CN111948828B - 一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法，该方法首先选择脉冲展宽用光学元件，建立坐标系，搭建用于进行激光脉冲展宽的光学系统并调整系统中各光学元件之间的位置关系，之后输入激光光束，激光光束在系统内经过四程传输后输出，其中系统的平面反射镜完成激光光束第一程到第二程和第三程到第四程的转换，三元折返镜完成光束第二程到第三程的转换。本发明公开的无时空畸变的激光脉冲展宽方法，在激光脉冲展宽过程中避免使用远场光学元件，从而提升了激光远场信噪比，利用三元折返镜，使得第二程传输的光束和第三程传输的光束，反向平行的传输，从而避免了展宽激光光束的空间啁啾、角色散等时空畸变问题，能够显著改善输出激光光束质量。

Description

一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法
技术领域
本发明属于超短超强激光技术领域，具体涉及一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法。
背景技术
啁啾脉冲放大技术是目前获得超短超强激光脉冲的主要方法，它首先将超短脉冲在时间尺度上展宽，降低其峰值功率，经过能量放大后，再利用压缩器将激光脉冲在时间尺度上重新压缩，从而获得超高峰值功率激光，脉冲展宽是啁啾脉冲放大技术中的重要的一步。
现有的啁啾脉冲放大系统通常采用的展宽方式如图2所示，对于单一波长成分的入射激光，在凸面镜24上形成点聚焦，然而当激光脉冲能量较高时凸面镜24很容易损坏，从而限制了该方法的激光通量，而且现有的展宽方法中采用了凸面镜24作为其光学系统的远场元件，该凸面镜24面型畸变也会显著影响激光脉冲的远场信噪比，同时由于脉冲展宽过程中通常采用多程结构，由于在垂直方向(Y轴方向)上光线离轴量较大(图2中展宽器采用四程结构，L为离轴量)，输出光束会产生明显的系统球差，从而引入空间啁啾和角色散等时空畸变问题，严重影响展宽后的光束质量。
因此，为解决激光脉冲展宽后输出光束存在时空畸变的问题，提高激光光束质量，亟需一种方法来实现无时空畸变的激光脉冲展宽。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法，该方法克服了传统激光脉冲展宽方法的缺陷，避免在激光展宽过程中使用远场元件，并消除了光学系统球差引起的输出激光的空间啁啾和角色散问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1.1.确定搭建光学系统的光学元件，具体包括：第一光栅I、第二光栅I、凹柱面镜、凸柱面镜、平面反射镜和三元折返镜；
1.2.以光学平台平面为XZ平面建立笛卡尔坐标系，利用上述光学元件搭建激光脉冲展宽光学系统：
1.2.1.首先将第一光栅I置于与Y轴平行的平面内；
1.2.2.第二光栅I与第一光栅I平行放置，让第二光栅I和第一光栅I的刻线方向一致，均平行于Y轴；
1.2.3.调整凹柱面镜使其曲率中心位于第一光栅I工作表面；
1.2.4.放置凸柱面镜使其曲率中心所在直线与凹柱面镜的曲率中心所在直线重合，且凸柱面镜工作面与凹柱面镜工作面相对放置；
1.2.5.调整平面反射镜，使其法线位于YZ平面，且与XZ平面有一定夹角，平面反射镜的工作面与第二光栅I工作面相对；
1.2.6.三元折返镜的工作面与第一光栅I工作面相对；
1.3.给1.2中搭建好的光学系统中输入激光脉冲光束，使其在系统内传输四程后出射。
优选的，步骤1.1中的三元折返镜是由第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜组合而成，且任意两个反射镜所在平面的交线都设置为与X轴平行。
优选的，步骤1.3中，激光脉冲的四程传输为：激光光束依次经过第一光栅I、凹柱面镜，凸柱面镜，凹柱面镜和第二光栅I后完成第一程传输；接着经平面反射镜反射后，开始第二程传输，光束经过的元件次序与第一程传输相反，之后从第一光栅I工作面出射后完成第二程传输；然后到达三元折返镜，经三元折返镜反射后开始第三程传输，第三、四程传输过程分别与第一、二程传输过程相同。
优选的，所述的第二程传输之后，激光入射到三元折返镜并依次经过第一反射镜，第二反射镜和第三反射镜，与入射光反向且平行地出射，入射光与出射光的空间啁啾方向不发生变化。
优选的，所述步骤1.2.5中调整平面反射镜的姿态时，使其法线与入射激光在YZ平面内存在微小的夹角，使传输激光的第一程和第二程与第三程和第四程传播路径分开。
