CN113078540B - 一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置及其实现方法。本发明在CPA系统中加入选择性折返器和分光器，将展宽器置入选择性折返器中，选择性折返器将不同时间的脉冲在空间上分开，并且通过分光器将脉冲分别传输至两个压缩器；选择性折返器利用法拉第旋转器和半波片对正向传输和反向传输脉冲的偏振状态影响不同，从而控制正反传输脉冲的偏振状态；第一脉冲正反两次经过展宽器进行展宽，因此脉冲的宽度更长，适合更高能量放大；第二脉冲经过一次展宽器展宽，脉冲宽度相对较短，适合低能放大，第一压缩器的双光栅间距较短，能够减小光栅尺寸，降低成本，从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。

Description

一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置及其实现方法。
背景技术
自啁啾激光脉冲放大(CPA)提出后，激光器的峰值功率飞跃发展，激光脉冲峰值功率可达数PW(1015W)，激光光强可达1022W/cm2。这类强场激光被广泛应用于激光等离子相互作用中。
常见的CPA系统采用一个振荡器产生超短脉冲(脉冲宽度通常为皮秒或飞秒量级)作为种子源，经过展宽器对脉冲进行时间展宽后获得长脉冲(脉宽长度几十皮秒到纳秒量级，具体展宽后的脉宽长度取决于最终需要放大的能量)，利用放大器系统对已经展宽的长脉冲进行能量放大获得高能量脉冲，高能量的激光脉冲最后通过压缩器将脉冲的时间尺度压缩到最小(回到种子源的脉宽量级)从而获得高峰值功率的强场激光脉冲。其中展宽器根据最终要放大的目标能量来决定引入的展宽量，放大的目标能量越大，引入的展宽量越多，展宽后的脉宽越长。展宽后脉宽越长，则压缩器需要提供的色散越多，这要求光栅对压缩器中光栅对间距变大，从而增大光栅尺寸，增加成本。
在放大过程中，高能激光泵浦源由于热管理问题，能量越高，激光重复频率越低，这导致CPA放大的激光会不停地降低频率，在降低频率也就是我们说的选单，在选单的时候是多个脉冲选一个，剩余的丢掉，且百TW或PW激光的成本极高，这对激光资源而言是极大的浪费。
发明内容
为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置及其实现方法，能够将一套激光系统同时输入到多个靶场使用，极大提高了激光的使用率。
CPA系统依次包括振荡器、展宽器、放大器组和压缩器组；其中，放大器组包括第一放大器和第二放大器，第一放大器之后为第二放大器；压缩器组包括第一压缩器和第二压缩器；振荡器产生超短脉冲作为种子源，种子源经过展宽器对脉冲进行时间展宽后获得长激光脉冲，从展宽器出来的脉冲的偏振状态为水平偏振；再进入放大器组放大能量，获得高能量激光脉冲；高能量激光脉冲最后通过压缩器组将脉冲的时间尺度压缩。
本发明的一个目的在于提出一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置。
本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置包括：在CPA系统中加入选择性折返器和分光器；展宽器位于选择性折返器中；在第一放大器和第二放大器之间放置分光器；
选择性折返器具有分光和选择性回光功能，分光为时域分光，即将不同时间的脉冲在空间上分开，选择性折返器包括：法拉第旋转器、半波片、第一普克尔盒、第一至第三偏振分光镜以及第一至第三平面反射镜；其中，法拉第旋转器和半波片对正向传输和反向传输脉冲的偏振状态影响不同：对于脉冲正向传输，即脉冲经过法拉第旋转器后再经过半波片，脉冲的偏振状态不变；对于脉冲反向传输，即脉冲先经过半波片再经过法拉第旋转器，脉冲的偏振状态旋转90°；第一普克尔盒为电光器件，在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，通过控制第一普克尔盒的电压，实现调控脉冲的偏振状态；第一至第三偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
分光器包括第二普克尔盒和第四偏振分光镜，其中，第二普克尔盒在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，第四偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
初始的脉冲为周期性脉冲，对第一和第二普克尔盒施加高压为周期性加压，其周期为脉冲的周期的二倍，施加高压为半波电压；对第一普克尔盒加压的初始时刻为t0，经过加压时长Δt，即在时刻t0+Δt时刻对第一普克尔盒撤除高压；第二普克尔盒施加高压的周期与第一普克尔盒施加高压的周期相同；
