适用于数十拍瓦乃至百拍瓦级超高峰值功率飞秒激光压缩，可以降低现有技术的难度，节省成本。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，主要包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器。放大激光先经所述的光栅压缩器压缩，输出皮秒激光，然后进入所述的扩束器进行扩束，输出扩束光的能量密度低于所述的啁啾镜压缩器的损伤阈值，所述的扩束光再进入所述的啁啾镜压缩器进行压缩，输出超高峰值功率的飞秒激光。
所述的光栅压缩器是由四块宽带的介质膜或金属介质膜光栅构成，用于将放大激光压缩至皮秒量级。因为介质膜和金属介质膜光栅的损伤阈值会随着脉宽的增加会显著提升，对于皮秒和纳秒脉冲，这两种光栅具有非常高的损伤阈值，通常可高达数J/cm2。尤其是金属介质膜光栅，可以同时兼具宽带光谱和高损伤阈值(皮秒域和纳秒域)两个优点。
所述的扩束器是反射式扩束器，要使扩束后激光的能量密度小于所述的啁啾镜压缩器的损伤阈值。此外，反射式扩束器不存在色差，从而不会引入脉冲前沿畸变，不会降低激光聚焦强度。
所述的啁啾镜压缩器是由宽带的啁啾镜对组成，且数量可调，通过改变啁啾镜对的数量，可实现不同色散量的压缩。受限于啁啾镜的色散补偿能力，通常无法使用啁啾镜将纳秒量级的放大脉冲直接压缩至飞秒量级。但是，啁啾镜可以将脉冲从皮秒量级(比如1ps左右)压缩至飞秒量级。
值得注意的是，由于压缩脉冲的峰值功率极高，上述的光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器都需置于真空环境。
与先技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.本发明是一种级联的混合式压缩系统，先将放大激光压缩至皮秒量级，再将皮秒激光压缩至飞秒量级，从而将飞秒域激光压缩的瓶颈问题分解到了皮秒域的激光压缩；
2.本发明中光栅压缩器采用介质膜或金属介质膜光栅，而且只将放大激光压缩至皮秒量级，介质膜和金属介质膜光栅对皮秒脉冲的高损伤阈值可大大降低所需光栅的尺寸和数量，节约成本；
3.本发明在不牺牲激光啁啾量和光谱宽度的基础上，可以直接完成100PW量级激光的单路压缩，压缩效率高，成本低。
附图说明
图1是本发明超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统的结构示意图。
图2是本发明超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统实施例的结构示意图。
图3是应用本发明超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统的100PW超强超短激光系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统结构示意图，包括光栅压缩器1、扩束器8、啁啾镜压缩器12。放大激光先经所述的光栅压缩器1压缩，输出皮秒激光，然后进入所述的扩束器8扩束，输出扩束光的能量密度低于所述的啁啾镜压缩器12的损伤阈值，所述的扩束光再进入所述的啁啾镜压缩器12压缩，输出超高峰值功率的飞秒激光。
实施例
图2是本发明一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统实施例的结构示意图，主要包括光栅压缩器1、扩束器8和啁啾镜压缩器12。所述的光栅压缩器1包括沿光路依次放置的第一光栅2、第二光栅3、第三光栅4和第四光栅5；所述的扩束器8包括凸面镜9和凹面镜10；所述的啁啾镜压缩器12包括第一啁啾镜对13、第二啁啾镜对14、……第五啁啾镜对17，所用啁啾镜对具体数量可根据实际需要确定。放大激光先经光栅压缩器1压缩，输出皮秒激光，然后依次经第一反射镜6和第二反射镜7反射进入到扩束器8进行扩束，扩束光再经第三反射镜11反射进入啁啾镜压缩器12进行压缩，输出飞秒激光，最后经第四反射镜18反射输出。
应用例
基于本发明实施例的100PW超强超短激光系统，如图3所示，该系统包括KHz激光种子源19、对比度提升模块20、展宽器21、光谱整形及色散控制模块22、OPCPA预放大器23、OPCPA功率放大器24、重频泵浦激光系统25、OPCPA前主放大器26、OPCPA终端主放大器27、万焦耳级钕玻璃泵浦激光系统28、级联混合压缩系统29、自适应波前校正系统30。OPCPA终端主放大器放大输出的激光中心波长～910nm、带宽150～200nm、宽度～4ns、能量～3500J、光束口径500mm左右，压缩后输出激光能量～2000J、宽度～20fs。如图2所示，先利用所述的光栅压缩器1将终端放大输出的3500J激光从～4ns压缩到1～2ps脉宽，此时，压缩输出的激光通量约0.6J/cm2，所述的光栅压缩器1由四块介质膜或金属介质膜光栅2～5组成，入射到第一块光栅上的是纳秒激光脉冲，激光通量约1.4J/cm2,低于介质膜或金属介质膜光栅在纳秒域的损伤阈值。第二、三块光栅上，由于空间角色散的原因会大大降低激光通量，不会造成光栅损伤。在第四块光栅上，出射脉冲的脉宽变为皮秒量级(1ps左右)，激光通量约为0.8J/cm2，低于介质膜或金属介质膜光栅在皮秒域的损伤阈值。然后利用第一反射镜6和第二反射镜7将～1ps左右的激光脉冲注入到扩束器8，将激光从500mm直径扩束到1.2m，扩束后输出激光的通量降至0.1J/cm2；再经所述的第三反射镜11反射进入所述的啁啾镜压缩器12，依次经过五组所述的啁啾镜对13～17进行压缩，啁啾镜对的色散量为-500fs2；压缩后的激光最后经所述的第四反射镜18反射输出，输出激光能量～2000J、宽度～20fs。

