CN112366497B - 预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统 - Google Patents

Abstract

一种预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统，包括空间啁啾发生器，以及沿该空间啁啾发生器产生的空间啁啾激光方向依次放置的第一光学望远扩束器、近场光斑修正器、第二光学望远扩束器、第一激光能量放大器、......、第N光学望远扩束器、第M激光能量放大器、......、末端光学望远扩束器和空间啁啾型光栅压缩器；所述的空间啁啾发生器，用于使激光脉冲的不同光谱分量分布在光束横截面的不同位置，形成特定的空间啁啾比例。本发明能够充分利用光栅表面积、显著增加光栅压缩器的能量荷载，减少由于有限光栅尺寸造成的光栅压缩器的光束能量损耗，进而提升激光啁啾脉冲放大装置的输出峰值功率上限。

Description

预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统

技术领域

本发明涉及激光科学领域，涉及能够输出大能量飞秒脉冲的激光啁啾脉冲放大技术的研究与应用领域，是一种尤其适合于宽光谱高能量激光啁啾脉冲的激光脉宽压缩系统。

背景技术

激光啁啾脉冲放大装置(Chirped Pulse Amplifiers，简写为CPAs)能够实现激光脉冲的能量放大和飞秒输出，是超强超短激光科学领域研究的基础设备，可以为基础物理研究提供极高功率密度实验平台。“激光啁啾脉冲”是指激光脉冲在时间域上具有啁啾性——即脉冲不同时间位置上的光谱波长也不同。“超强超短”是指激光脉宽短至100飞秒以下(飞秒，即10^-15s，缩写fs)，峰值功率(能量除以脉宽)高至100太瓦以上(太瓦，即10¹²W，缩写TW)。

激光啁啾脉冲放大装置通常按如下流程运转：首先，初始飞秒弱脉冲被送入光栅展宽器中。光栅展宽器的强烈正色散使得激光脉冲正啁啾化——长波长超前短波长落后，形成纳秒脉宽啁啾脉冲。接着，啁啾脉冲经过多个光学扩束器和激光放大器，实现激光扩束和能量放大。最后，利用光栅压缩器的负色散，补偿之前的正色散，消除激光脉冲中的啁啾，使能量被充分放大的激光脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出。

激光啁啾脉冲放大装置中被放大的激光脉冲具有宽光谱、啁啾化的特点。从物理原理上说，激光脉冲的时域形状是由其宽带光谱做傅里叶变换得到，是由其宽带光谱的强度分布和相位分布所决定的。光谱越宽，脉冲展宽后得到啁啾脉冲的脉宽会越长(有利于脉冲能量放大)，而且，脉冲压缩后得到输出脉宽可能越短(有利于输出峰值功率)。以925nm波段的激光脉冲为例，需要约200nm的光谱宽度和约15ps/nm的啁啾量，才能支持3ns的啁啾脉宽和13fs的输出脉宽。

激光脉宽压缩系统，是通过消除激光脉冲啁啾实现脉宽压缩的精密光学系统，是整个啁啾脉冲激光放大装置的末端。光栅压缩器是常用的激光脉宽压缩系统。当宽光谱激光被光栅所衍射时，不同波长激光分量会有不同的衍射方向，形成强烈空间色散。光栅压缩器以Edmond B.Tracy提出的平行光栅对结构为基础，成功将光栅的空间色散能力转化成为时域负色散。它可以消除激光啁啾脉冲的时域正啁啾，实现激光啁啾脉冲的脉宽压缩，输出飞秒脉冲。

在先技术中，激光脉宽压缩系统通常由一套四光栅压缩器构成——四片反射式平面光栅，两两平行且呈镜像放置，参见图1。当宽光谱光束进入四光栅压缩器，首先被第一光栅1按波长衍射，不同光谱分量在垂直于光栅刻线的水平面内发散开来；第二光栅2平行于第一光栅1且相对放置。可使不同波长光谱分量恢复平行；第三光栅3和第四光栅4也互相平行，并与第一光栅1和第二光栅2成镜像放置。这种构型普遍应用于大能量大口径光束的啁啾脉冲激光放大装置。