振荡器输出第一脉冲，初始的第一脉冲为水平偏振，第一脉冲经过第一偏振分光镜透射，进入法拉第旋转器后经过半波片，第一脉冲为正向传输从而偏振状态不变，进入展宽器，展宽器对偏振状态没有影响，输出仍为水平偏振，经过第二偏振分光镜透射，在第一脉冲第一次进入第一普克尔盒前对第一普克尔盒开始施加半波电压，第一脉冲第一次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒已经施加半波电压，第一普克尔盒表现为半波片，经过第一普克尔盒输出，第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，从第一普克尔盒输出的竖直偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜反射，再经第一平面反射镜反射后，沿原路返回第三偏振分光镜，第一脉冲此时仍为竖直偏振，经过第三偏振分光镜反射回到第一普克尔盒，第一脉冲第二次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，第二次经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，水平偏振的第一脉冲继续往回传输，回到第二偏振分光镜透射，第一脉冲反向经过展宽器进行再次展宽后，输出的仍为水平偏振，第一脉冲沿原路返回，依次经过半波片和法拉第旋转器，第一脉冲为反向传输从而偏振状态旋转90°，从法拉第旋转器输出的第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，经过第一偏振分光镜反射，再经第二平面反射镜和第三平面反射镜反射后至第二偏振分光镜，此时第一脉冲的传输方向与第一脉冲第一次经过第二偏振分光镜的传输方向垂直，第二偏振分光镜对竖直偏振的第一脉冲反射后，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍然施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒后且第二脉冲经过第一普克尔盒之前，对第一普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜透射进入第一放大器；由于光路可逆，因此第一脉冲从展宽器的输入端到输出端进行了一次展宽，第一脉冲从输出端进入展宽器，从输入端输出也得到一次展宽，从而在这个周期中，第一脉冲经过两次展宽器进行展宽；
第一脉冲经过第一放大器放大后，改变第一脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，在第一脉冲进入第二普克尔盒前，对第二普克尔盒施加半波电压，竖直偏振的第一脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒已经施加半波电压，第二普克尔盒表现为半波片，经过第二普克尔盒出射的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，在第一脉冲经过第二普克尔盒后且第二脉冲经过第二普克尔盒之前，对第二普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第四偏振分光镜透射，进入第二放大器，再经过第二压缩器进行压缩；
第二脉冲从振荡器输出后，水平偏振的第二脉冲经过第一偏振分光镜透射至法拉第旋转镜，正向传输经过法拉第旋转镜和半波片，对第二脉冲的偏振状态没有影响，第二脉冲进入展宽器时为水平偏振，展宽器输出的第二脉冲仍为水平偏振，第二脉冲经过第二偏振分光镜透射，经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒未施加高压，第一普克尔盒表现为全波片，第二脉冲经过第一普克尔盒后偏振状态不变，仍然为水平偏振该，水平偏振的第二脉冲经过第三偏振分光镜透射，传输进入第一放大器，第二脉冲仅经过一次展宽器进行展宽；
第二脉冲经过第一放大器放大后，改变第二脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒未施加高压，第二普克尔盒表现为全波片，第二脉冲的偏振状态不变，仍然为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲从第二普克尔盒输出至第四偏振分光镜，经第四偏振分光镜反射进入第一压缩器进行压缩；
从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。
第一普克尔盒施加高压的时间Δt大于第一脉冲第一次经过第一普克尔盒的时刻到第三次经过第一普克尔盒的时刻的时间差。
通常普克尔盒从0电压施加到高压需要时间，称为普克尔盒的上升时间，普克尔盒从高压降低到0电压需要时间，称为普克尔盒的下降时间。第一普克尔盒的上升时间和下降时间小于种子源脉冲周期的一半。
考虑到种子源在MHZ量级，进一步限定第一普克尔盒的上升时间和下降时间均小于2ns，脉冲在展宽器中传输的时间大于10ns。第一脉冲从第一偏振分光镜反射后经过第二和第三平面反射镜返回到第二偏振分光镜的时间小于5ns，第一脉冲从第三偏振分光镜经过第一平面反射镜至第三偏振分光镜的时间小于1ns，第一普克尔盒施加高压的时间大于20ns且小于1ms。
对第二普克尔盒施加高压的起始时刻为t01，经过加压时长Δt1，即在时刻t01+Δt1对第二普克尔盒撤除高压，Δt1＞10ns；第二普克尔盒的上升时间和下降时间均小于20ns。
在第一放大器后加入半波片，从而改变脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振。
普克尔盒为电光器件，相当于电压控制的波片，包含一个电光晶体以及高压电源，通过在电光晶体上施加高压从而控制电光晶体表现出的光学性质；普克尔盒0电压状态为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响；当电光晶体上施加电压后，电光晶体在初始状态上叠加施加电压后的光学性质，如果施加电压后，普克尔盒表现出的叠加光学性质为四分之一波片，此时施加电压成为四分之一波电压；当电光晶体上施加电压后，电光晶体叠加的光学性质表现为半波片时，此时施加电压为半波电压，对脉冲的偏振状态旋转90°。
