CN111817114B - 一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，属于激光技术领域，采用等离子体波导收集和准直飞行焦点，使得聚焦后的激光在等离子体波导中传输，然后通过光栅调节飞行焦点的移动速度刚好与该激光在波导中的群速度相等。由于不同波长的光光程不一样，输出脉冲获得时间压缩效果，同时由于强激光在等离子体中的自聚焦效应使得激光进一步聚焦，空间压缩效果；本发明解决了现有啁啾脉冲放大技术材料损伤和等离子体压缩技术的稳定性低、效率低等问题。

Description

一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩 方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光时空压缩方法。
背景技术
目前获得高能、超短（一般是指脉冲时间宽度在10-12-10-15s之间，即1ps-1fs之间）、超强脉冲激光的主要技术途径是啁啾脉冲放大技术，其基本工作原理是：利用展宽器（通常由棱镜、光栅等色散元件组成）将一束短脉冲激光在时域上进行展宽(由于每一时刻的瞬时频率不同，展宽后的脉冲被称为啁啾脉冲)，展宽后的激光脉冲在放大器中进行放大，提取足够的能量，最后再通过压缩器将脉宽压窄，从而获得极高的脉冲峰值功率。
然而，随着脉冲功率密度不断提高，压缩光栅的损伤正在成为激光功率密度进一步提高的瓶颈。如现有的PW激光装置（1PW=1015 W）需要的光栅口径达到1m左右，几乎已经达到现有制造工艺的极限。因此，寻找新型高损伤阈值的材料来压缩超短脉冲成为未来高峰值激光发展的一个重要的方向。
等离子体作为一种不存在损伤阈值的介质而受到广泛关注。
目前发展起来的等离子体压缩技术有：1、等离子体背向拉曼放大技术和等离子体强耦合布里渊放大技术。2、等离子体布拉格光栅技术。研究表明：上述等离子体压缩技术输出功率密度达到1017W/cm2以上，仅仅厘米口径就可以实现EW的激光输出，具有输出峰值功率高且造价低廉等优点。
然而，现有的等离子体压缩技术存在若干缺点，上述的技术1基于泵浦光、种子光和等离子体波的三波耦合过程，容易受到等离子体不稳定性影响，实验效率难以提高；技术2的等离子体光栅制造起来十分困难，目前尚处于理论研究阶段。
近年来发展了一种针对宽带超短脉冲的飞行焦点技术。这项技术分为两个方面：首先，利用色差聚焦系统使得宽带短脉冲激光产生沿传播方向的线聚焦，聚焦长度由系统色差大小决定。同时，通过调节脉冲的啁啾可以调节光束到达焦点的时间，从而控制焦点的移动速度。现有文献表明焦点的移动速度可以达到几十倍光速。目前的飞行焦点的色差聚焦系统主要为菲涅尔衍射透镜，主要利用了菲涅尔透镜对不同波长的光的焦距差别。聚焦后的超短脉冲由原来的焦点变成一条沿着传播方向的焦线。最终，通过光栅调节脉冲啁啾以实现焦点在焦线范围内的飞行速度可调。飞行焦点技术可以应用于粒子加速、高次谐波产生和等离子体压缩，具有作用距离长，产生的噪声低等优点。但是，未见将飞行焦点技术应用于超短脉冲激光时空压缩的报道。
发明内容
本发明的目的，就在于提供一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所示：一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，首先采用色差聚焦系统使得不同波长的激光聚焦在不同位置，同时通过光栅调节脉冲啁啾产生飞行速度任意可调的飞行焦点，随后，采用等离子体波导收集和准直飞行焦点，使得聚焦后的激光在等离子体波导中传输。由于不同波长的激光在聚焦和准直过程中的光程不一样，激光的啁啾可以跟系统产生的光程差相互抵消，从而获得输出脉冲的时间压缩。当激光达到一定强度时，激光在等离子体中的自聚焦效应又会使得焦点进一步缩小，产生空间压缩效应。
优选所述飞行焦点是利用色差聚焦系统产生得到。
优选的，所述等离子体波导的传播模式与激光的焦斑大小相匹配，尺寸1-3于激光焦斑大小。
本发明提供了一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法：结合前沿飞行焦点技术和等离子体波导的准直效应实现超短脉冲的压缩，从而解决现有啁啾脉冲放大技术材料损伤和等离子体压缩技术的稳定性低、效率低等问题。
本发明的超短脉冲时空压缩方法的原理图如图1所示：首先采用飞行焦点技术产生移动速度任意可调的焦点；然后，在超短脉冲焦点处产生传播模式与焦斑大小相匹配的等离子体波导，宽带激光通过色差系统聚焦以后，不同波长的光依次进入等离子体波导，最终所有波长的光由波导导出；最后通过光栅调节脉冲啁啾，控制焦点的飞行速度使其与该短脉冲激光在波导中的群速度相等，这样不同波长的光在时间和空间上相重合，从而达到压缩超短脉冲时间压缩的目的。同时，由于激光强度在等离子体波导中不断增强，强激光的自聚焦效应又会使得激光在等离子体波导中进一步聚焦，获得更小的焦斑。