在先技术运用了反射式平面光栅。在反射式平面光栅表面，均匀密布着精密设计的波长周期微结构，可以为啁啾脉冲脉宽压缩提供宽光谱、高效率的衍射。但光栅的微结构使得光栅表面的激光电场局域出现强化，更容易被飞秒激光所破坏。光栅压缩器的每一片光栅都需要承受全部脉冲能量冲击，尤其是作为最末端的第四光栅4需要负荷全能量飞秒脉冲的冲击，最容易受到破坏——能量破坏阈值低。为提高输出能量和峰值功率，啁啾脉冲放大系统需要更大的光栅尺寸。

在先技术存在不足。一方面，大尺寸平面光栅生产难度高、成本高昂，是啁啾脉冲放大系统提升峰值功率的发展瓶颈。另一方面，相对于承载着最高功率密度的第四光栅4，第二光栅2和第三光栅3却要求更大尺寸以应对空间发散开的衍射光束。否则，光束侧漏，损耗增加，不仅大能量漏光可能对周边的元器件造成伤害，而且主光束被光栅切边衍射，会改变近场光斑边缘区域脉宽，也会影响光束远近场光学质量。这使得在先技术不得不约束激光束口径，无法充分利用第一光栅1和第四光栅4上的光栅面积，能量负荷受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，充分利用光栅面积、增加光栅压缩器的能量荷载上限并避免由于有限光栅尺寸造成的光栅压缩器的光束能量损耗，进而推动激光啁啾脉冲放大装置的输出峰值功率提升。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统，其特点在于，包括空间啁啾发生器，以及沿该空间啁啾发生器产生的空间啁啾激光方向依次放置的第一光学望远扩束器、近场光斑修正器、第二光学望远扩束器、第一激光能量放大器、......、第N光学望远扩束器、第M激光能量放大器、......、末端光学望远扩束器和空间啁啾型光栅压缩器；

所述的空间啁啾发生器，用于使激光脉冲的不同光谱分量分布在光束横截面的不同位置，形成特定的空间啁啾比例；

所述的第一光学望远扩束器、第二光学望远扩束器、......、和第N光学望远扩束器的光束口径逐级增大，且N≥2；

所述的近场光斑修正器，用于修正空间啁啾激光近场光斑形状；

所述的第一激光能量放大器、......、第M激光能量放大器的泵浦光束口径与能量逐级增大，且M≥1，N＝M+1。

所述的元器件的相对位置关系如下：

首先，啁啾脉冲进入空间啁啾发生器，在光束横截面上形成空间啁啾。其后，啁啾脉冲通过不同设计的各种光学望远扩束器，先后经过近场光斑修正器、各级激光能量放大器；最终，激光啁啾脉冲完成放大，经过空间啁啾型光栅压缩器，被压缩成为飞秒量级的超短脉冲。

所述的空间啁啾发生器，可以是光栅对、棱镜对等具有空间色散能力的光学元件。普通的激光束，在整个光束截面上，光谱分布基本均匀一致。在理论上，可以视作无穷个单色光束在空间同一位置的叠加。在光栅对、棱镜对等空间色散元件作用下，不同波长的单色光束相对中心波长光束在某一特定空间维度上发生平移，形成空间啁啾。空间啁啾发生器甚至可以位于飞秒脉冲振荡源内。

所述的近场光斑修正器，是一套被用于对近场光斑形状做校正的光学组件。在空间啁啾发生器的作用下，作为光束横截面的的近场光斑被沿着某一方向拉长。因此，这种光斑的边缘不再具有宽光谱，而是窄光谱，甚至单色光。这并不适宜对后续啁啾激光脉冲放大，也不能满足本发明对光束的需要。本发明需要用截断或抑制的方式，削除这部分光斑。可采用“截断”的方式，如：用小孔或狭缝等光阑或衰减片截取需要的光斑部分。这样做，虽然会发生衍射发散。但可以用聚焦后小孔滤波的方式加以消除。可采用“抑制”的方式，如：合理设计激光能量放大器，使需要的光斑区域被能量放大，不需要的光斑区域得不到能量放大。