在本发明中，第一脉冲经过正向和反向两次经过展宽器进行展宽，因此脉冲的宽度更长，适合更高能量放大；第二脉冲经过一次展宽器展宽，脉冲宽度相对较短，适合低能放大，此时第一压缩器的双光栅间距较短，能够减小光栅尺寸，降低成本。
本发明的另一个目的在于提出一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的实现方法。
本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的实现方法，包括以下步骤：
1)在CPA系统中，将展宽器位于选择性折返器中，在第一放大器和第二放大器之间放置分光器；
a)选择性折返器具有分光和选择性回光功能，分光为时域分光，即将不同时间的脉冲在空间上分开，选择性折返器包括：法拉第旋转器、半波片、第一普克尔盒、第一至第三偏振分光镜以及第一至第三平面反射镜；其中，法拉第旋转器和半波片对正向传输和反向传输脉冲的偏振状态影响不同：脉冲正向传输，即脉冲经过法拉第旋转器后再经过半波片，脉冲的偏振状态不变；若脉冲反向传输，即脉冲先经过半波片再经过法拉第旋转器，脉冲的偏振状态旋转90°；第一普克尔盒为电光器件，在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，通过控制第一普克尔盒的电压，实现调控脉冲的偏振状态；第一至第三偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
b)分光器包括第二普克尔盒以及第四偏振分光镜，其中，第二普克尔盒在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，第四偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
2)设定时序参数：
初始的脉冲为周期性脉冲，对第一和第二普克尔盒施加高压为周期性加压，其周期为脉冲的周期的二倍，施加高压为半波电压；对第一普克尔盒加压的初始时刻为t0，经过加压时长Δt，即在时刻t0+Δt时刻对第一普克尔盒撤除高压；第二普克尔盒施加高压的周期与第一普克尔盒施加高压的周期相同；
3)振荡器输出第一脉冲，初始的第一脉冲为水平偏振，第一脉冲经过第一偏振分光镜透射，进入法拉第旋转器后经过半波片，第一脉冲为正向传输从而偏振状态不变，进入展宽器，展宽器对偏振状态没有影响，输出仍为水平偏振，经过第二偏振分光镜透射，在第一脉冲进入第一普克尔盒前对第一普克尔盒开始施加半波电压，第一脉冲第一次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒已经施加半波电压，第一普克尔盒表现为半波片，经过第一普克尔盒输出，第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，从第一普克尔盒输出的竖直偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜反射，再经第一平面反射镜反射后，沿原路返回第三偏振分光镜，第一脉冲此时仍为竖直偏振，经过第三偏振分光镜反射回到第一普克尔盒，第一脉冲第二次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，第二次经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，水平偏振的第一脉冲继续往回传输，回到第二偏振分光镜透射，第一脉冲反向经过展宽器进行再次展宽后，输出的仍为水平偏振，第一脉冲沿原路返回，依次经过半波片和法拉第旋转器，第一脉冲为反向传输从而偏振状态旋转90°，从法拉第旋转器输出的第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，经过第一偏振分光镜反射，再经第二平面反射镜和第三平面反射镜反射后至第二偏振分光镜，此时第一脉冲的传输方向与第一脉冲第一次经过第二偏振分光镜的传输方向垂直，第二偏振分光镜对竖直偏振的第一脉冲反射后，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍然施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒后且第二脉冲经过第一普克尔盒之前，对第一普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜透射进入第一放大器；由于光路可逆，因此第一脉冲从展宽器的输入端到输出端进行了一次展宽，第一脉冲从输出端进入展宽器，从输入端输出也得到一次展宽，从而在这个周期中，第一脉冲经过两次展宽器进行展宽；
4)第一脉冲经过第一放大器放大后，改变第一脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，在第一脉冲进入第二普克尔盒前，对第二普克尔盒施加半波电压，竖直偏振的第一脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒已经施加半波电压，第二普克尔盒表现为半波片，经过第二普克尔盒出射的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，在第一脉冲经过第二普克尔盒后且第二脉冲经过第二普克尔盒之前，对第二普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第四偏振分光镜透射，进入第二放大器，再经过第二压缩器进行压缩；
