CN111600190B - 超强啁啾激光脉冲分步压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其构成包括：由棱镜对等负色散元件组成的光束平滑和初始预压缩模块，由光栅压缩器等组成的脉冲主压缩模块，以及基于时空聚焦和(或)透明介质片中自压缩过程组成的终压缩模块。本发明利用预压缩模块对于入射激光空间强度调制的平滑作用，降低激光空间强度的调制，降低激光强度空间调制对于入射和出射光栅的损伤，从而可以提升入射激光能量，单级获得更强的激光输出。在终压缩模块的脉冲自压缩过程还可进一步展宽光谱和压缩激光脉冲获得更短激光脉冲输出。

Description

超强啁啾激光脉冲分步压缩装置

技术领域

本发明涉及超强超短激光，特别是一种超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，该装置用于拍瓦高峰值功率激光的啁啾脉冲放大或光参量啁啾脉冲放大系统中的脉冲压缩终端。适用于提升压缩输出激光能量或降低激光脉冲宽度，即提升激光峰值功率和聚焦功率密度。

背景技术

由于天体物理、激光电子或质子加速、激光等离子物理等重大前沿科学研究中的重要应用，超强超短激光脉冲近年来获得了快速的发展。这种超强激光可以为人类探索真空物理等前沿科学提供了前所未有的全新的实验手段和极端的物理条件。目前国内外都已经有五十套以上拍瓦 (10¹⁵瓦)量级的超强超短激光装置，并且正在建设10PW-100PW超强激光装置。

当前，实现超高峰值功率激光放大的主要技术是啁啾脉冲放大技术，其中包括基于激光介质放大的啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification,简称CPA)技术和基于非线性晶体进行参量放大的光参量啁啾脉冲放大(optical parameter chirped pulseamplification, 简称OPCPA)技术。这两种方法都已经发展比较成熟，并广泛应用于太瓦和拍瓦超强激光的能量放大过程中。在两种啁啾脉冲放大技术中，基本思路都是首先采用一个脉冲展宽器对入射的超短激光脉冲引入正色散，从而将入射的超短激光脉冲宽度从飞秒或皮秒量级展宽到纳秒(10^-9秒)量级。脉冲展宽后的激光进而在激光介质(比如钛宝石晶体)或者非线性晶体(比如BBO，KDP晶体)中进行多级放大，从而获得大能量的啁啾激光脉冲。放大后的啁啾激光脉冲最后经过由光栅组成的脉冲压缩器将纳秒量级脉冲宽度的啁啾激光脉冲压缩回到飞秒或皮秒量级脉宽，从而实现超强超短激光脉冲输出。

在超高峰值功率超强超短激光装置中，当前的终端压缩器都是反射式光栅来获得较大的色散量，压缩器结构较为简单。目前，这类基于大口径光栅的典型四光栅压缩器的结构光路如图1所示。压缩器主要由两组平行的反射光栅对，光栅1和光栅2，光栅3和光栅4组成。压缩器的工作原理是，超强啁啾激光脉冲首先经过光栅1衍射，然后经过光栅 2再次衍射准直变成带有空间啁啾的平行激光，接着再经过光栅3和光栅4压缩得到飞秒激光输出。其中光栅3和光栅4通常为光栅1和光栅 2的镜像放置。

最近，随着激光峰值功率的提升，放大输出的激光脉冲能量也就需要越来越大。受制于当期大口径压缩光栅的加工工艺，大尺寸光栅加工制作的难度极高，即使未来加工出来，价格也极为昂贵，这就大大限制了更高能量激光的脉冲压缩，从而限制了获得更高峰值功率的超强超短激光脉冲。在激光光斑不能变大情况下，打在光栅上的激光能量密度也越来越高，对光栅的损伤风险也就越大。为解决这一问题，有人提出在放大后将激光直接分束，然后分别进入不同光栅压缩器压缩，最后再进行激光组束的方法获得超强超短激光。但是这种方法，需要多个独立的真空光栅压缩器，成本很高，经过多个独立的真空压缩器后，由于指向、震动等各种因素影响再进行高效激光组束也非常困难。前期我们也提出了激光压缩器内部进行激光分束的新方法，可以简化装置同时，提高稳定性及组束可靠性。