所述的光学望远扩束器，是指光路中的多套激光扩束系统。啁啾脉冲需要扩大光束口径以降低能量密度，为近场光斑修正、激光能量放大或脉宽压缩做准备。光学望远扩束器，可以在降低光束发散角的同时维持放大光束口径，但不会改变空间啁啾比例。光学望远扩束器，可采用凸透镜组或凹凸透镜组或凹面镜组或凹凸面镜组构建。如果光学系统存在焦点，更可以在该焦点处设置小孔滤波，以优化光束。

所述的能量放大器，是指一级或多级激光放大：基于各种激光放大机制，将能量从泵浦光转移到信号光(啁啾脉冲)内。常见激光放大机制包括：利用激光工作介质的能级跃迁实现受激放大；利用非线性晶体的三波混频实现光学参量放大。合理设计泵浦区域，可以抑制光斑边缘的光强，得到本发明所需要的光束截面。

所述的空间啁啾型光栅压缩器，依然是一种四光栅压缩器，四片平面反射光栅，两两平行且呈镜像放置。与在先技术有所不同的是，空间啁啾型光栅压缩器中的激光束是空间啁啾的，边缘缺失部分光谱，使得剩余光谱不会衍射出光栅之外。所以，在构型上，四片光栅大小基本相同，光斑可以布满每一片光栅的工作表面，充分利用光栅的载荷能力，如图2。

本发明中空间啁啾比例的计算分析，见图3。假设激光束呈矩形，整个激光束被视作无穷个单色光束在空间上的叠加。图3中光束截面的上边缘光谱宽度只剩一半，缺失短波长；下边缘光谱宽度只剩一半，缺失长波长；只有中心波长分量遍布整个光束截面。假设光束总口径a，光栅入射角θ₀，中心波长衍射角α₀，波长下限的衍射角α₁，波长上限的衍射角α₂。光栅对之间在中心波长衍射方向上的距离为l₀。则单侧啁啾区宽度：

Δ＝l₀ cosα₀(tanα₂-tanα₁)/2·cosθ₀

也就是说，上下限波长的单色色块各横移了Δ距离。因此，引入空间啁啾后，宽度a的光束被拉长(a+2Δ)/a倍。拉长后的光斑需要被截回原宽度a。

本发明具有以下技术效果：

1)在激光束上形成空间啁啾，使得激光光束在四光栅压缩器中穿行时，能维持截面尺寸，不会衍射发散到光栅工作面之外。

2)利用了光栅工作面积，能够显著提升光栅压缩器的能量荷载上限并避免由于有限光栅尺寸造成的光栅压缩器的光束能量损耗。

3)光束截面边缘的空间啁啾会导致光栅压缩后脉宽有所增加，但不会影响远场焦点处的脉宽。因为啁啾脉冲放大系统的输出激光只有被聚焦形成超强超短功率密度后，才有应用价值，所以啁啾脉冲放大系统输出光脉冲不会因为空间啁啾而影响输出峰值功率。

附图说明

图1是在先技术激光脉宽压缩系统的四光栅压缩器的结构示意图

图2是本发明中空间啁啾型光栅压缩器的结构示意图

图3是本发明中空间啁啾型光栅压缩器的分析图

图4是本发明预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统实施例1的结构示意图

图5是棱镜对的结构示意图

图6是本发明预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统实施例2的结构示意图

图7是透射光栅对的结构示意图

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。

图4是本发明预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统实施例1的结构示意图。由图可见，本发明预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统包括空间啁啾发生器5、第一光学望远扩束器6、近场光斑修正器7、第二光学望远扩束器8、第一激光能量放大器9、末端光学望远扩束器10和空间啁啾型光栅压缩器11。