5)第二脉冲从振荡器输出后，水平偏振的第二脉冲经过第一偏振分光镜透射至法拉第旋转镜，正向传输经过法拉第旋转镜和半波片，对第二脉冲的偏振状态没有影响，第二脉冲进入展宽器时为水平偏振，展宽器输出的第二脉冲仍为水平偏振，第二脉冲经过第二偏振分光镜透射，经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒未施加高压，第一普克尔盒表现为全波片，第二脉冲经过第一普克尔盒后偏振状态不变，仍然为水平偏振该，水平偏振的第二脉冲经过第三偏振分光镜透射，传输进入第一放大器，第二脉冲仅经过一次展宽器进行展宽；
6)第二脉冲经过第一放大器放大后，改变第二脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒未施加高压，第二普克尔盒表现为全波片，第二脉冲的偏振状态不变，仍然为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲从第二普克尔盒输出至第四偏振分光镜，经第四偏振分光镜反射进入第一压缩器进行压缩；从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。
其中，在步骤2)中，第一普克尔盒施加高压的时间Δt大于第一脉冲第一次经过第一普克尔盒的时刻到第三次经过第一普克尔盒的时刻的时间差。
第一普克尔盒的上升时间和下降时间小于种子源脉冲周期的一半。
进一步限定第一普克尔盒的上升时间和下降时间均小于2ns，脉冲在展宽器中传输的时间大于10ns。脉冲从第一偏振分光镜反射后经过第二和第三平面反射镜传输回到第二偏振分光镜的时间小于5ns，脉冲从第三偏振分光镜经过第一平面反射镜至第三偏振分光镜的时间小于1ns，第一普克尔盒施加高压的时间大于20ns且小于1ms。
对第二普克尔盒施加高压的起始时刻为t01，经过加压时长Δt1，即在时刻t01+Δt1对第二普克尔盒撤除高压，Δt1＞10ns；第二普克尔盒的上升时间和下降时间均小于20ns。
在步骤4)和步骤6)中，在第一放大器后加入半波片，从而改变脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振。
本发明的优点：
本发明在CPA系统中加入选择性折返器和分光器，将展宽器置入选择性折返器中，选择性折返器将不同时间的脉冲在空间上分开，并且通过分光器将脉冲分别传输至两个压缩器；第一脉冲两次经过展宽器进行展宽，因此脉冲的宽度更长，适合更高能量放大；第二脉冲经过一次展宽器展宽，脉冲宽度相对较短，适合低能放大，第一压缩器的双光栅间距较短，能够减小光栅尺寸，降低成本，从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。
附图说明
图1为CPA系统的结构框图；
图2为本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的一个实施例的结构框图；
图3为本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的一个实施例的选择性折返器的结构框图；
图4为本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的一个实施例的分光器的结构框图；
图5为本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的一个实施例的第一普克尔盒加压以及脉冲经过选择性折返器的时序图；
图6为本发明的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的一个实施例的整体时序图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，CPA系统依次包括振荡器、展宽器、放大器组和压缩器组；其中，放大器组中至少包含两个放大器分别为第一放大器和第二放大器，第一放大器之后为第二放大器；压缩器组包括第一压缩器和第二压缩器；振荡器产生超短脉冲作为种子源，种子源经过展宽器对脉冲进行时间展宽后获得长激光脉冲，从展宽器出来的脉冲的偏振状态为水平偏振；再进入放大器组放大能量，获得高能量激光脉冲；高能量激光脉冲最后通过压缩器组将脉冲的时间尺度压缩。
如图2所示，本实施例的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置包括：在CPA系统中加入选择性折返器和分光器；展宽器位于选择性折返器中；在第一放大器和第二放大器之间放置分光器；
如图3所示，选择性折返器具有分光和选择性回光功能，分光为时域分光，即将不同时间的脉冲在空间上分开，选择性折返器包括：法拉第旋转器、半波片、第一普克尔盒、第一至第三偏振分光镜以及第一至第三平面反射镜；其中，法拉第旋转器和半波片对正向传输和反向传输脉冲的偏振状态影响不同：脉冲正向传输，即脉冲经过法拉第旋转器后再经过半波片，脉冲的偏振状态不变；若脉冲反向传输，即脉冲先经过半波片再经过法拉第旋转器，脉冲的偏振状态旋转90°；第一普克尔盒为电光器件，在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，通过控制第一普克尔盒的电压，实现调控脉冲的偏振状态，在本实施例中，第一至第三普克尔盒的初始状态为全波片，施加高压为半波高压；第一至第三偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