本发明公开的一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法，在激光脉冲展宽过程中避免使用远场光学元件，从而提升了激光远场信噪比，利用三元折返镜，使得第二程传输的光束和第三程传输的光束，反向平行的传输，从而避免了因球差而引起展宽激光光束的空间啁啾、角色散等时空畸变问题，能够显著改善输出激光光束质量。
附图说明
图1为本发明的无时空畸变的激光脉冲展宽方法中搭建的光学系统的俯视图和侧视图；
图2为现有技术中激光展宽用的光学系统的俯视图和侧视图；
图3为经本发明的无时空畸变的激光脉冲展宽方法展宽后的出射光传播点列图，其中(a)为传播1m的点列图，(b)为传播10m的点列图；
图4为经现有技术中激光脉冲展宽方法展宽后的出射光传播点列图，其中(c)为传播1m的点列图，(d)为传播10m的点列图；
图中：1.第一光栅I 2.第二光栅I 3.凹柱面镜 4.凸柱面镜 5.平面反射镜 6.三元折返镜7.第一反射镜 8.第二反射镜 9.第三反射镜 21.第一光栅II 22.第二光栅II23.凹面镜 24.凸面镜 25.平面镜I 26.平面镜II 27.平面镜III 28.平面镜IV。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1.1.确定搭建光学系统的光学元件，具体包括：第一光栅I 1、第二光栅I 2、凹柱面镜3、凸柱面镜4、平面反射镜5和三元折返镜6；
1.2.以光学平台平面为XZ平面建立笛卡尔坐标系，利用上述光学元件搭建如图1所示的激光脉冲展宽光学系统：
1.2.1.首先将第一光栅I 1置于与Y轴平行的平面内；
1.2.2.第二光栅I 2与第一光栅I 1平行放置，让第二光栅I 2和第一光栅I 1的刻线方向一致，均平行于Y轴；
1.2.3.调整凹柱面镜3使其曲率中心位于第一光栅I 1工作表面；
1.2.4.放置凸柱面镜4使其曲率中心所在直线与凹柱面镜3的曲率中心所在直线重合，且凸柱面镜4工作面与凹柱面镜3工作面相对放置；
1.2.5.调整平面反射镜5，使其法线位于YZ平面，且与XZ平面有一定夹角，平面反射镜5的工作面与第二光栅I 2工作面相对；
1.2.6.三元折返镜6的工作面与第一光栅I 1工作面相对；
1.3.给1.2中搭建好的光学系统中输入激光脉冲光束，使其在系统内传输四程后出射。
步骤1.1中的三元折返镜6是由第一反射镜7、第二反射镜8和第三反射镜9组合而成，三个反射镜可以组合为一个整体，也可以相互独立放置，但需保证任意两个反射镜所在的平面的交线都设置为与X轴平行。
步骤1.3中，激光脉冲的四程传输为：激光光束依次经过第一光栅I 1、凹柱面镜3，凸柱面镜4，凹柱面镜3和第二光栅I 2后完成第一程传输；接着经平面反射镜5反射，开始第二程传输，光束经过的元件次序与第一程传输相反，之后从第一光栅I 1工作面出射后完成第二程传输；然后到达三元折返镜6，经三元折返镜6反射后开始第三程传输，第三、四程传输过程分别与第一、二程传输过程相同。
上述第二程传输的激光光束入射到三元折返镜6后依次经过第一反射镜7，第二反射镜8和第三反射镜9后，与入射光反向且平行出射，且出射光与入射光的空间啁啾方向一致，由于第三、四程光路分别相当于第二、一程的逆向传输，所以经第三、四程传播后，时空畸变被完全消除。
在步骤a中搭建的光学系统，其第一光栅I 1与第二光栅I 2具有相同的刻线密度，凸柱面镜4的水平方向曲率半径为-R，竖直方向曲率半径为无穷大，凹柱面镜3水平方向曲率半径为2R，竖直方向曲率半径为无穷大。
在整个激光脉冲展宽过程中激光传输方向与水平方向存在一定夹角，使激光能够依次经过各个元件且不被遮挡。
实施例1
本实施例，可以为中心波长为900nm，带宽200nm的飞秒激光进行脉冲时域展宽。搭建光学系统时，选择第一光栅I 1和第二光栅I 2的刻线密度均为1480线/mm，刻线方向平行于Y轴，两光栅中心距为500mm。凸柱面镜4水平面内曲率半径-600mm，凹柱面镜3水平面内曲率半径1200mm。第一光栅I 1位于凹柱面镜3和凸柱面镜4的曲率中心位置，飞秒激光入射到第一光栅I 1，入射角在水平面(XZ面)内投影为64°，在竖直面(YZ面)内投影为3.15°，此后依次经过凹面镜3，凸面镜4，凹面镜3，第二光栅I 2，完成第一程传播；再被平面镜5反射后开始第二程传播，平面镜5的法线与第一程入射光存在微小夹角，使第一、二程光之间夹角为0.46°，第二程传输经过的元件次序与第一程传输经过的元件次序相反；第二程传输结束后带有空间啁啾的激光入射到“三元折返镜”6，依次经过第一反射面7、第二反射面8和第三反射面9，使激光平行于入射方向返回，且空间啁啾方向不发生改变，开始第三程传输；根据光路的可逆性，第三、四程传输路径恰好与第二、一程传输路径相反，最终第四程出射光与第一程入射光相互平行，方向相反，且没有空间啁啾。