本实施例应用于800nm波段钛宝石啁啾脉冲放大系统，使用矩形工作面尺寸555*995mm的光栅，有望输出25PW以上峰值功率。

设800nm波段啁啾脉冲放大系统的光束光谱750～850nm，宽度100nm，光谱强度呈矩形分布。啁啾脉冲脉宽约2ns。根据对光谱做傅立叶变换可知，脉宽压缩后可得到的最小极限脉宽19fs。

本实施例中，所述的空间啁啾发生器5，采用棱镜对形式，参见图5。在本实施例中，第一棱镜51和第二棱镜52按800nm波长布儒斯特角切割，反向平行设置。光束首先通过第一棱镜51，发生空间色散，接着通过第二棱镜52光束恢复平行出射。适当调节棱镜间距使新光斑长度为原光斑长度1.19倍。

本实施例中，所述的第一光学望远扩束器6、第二光学望远扩束器8和末端光学望远扩束器10，采用多片凸透镜组合，逐级扩束并降低能量密度，为近场光斑修正、激光能量放大或为光栅压缩做准备。凸透镜组合的光学望远扩束系统存在光束焦点。通过在焦点处设置小孔滤波，可以恢复因各种原因(尤其是近场光斑修正器7)劣化了的光束质量。

本实施例中，所述的近场光斑修正器7，采用一条狭缝，宽度与未空间啁啾化的原光斑尺寸接近。狭缝边缘做成锯齿状软边狭缝，以减少衍射。

本实施例中，所述的第一激光能量放大器8，采用钛宝石(Ti：Al₂O₃)作为激光工作介质。钛宝石晶体吸收532nm波长泵浦光，实现能级跃迁，受激放大800nm波段激光啁啾脉冲。合理限制、设计泵浦光形状，可以使啁啾脉冲光斑多余的部分受到抑制。

本实施例中，空间啁啾型光栅压缩器9，采用了四块平面反射光栅两两平行并呈镜像放置的构型，见图2。光栅刻线密度为1480线/mm，光栅基板尺寸575*1015mm，光栅工作区域尺寸555*995mm。激光入射角约56°，入射光束呈方形，口径540mm，四面光栅上光斑尺寸相同540*966mm(小于光栅工作区域尺寸)。光谱覆盖750～850nm范围，则在光栅上的衍射光结构中心方向为20.9975°，对应中心波长802nm衍射光，设定该方向上平行光栅间距1100mm。

光栅面上飞秒光破坏阈值在200mJ/cm²——为避免光栅破坏，取2倍调制因子，即光栅表面局部最大平均能量密度为100mJ/cm²。考虑到空间啁啾区的光谱较窄，实际局部能量会随光谱宽度等比例下降。计算认定，在当前的空间啁啾结构下，单脉冲全口径输出能量可达到496J能量。