在压缩器中使用的压缩光栅都镀有金属或者介质反射膜，这些高反膜的损伤阈值随激光脉冲的变窄而降低。最后一块输出光栅上脉冲宽度只有飞秒或皮秒量级，承受的峰值功率很高，非常容易被打坏。根据镀膜的材料和方法的不同，第一块光栅(承受纳秒激光损伤)可能比最后一块光栅(承受飞秒或皮秒激光损伤)的损伤阈值高3倍以致几十倍以上。本发明也利用了这一特性。并且超强激光通常具有较大的空间强度调制，这也限制了光栅压缩器的入射激光能量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种超强啁啾激光脉冲分步压缩装置。该装置将通过降低入射激光空间强度调制度，提升第一块和最后一块压缩光栅上的入射激光能量，并结合主压缩器中时空补偿片的时空畸变补偿与材料色散补偿、终压缩器中的时空聚焦或自压缩等方法，使得单个典型四光栅压缩器或一套内部分光型光栅压缩器等就可以实现高能量激光脉冲压缩。

本发明方法的技术解决方案如下：

一种超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特点在于沿激光脉冲前进方的构成依次是预压缩模、主压缩模块、和终压缩模块。

所述的预压缩模块由提供负色散和角色散的棱镜对和反射镜构成；所述的主压缩模块由入射反射镜、光栅压缩器、时空补偿片和出射反射镜组成；所述的终压缩模块由聚焦系统和透明介质片组合。

所述的预压缩模块为可提供负色散和角色散的一对棱镜对、多对棱镜对、或透射光栅。

所述的棱镜对为小顶角棱镜对。

所述的光栅压缩器为典型四光栅压缩器、或内部分光型光栅压缩器、或环形光栅压缩器等。

所述的时空补偿片可以为玻璃片或其它透明的色散介质。

所述的聚焦系统为抛物面反射镜等聚焦镜片，所述的透明介质片组合可以为零到多片的玻璃或其它透明色散介质。

所述的聚焦系统和透明介质片组合可以单独使用也可以组合使用。

本发明具有如下的显著特点：

1、基于棱镜对等的预压缩模块在少量压缩脉冲的同时，最重要的是利用棱镜对对入射激光进行角色散，从而平滑入射激光空间强度分布，降低空间强度调制，提升第一块压缩光栅上的入射激光能量。并且，小角度棱镜对一定程度还可以替代放大后的空间滤波系统。

2、基于光栅压缩器的主压缩模块用于啁啾脉冲绝大部分色散的补偿，同时在压缩器最后部分，通过调节光栅对长度，使得出射主压缩器的激光脉冲依然带有一定量的负啁啾。这会使得在最后一块压缩光栅上的光束也是平滑过的，同时有更长脉宽，从而提升最后一块压缩光栅的可入射激光能量。

3、主压缩模块中的时空补偿片，可以补偿压缩器内部由于光栅衍射波前引入的时空畸变，从而可获得更短脉冲。同时一定厚度的时空补偿片还可以引入适量的正色散，这使得在最后压缩输出具有负啁啾的激光也是空间平滑的激光。这一时空补偿片还可以直接用于主压缩器的分割窗片。

4、最后，聚焦和聚焦系统后的透明介质薄片可以利用色散补偿和时空聚焦进一步在焦点获得压缩脉冲。而自压缩还可能将入射激光脉冲压缩到更窄。这里玻璃薄片在聚焦系统与靶之间，可以不用考虑透明介质材料中的自聚焦效应有可能打坏镜片等因素。并且从透明介质片表面反射的激光还可以用于激光脉冲的时空特性测量与监测，避免了需要另外增加取样的光学元件。

总之，本发明通过引入预压缩模块在时间和空间上调控激光，从而可以提升主压缩模块第一块和最后一块光栅上的入射激光能量，进而可以通过单个光栅压缩器或者单个内部分光压缩器，实现高能量的超强激光脉冲的压缩。

附图说明

图1为现有典型四光栅压缩器光路结构示意图

图2为本发明的分步压缩新方法的模块流程图

图3为本发明的装置和实施例的光路结构图

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。

图3为本发明超强啁啾激光脉冲分步压缩装置实施例光路结构示意图。由图可见，本发明超强啁啾激光脉冲分步压缩装置实施例的结构，如图2沿激光脉冲前进方的构成依次是预压缩模、主压缩模块、和终压缩模块，