建立光线追迹模型，对展宽后的激光光束中800nm、900nm和1000nm三个波长进行光线追迹，得到的结果如图3所示，其中(a)和(b)分别经本发明的无时空畸变的激光脉冲展宽方法展宽后的出射后传播1m和10m的点列图，可以看到传播1m和10m后各波长成分依然重合，说明各波长成分的出射光均为平行光，且未产生空间啁啾现象。
下面用现有的激光脉冲展宽方法对同样的输入激光进行展宽，具体操作如下：
搭建如图2所示的光学系统，并调整系统中各光学元件的位置，其中第一光栅II21和第二光栅II 22刻线密度均为1480线/mm，刻线方向平行于Y轴，两光栅中心距为500mm；凸面镜24曲率半径-600mm，凹面镜23曲率半径1200mm；入射光在第一光栅II 21上的入射角为64°；图2中展宽器采用四程导光结构，由平面镜I 25、平面镜II 26构成的屋脊镜用于第一、二程和三、四程之间导光，由平面镜III27、平面镜IV28构成的屋脊镜用于二、三程之间导光；入射光的离轴量L为120mm。
对中心波长为900nm，带宽200nm的飞秒激光进行脉冲时域展宽，并建立光线追迹模型，对展宽后的激光光束中800nm、900nm和1000nm三个波长进行光线追迹，得到的结果如图4所示，其中(c)和(d)分别为经上述激光脉冲展宽方法展宽后的出射光传播1m和10m的点列图，可以看到球差引起输出激光产生了明显的空间啁啾和角色散。
经过上述比较不难看出，经本发明公开的激光脉冲展宽方法进行激光脉冲展宽，其输出光束不存在空间啁啾及角色散等时空畸变问题，该方法能够显著改善输出激光光束质量。

Claims (5)

1.一种无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1.1.确定搭建光学系统的光学元件，具体包括：第一光栅I(1)、第二光栅I(2)、凹柱面镜(3)、凸柱面镜(4)、平面反射镜(5)和三元折返镜(6)；
1.2.以光学平台所在平面为XZ平面建立笛卡尔坐标系，利用上述光学元件搭建激光脉冲展宽光学系统，
1.2.1.首先将第一光栅I(1)置于与Y轴平行的平面内；
1.2.2.第二光栅I(2)与第一光栅I(1)平行放置，让第二光栅I(2)和第一光栅I(1)的刻线方向一致，均平行于Y轴；
1.2.3.调整凹柱面镜(3)使其曲率中心位于第一光栅I(1)工作表面；
1.2.4.放置凸柱面镜(4)使其曲率中心所在直线与凹柱面镜(3)的曲率中心所在直线重合，且凸柱面镜(4)工作面与凹柱面镜(3)工作面相对放置；
1.2.5.调整平面反射镜(5)，使其法线位于YZ平面，且与XZ平面有一定夹角，平面反射镜(5)的工作面与第二光栅I(2)工作面相对；
1.2.6.三元折返镜(6)的工作面与第一光栅I(1)工作面相对；
1.3.给1.2中搭建好的光学系统输入激光脉冲光束，使其在系统内传输四程后出射。
2.根据权利要求1所述的无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，步骤1.1中的三元折返镜(6)是由第一反射镜(7)、第二反射镜(8)和第三反射镜(9)组合而成，且任意两个反射镜所在平面的交线都设置为与X轴平行。
3.根据权利要求1所述的无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，所述步骤1.3中，激光脉冲的四程传输为：激光光束依次经过第一光栅I(1)、凹柱面镜(3)，凸柱面镜(4)，凹柱面镜(3)和第二光栅I(2)后完成第一程传输；接着经平面反射镜(5)反射后，开始第二程传输，光束经过的元件次序与第一程传输相反，之后从第一光栅I(1)工作面出射后完成第二程传输；然后到达三元折返镜(6)，经三元折返镜(6)反射后开始第三程传输，第三、四程传输过程分别与第一、二程传输过程相同。
4.根据权利要求3所述的无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，所述的第二程传输之后，激光入射到三元折返镜(6)并依次经过第一反射镜(7)，第二反射镜(8)和第三反射镜(9)，与入射光反向且平行地出射，出射光与入射光的空间啁啾方向一致。
5.根据权利要求1所述的无时空畸变的激光脉冲展宽方法，其特征在于，所述步骤1.2.5中调整平面反射镜(5)的姿态时，使其法线与入射激光在YZ平面内存在微小的夹角，使传输激光的第一程和第二程以及第三程和第四程传播路径分开。
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