考虑到单面光栅90％衍射效率，预计末端光学望远扩束器加整个光栅压缩器能有70％通光效率，回溯计算最后一级能量放大器应该输出709焦耳单脉冲能量。

考虑到相应光谱下傅立叶变换极限脉宽为19fs，可以得到极限输出峰值功率26PW。

本实施例的工作过程如下：

第一步，实施准备：800nm波段啁啾脉冲具有2ns脉宽，矩形光谱，光谱宽度100nm(750～850nm)，光束近场无明显空间啁啾。

第二步，光束引向棱镜对。在棱镜对的空间色散作用下，光束截面被拉长。微调棱镜间距，使光斑长度为原本长度的1.19倍。

第三步，光束引向扩束透镜组，将激光束扩大到厘米量级，利用带锯齿边的狭缝修正光斑的长边，使光斑呈方形。

第四步，光束再次引向扩束凸透镜组，获得合适的光斑口径以满足后续钛宝石放大级的要求。在凸透镜组中的焦点位置，安装滤光小孔，滤去发散角大的杂散光。

第五步，控制钛宝石放大级中泵浦光的尺寸，使得啁啾脉冲得到放大，同时抑制边缘能量放大，起到软光阑的效果。

第六步，使用末端扩束透镜组，在空间啁啾型光栅压缩器前形成边长540mm的空间啁啾光束，单脉冲能量709焦耳。

第七步，空间啁啾光通过四光栅压缩器，输出单脉冲能量496焦耳。再考虑到光谱对应极限19飞秒脉宽，可以得到极限输出峰值功率26PW。远高于使用同款光栅的在先技术啁啾脉宽压缩系统中10PW左右的最高峰值功率。

图6是本发明预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统实施例2的结构示意图，如图所示，N＝3，M＝2，具体包括空间啁啾发生器5、第一光学望远扩束器6、近场光斑修正器7、第二光学望远扩束器8、第一激光能量放大器9、第三光学望远扩束器12、第二激光能量放大器13、末端光学望远扩束器10和空间啁啾型光栅压缩器11。

本实施例应用于925nm波段钛宝石啁啾脉冲放大系统，使用矩形工作面尺寸1030*1580mm的光栅，有望输出100PW以上峰值功率。

假设925nm波段啁啾脉冲放大系统的光束光谱825～1025nm，宽度200nm，光谱强度呈矩形分布。啁啾脉冲脉宽约3ns，根据对光谱做傅立叶变换可知，脉宽压缩后可得到的最小极限脉宽13fs。

本实施例中，所述的空间啁啾发生器5，采用透射光栅对形式，参见图7。在本实施例中，第一透射光栅53和第二透射光栅54，平行设置。光束首先通过第一透射光栅53，发生空间色散，接着通过第二透射光栅54光束恢复平行出射。适当调节透射光栅间距使新光斑长度为原光斑长度1.30倍。

本实施例中，所述的第一光学望远扩束器6、第二光学望远扩束器8、第三光学望远扩束器12和末端光学望远扩束器10，采用多级凹面反射镜组合，逐级扩束并降低能量密度，为近场光斑修正、激光能量放大或为光栅压缩做准备。通过在凹面反射镜组合的焦点处设置小孔滤波，可以恢复因各种原因(尤其是近场光斑修正器7)劣化了的光束质量。凹面反射镜组合还可以避免由于大尺寸透镜材料中心厚边缘薄造成的光束相位不均匀。

本实施例中，所述的近场光斑修正器7，采用一种透射式狭缝衰减片，光束从中心区域零衰减通过，宽度与未空间啁啾化的原光斑尺寸接近，其他区域强衰减。

本实施例中，所述的第一激光能量放大器8、第二激光能量放大器13，采用光参量放大作为增益方案。在BBO、LBO、KDP等晶体中发生三波混频，532nm波长泵浦光的能量在满足相位匹配的条件下，被转移到925nm波段的激光啁啾脉冲中。合理限制、设计泵浦光形状，可以使啁啾脉冲光斑多余的部分受到抑制。

本实施例中，空间啁啾型光栅压缩器11，采用了四块平面反射光栅两两平行并呈镜像放置的构型，见图3。光栅刻线密度为1400线/mm，光栅基板尺寸1070*1620mm，光栅工作区域尺寸1030*1580mm。激光入射角约61°，光束尺寸1010*750mm。四面光栅上光斑尺寸都为1010*1547mm(小于光栅工作区域尺寸)。光谱覆盖825～1025nm范围，则衍射光在光栅上的结构中心方向为25.8430°，对应中心波长936nm衍射光，设定该方向上平行光栅间距1320mm。

光栅面上飞秒光破坏阈值在200mJ/cm²——为避免光栅破坏，取2倍调制因子，即光栅表面局部最大平均能量密度为100mJ/cm²。考虑到空间啁啾区的光谱较窄，实际局部能量会随光谱宽度等比例下降。计算认定，在当前的空间啁啾结构下，单脉冲全口径输出能量可达到1445焦耳能量。