本发明的核心内容是：用等离子体波导收集并准直飞行焦点，控制飞行焦点的移动速度与该激光脉冲在波导中的群速度匹配，实现超短脉冲在等离子体波导中的时空压缩。
所述的飞行焦点技术优选由脉冲啁啾调节系统和色差聚焦系统组成。脉冲啁啾调节技术为现有的成熟技术，由压缩光栅对完成；所述的色差聚焦系统由带有较大色差材料的开普勒透镜组组成，主要利用色差在透镜中的积累效应。通常情况下，透镜产生的色差远远小于菲涅尔衍射透镜，而不利于超短脉冲压缩。但是当宽带激光通过多块开普勒式透镜组时，色差效应会不断积累，达到压缩超短脉冲所需要的线聚焦长度。相对于菲涅尔衍射透镜，该色差聚焦系统具有造价低廉，色差和焦距任意可调等优点。
所述的等离子体波导由激光电离气体产生，等离子体波导由其传播模式刚好和激光的焦斑大小相匹配，尺寸约1-3倍于激光焦斑大小。当等离子的密度呈现由中心到边沿的径向方向增加的时，等离子体的折射效应形成等离子体波导。
现有文献报道了多种等离子体波导产生方式。如1：采用轴棱镜点火脉冲加普通球面透镜加热脉冲构成等离子体波导；2：采用激光完全电离密度呈径向增加的气体；3：激光脉冲克尔自聚焦效与衍射发散效应平衡状态下产生等离子体波导。本发明所述的等离子体波导采用上述3种产生方法皆可，在后面的具体实施方式中，采用方法2产生等离子体波导。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1. 本发明的超短脉冲时空压缩过程在等离子体中完成，相对于现有光栅对压缩技术，不存在材料损伤问题；如光栅的损伤阈值低于10J/cm2，而等离子体作为已经电离的介质，承受的激光通量大于1018J/cm2，意味着输出能量能提高108以上；
2. 相对于现有的等离子体放大技术，前实验获得压缩效率较低（不到10%），而本发明采用的方案仅仅利用了等离子体波导的折射效用，由于等离子体折射率基本上不受等离子体中不稳定性的影响，压缩效率由激光与等离子体波导的耦合效率决定，本发明的技术通过实验表明耦合效率能到80%以上。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明实施例的光路图。
图2中， 1、带有啁啾的初始激光脉冲；2、带有色差材料的开普勒透镜组；3、普通球面透镜；4、飞行焦点；5、气体喷嘴；6、消色差透镜；7、参数测量装置；8、等离子体波导；9、压缩后的脉冲；a、蓝光；b、绿光；c、黄光；d、橙光。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
一种超短脉冲时空压缩方法，其步骤为：首先利用色差聚焦系统产生飞行焦点，然后用等离子体波导收集和准直飞行焦点，使得聚焦后的激光在等离子体波导中传输，最好通过光栅调节飞行焦点的移动速度刚好与该激光在波导中的群速度相等，获得输出脉冲的时间压缩；
具体而言，如图1所示，带有啁啾的初始激光脉冲1为波长由蓝光a到橙光d依次递减，通过色散聚焦系统即带有色差材料的开普勒透镜组2后，飞行焦点4在传播方向呈一条线，随后，飞行焦点4依次进入等离子体波导8并沿着波导传播，最后得到压缩后的脉冲9；由图1可知，长波长橙光d走的光程近似于三角形的两条边，而大于短波长蓝光a的一条边；由此产生的光程差用于抵消脉冲啁啾，最终使得脉冲压缩到变换极限状态；当激光强度在等离子体不断增强，在等离子体中的自聚焦效应又会使得焦斑进一步聚焦，获得更小的焦点。
本实施例的光路图如图2所示，带有啁啾的初始激光脉冲1通过带有色差材料的开普勒透镜组2（如ZF7玻璃材料）后积累色差，但是光束口径保持不变；随后，通过一个普通球面透镜3再次聚焦，形成飞行焦点4，在飞行焦点4处放置密度沿着径向增长的气体喷嘴5，激光电离气体产生波导并引导激光最终导出，导出后的聚合短脉冲激光由消色差透镜6准直，压缩后的激光导入测量装置，如光谱仪，能量计，脉宽测量装置以及焦斑测量装置等等。最终通过光栅调节带有啁啾的初始激光脉冲1的啁啾量，以便获得最短的脉冲输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，其特征在于，采用等离子体波导收集和准直飞行焦点，使得聚焦后的激光在等离子体波导中传输，然后通过光栅调节飞行焦点的移动速度刚好与该激光在波导中的群速度相等；由于不同波长的激光光程不一样，输出脉冲获得时间压缩效果，同时由于强激光在等离子体中的自聚焦效应使得激光进一步聚焦，从而获得空间压缩效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，其特征在于，所述飞行焦点是利用色差聚焦系统产生得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，其特征在于，所述等离子体波导的传播模式与激光的焦斑大小相匹配，尺寸1-3倍于激光焦斑大小。
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