Claims (3)

1.一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，其特征在于，该系统包括光栅压缩器(1)、扩束器(8)和啁啾镜压缩器(12)；放大激光先经所述的光栅压缩器(1)压缩，输出皮秒激光，然后经所述的扩束器(8)扩束，输出能量密度低于所述的啁啾镜压缩器(12)损伤阈值的扩束光，所述的扩束光再经所述的啁啾镜压缩器(12)压缩，输出超高峰值功率的飞秒激光。
2.根据权利要求1所述的一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，其特征在于所述的光栅压缩器(1)包括沿光路依次放置的第一光栅(2)、第二光栅(3)、第三光栅(4)和第四光栅(5)，且这四块光栅都为宽带的介质膜或金属介质膜光栅，用于将放大激光压缩至皮秒量级。
3.根据权利要求1所述的一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，其特征在于所述的啁啾镜压缩器(12)是由宽带、大口径的啁啾镜对组成，且啁啾镜对的数量可根据激光的色散量和啁啾镜的色散量进行调节。
CN202010228488.9A 2020-03-27 2020-03-27 超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统 Pending CN111509547A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010228488.9A CN111509547A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010228488.9A CN111509547A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111509547A true CN111509547A (zh) 2020-08-07

Family

ID=71864655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010228488.9A Pending CN111509547A (zh) 2020-03-27 2020-03-27 超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111509547A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113644528A (zh) * 2021-07-20 2021-11-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置和方法
CN113984222A (zh) * 2021-10-28 2022-01-28 中山光子科学中心 光栅压缩器波前畸变在线测量装置及测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1972042A (zh) * 2006-11-09 2007-05-30 复旦大学 一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法
CN201118090Y (zh) * 2007-08-29 2008-09-17 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 啁啾脉冲放大激光装置
CN103199426A (zh) * 2013-03-06 2013-07-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 Cpa、cpra与opcpa混合式超高峰值功率激光脉冲放大装置
CN103399447A (zh) * 2013-08-13 2013-11-20 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种双光谱飞秒激光频率梳的发生方法及装置
CN110506372A (zh) * 2017-04-05 2019-11-26 通快激光有限责任公司 激光放大器系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1972042A (zh) * 2006-11-09 2007-05-30 复旦大学 一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法
CN201118090Y (zh) * 2007-08-29 2008-09-17 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 啁啾脉冲放大激光装置
CN103199426A (zh) * 2013-03-06 2013-07-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 Cpa、cpra与opcpa混合式超高峰值功率激光脉冲放大装置
CN103399447A (zh) * 2013-08-13 2013-11-20 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种双光谱飞秒激光频率梳的发生方法及装置
CN110506372A (zh) * 2017-04-05 2019-11-26 通快激光有限责任公司 激光放大器系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113644528A (zh) * 2021-07-20 2021-11-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置和方法
CN113984222A (zh) * 2021-10-28 2022-01-28 中山光子科学中心 光栅压缩器波前畸变在线测量装置及测量方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7072101B2 (en) Downchirped pulse amplification
CN111600190B (zh) 超强啁啾激光脉冲分步压缩装置
Stark et al. 23 mJ high-power fiber CPA system using electro-optically controlled divided-pulse amplification
Patterson et al. Compact 10-TW, 800-fs Nd: glass laser
Patterson et al. Design and performance of a multiterawatt, subpicosecond neodymium: glass laser
CN108448374B (zh) 基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统
CN111509547A (zh) 超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统
CN112332200B (zh) 一种产生具有烧蚀预脉冲的强场脉冲装置及其实现方法
CN112688147A (zh) 预啁啾管理飞秒激光脉冲放大装置和应用
CN112366497A (zh) 预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统
US8774240B2 (en) Frequency-drift amplification device for a pulsed laser
CN102244352B (zh) 一种短脉冲激光放大方法
CN107045210B (zh) 大啁啾量激光环形光栅压缩器
CN108594461B (zh) 内部分光型光栅压缩器
CN105490144A (zh) 一种基于自相似放大器的可调谐紫外光的产生方法
CN115084978A (zh) 一种多通式激光光谱展宽光学系统及方法
Papadopoulos et al. The Apollon-10P project: Design and current status
CN212011590U (zh) 无限啁啾脉冲放大系统
CN111342322B (zh) 啁啾脉冲放大装置
CN111399244B (zh) 光栅压缩器内部时空畸变的补偿方法
CN105490145A (zh) 一种基于自相似放大器的可调谐紫外光的产生装置
CN111613961A (zh) 无限啁啾脉冲放大系统
CN107453190B (zh) 具有高峰值功率和高平均功率的飞秒脉冲的产生装置
CN111934165A (zh) 一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法
CN211579185U (zh) 一种全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200807

RJ01 Rejection of invention patent application after publication