考虑到单面光栅90％衍射效率，预计末端光学望远扩束器加整个光栅压缩器能有70％通光效率，回溯计算最后一级能量放大器应该输出2064焦耳单脉冲能量。

考虑到相应光谱下傅立叶变换极限脉宽为13fs，可以得到极限输出峰值功率111PW。

本实施例的工作过程如下：

第一步，实施准备：925nm波段啁啾脉冲具有3ns脉宽，矩形光谱，光谱宽度200nm(825～1025nm)，光束近场无明显空间啁啾。

第二步，光束引向透射光栅对。在光栅对的空间色散作用下，光束截面被拉长。微调光栅间距，使光斑长度为原本长度的1.30倍。

第三步，光束引向扩束凹面镜组，将激光束扩大到厘米量级，利用狭缝衰减片修正光斑的拉长边，使光束截面恢复还原成无空间啁啾时的尺寸。

第四步，光束再次引向扩束凹面镜组，获得合适的光斑口径以满足后续能量放大器的要求。在凸透镜组中的焦点位置，安装滤光小孔，滤去发散角大的杂散光。

第五步，控制能量放大器中泵浦光的尺寸，使得啁啾脉冲得到放大，同时抑制边缘能量放大，起到软光阑的效果。

第六步，使用末端扩束凹面镜组，在空间啁啾型光栅压缩器9前形成1010*750mm的矩形空间啁啾光束，单脉冲能量2064焦耳。

第七步，空间啁啾光通过四光栅压缩器，输出单脉冲能量1445焦耳。再考虑到光谱对应极限13飞秒脉宽，可以得到极限输出峰值功率111PW。

Claims (3)

1.一种预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统，其特征在于，包括空间啁啾发生器(5)，以及沿该空间啁啾发生器(5)产生的空间啁啾激光方向依次放置的第一光学望远扩束器(6)、近场光斑修正器(7)、第二光学望远扩束器(8)、第一激光能量放大器(9)、......、第N光学望远扩束器、第M激光能量放大器、末端光学望远扩束器(10)和空间啁啾型光栅压缩器(11)；

所述的空间啁啾型光栅压缩器(11)，用于输出光束口径a的激光束，是一种四光栅压缩器，四片平面反射光栅，两两平行且呈镜像放置，四片光栅尺寸相同，使矩形激光束投射的光斑分布整个光栅表面，且不会衍射发散到光栅工作面之外，需满足如下条件：

Δ＝l₀cosα₀(tanα₂-tanα₁)/2·cosθ₀

式中，Δ为所述的空间啁啾型光栅压缩器的单侧啁啾区宽度，l₀为光栅对之间在中心波长衍射方向上的距离，α₀为中心波长衍射角，α₁为波长下限的衍射角，α₂为波长上限的衍射角，θ₀为光栅入射角；

所述的空间啁啾发生器(5)，用于使激光脉冲的不同光谱分量分布在光束横截面的不同位置，形成具有(a+2Δ)/a倍空间啁啾量的矩形激光束，a为输出激光光束的口径；

所述的第一光学望远扩束器(6)、第二光学望远扩束器(8)、.......、第N光学望远扩束器和末端光学望远扩束器(10)的输出光束口径逐级增大，且N≥2；

所述的近场光斑修正器(7)，用于修正空间啁啾激光近场光斑形状；

所述的第一激光能量放大器(9)、.......、和第M激光能量放大器的泵浦光束口径与脉冲能量逐级增大，且M≥1，N＝M+1。

2.根据权利要求1所述的预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统，其特征在于，所述的空间啁啾发生器是光栅对或棱镜对。

3.根据权利要求1所述的预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统，其特征在于，所述的近场光斑修正器是用小孔或狭缝截取需要的光斑部分。

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