本实施例超强啁啾激光脉冲分步压缩装置如图3，主要包括：由小顶角棱镜对1、2、及反射镜3组合成预压缩模块；由入射反射镜4、典型的四光栅压缩器中的第一光栅5、第二光栅6、第三光栅7和第四光栅 8，时空补偿片9，以及出射反射镜10组成的主压缩模块进行主要的色散补偿；最后，由抛物面反射镜11和色散补偿或自压缩用玻璃片组合12作为终压缩模块对脉冲进行进一步压缩。

入射超强啁啾激光脉冲宽度为4ns，中心波长为910nm,光谱范围为 810nm到1010nm平滑高斯光谱,光束为500mm×500mm方形平顶光束，光束空间强度调制度为2，空间强度随机分布。

小顶角棱镜对1、2的顶角为15度，入射角为7度，棱镜对可对入射啁啾激光引入50ps的脉冲压缩。对于宽带宽的激光，这使得激光光斑在角色散方向上一定程度上被平滑，从而降低激光空间强度调制。棱镜对的角色散过程也避免了空间滤波器的使用。经过预压缩模块的激光由反射镜3、入射反射镜4导入主压缩模块。主压缩模块由四块米级镀金的第一光栅5、第二光栅6、第三光栅7和第四光栅8组成。其中第一块光栅5上的入射能量最高，光束尺寸小，因此能量密度最大。纳秒脉宽和预压缩的光束平滑作用，提升了最高入射激光脉冲能量。第二光栅6 和第三光栅7依然是纳秒脉宽，光束尺寸因为角色散而扩展，并且光束被空间匀滑，所以不会损伤。主压缩模块的第四光栅8输出1ps左右的负啁啾激光脉冲。时空补偿片9可以补偿第二光栅6和第三光栅7衍射波前引入的时空畸变，并可以引入适量的正色散。主压缩模块输出激光经过输出反射镜10导入终压缩模块。最后经过抛物面反射镜11聚焦(这里还具有时空聚焦特性)，并经过玻璃块组合12进行色散补偿与自压缩，在焦点可以获得15fs的超强超短激光脉冲。

实验表明，本发明装置通过降低入射激光空间强度调制度，提升第一块和最后一块压缩光栅上的入射激光能量，并结合材料色散补偿、时空聚焦或自压缩等方法，使得单个典型四光栅压缩器或一套内部分束光栅压缩器等就可以实现高能量激光脉冲压缩。

Claims (6)

1.一种用于拍瓦高峰值功率激光的超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特征在于，沿激光脉冲前进方的构成依次是预压缩模块、主压缩模块和终压缩模块，

所述的预压缩模块由提供负色散和角色散的棱镜对和反射镜(3)构成；

所述的主压缩模块由入射反射镜(4)，由两组平行的反射光栅对组成的光栅压缩器，以及时空补偿片(9)和出射反射镜(10)组成,所述的时空补偿片(9)置于两组平行的反射光栅对之间，所述的时空补偿片为多片的玻璃片或其他透明的色散介质，用以补偿光栅压缩器内部由于光栅衍射波前引入的空间畸变；

所述的终压缩模块由依次放置的聚焦系统(11)和透明介质片组合(12)组成，以进行时空聚焦、色散补偿和自压缩。

2.根据权利要求1所述的超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特征在于，所述的预压缩模块为可提供负色散和角色散的一对棱镜对、多对棱镜对、或透射光栅。

3.根据权利要求2所述的超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特征在于，所述的棱镜对为小顶角棱镜对，小顶角棱镜对的顶角为15度，入射角为7度。

4.根据权利要求1所述的超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特征在于，所述的光栅压缩器为四光栅压缩器、或内部分光型光栅压缩器、或环形光栅压缩器。

5.根据权利要求1所述的超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特征在于，所述的聚焦系统(11)为抛物面反射镜，所述的透明介质片组合(12)为零到多片的玻璃或其它透明色散介质。

6.根据权利要求5所述的超强啁啾激光脉冲分步压缩装置，其特征在于，所述的聚焦系统(11)和透明介质片组合(12)可以单独使用也可以组合使用。

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