如图4所示，分光器包括第二普克尔盒以及第四偏振分光镜，其中，第二普克尔盒在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，第四偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；如图5所示，初始的脉冲为周期脉冲，以三个脉冲为例，分别为第一脉冲1，第二脉冲2，第三脉冲3，初始的脉冲为周期性脉冲，对第一和第二普克尔盒施加高压为周期性加压，其周期为脉冲的周期的二倍，施加高压为半波电压；对第一普克尔盒加压的初始时刻为t0，经过加压时长Δt，即在时刻t0+Δt时刻对第一普克尔盒撤除高压；第二普克尔盒施加高压的周期与第一普克尔盒施加高压的周期相同，如图6所示；
振荡器输出第一脉冲，初始的第一脉冲为水平偏振，第一脉冲经过第一偏振分光镜透射，进入法拉第旋转器后经过半波片，第一脉冲为正向传输从而偏振状态不变，进入展宽器，展宽器对偏振状态没有影响，输出仍为水平偏振，经过第二偏振分光镜透射，在第一脉冲进入第一普克尔盒前对第一普克尔盒开始施加半波电压，第一脉冲第一次经过第一普克尔盒的时刻记为t1-1，此时第一普克尔盒已经施加半波电压，第一普克尔盒表现为半波片，经过第一普克尔盒输出，从第一普克尔盒输出的第一脉冲记为1-1，第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，从第一普克尔盒输出的竖直偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜反射，再经第一平面反射镜反射后，沿原路返回第三偏振分光镜，第一脉冲此时仍为竖直偏振，经过第三偏振分光镜反射回到第一普克尔盒，第一脉冲第二次经过第一普克尔盒的时刻记为t1-2，此时第一普克尔盒仍施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，第二次经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，第二次经过第一普克尔盒输出的第一脉冲记为1-2，水平偏振的第一脉冲继续往回传输，回到第二偏振分光镜透射，第一脉冲反向经过展宽器进行再次展宽后，输出的仍为水平偏振，第一脉冲沿原路返回，依次经过半波片和法拉第旋转器，第一脉冲为反向传输从而偏振状态旋转90°，从法拉第旋转器输出的第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，经过第一偏振分光镜反射，再经第二平面反射镜和第三平面反射镜反射后至第二偏振分光镜，此时第一脉冲的传输方向与第一脉冲第一次经过第二偏振分光镜的传输方向垂直，第二偏振分光镜对竖直偏振的第一脉冲反射后，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒的时刻记为t1-3，此时第一普克尔盒仍然施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，第三次经过第一普克尔盒后的第一脉冲记为1-3，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒后且第二脉冲经过第一普克尔盒之前，对第一普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜透射进入第一放大器；由于光路可逆，因此第一脉冲从展宽器的输入端到输出端进行了一次展宽，第一脉冲从输出端进入展宽器，从输入端输出也得到一次展宽，因此在这个周期中，从而第一脉冲经过两次展宽器进行展宽；
第一脉冲经过第一放大器放大后，改变第一脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，在第一脉冲进入第二普克尔盒前，对第二普克尔盒施加半波电压，竖直偏振的第一脉冲经过第二普克尔盒的时刻记为t1-4，此时第二普克尔盒已经施加半波电压，第二普克尔盒表现为半波片，经过第二普克尔盒出射的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，经过第二普克尔盒出射的第一脉冲记为1-4，在第一脉冲经过第二普克尔盒后且第二脉冲经过第二普克尔盒之前，对第二普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第四偏振分光镜透射，进入第二放大器，再经过第二压缩器进行压缩；
第二脉冲从振荡器输出后，水平偏振的第二脉冲经过第一偏振分光镜透射至法拉第旋转镜，正向传输经过法拉第旋转镜和半波片，对第二脉冲的偏振状态没有影响，第二脉冲进入展宽器时为水平偏振，展宽器输出的第二脉冲仍为水平偏振，第二脉冲经过第二偏振分光镜透射，经过第一普克尔盒的时刻记为t2-1，此时第一普克尔盒未施加高压，第一普克尔盒表现为全波片，第二脉冲经过第一普克尔盒后偏振状态不变，从第一普克尔盒输出的第二脉冲记为2-1，仍然为水平偏振该，水平偏振的第二脉冲经过第三偏振分光镜透射，传输进入第一放大器，第二脉冲仅经过一次展宽器进行展宽；
第二脉冲经过第一放大器放大后，改变第二脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲经过第二普克尔盒的时刻为t2-2，此时第二普克尔盒未施加高压，第二普克尔盒表现为全波片，第二脉冲的偏振状态不变，从第二普克尔盒输出的第二脉冲记为2-2，仍然为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲从第二普克尔盒输出至第四偏振分光镜，经第四偏振分光镜反射进入第一压缩器进行压缩；
第三脉冲将重复第一脉冲的轨迹，第一次至第三次经过第一普克尔盒的时刻分别为t3-1、t3-2和t3-3，第三脉冲经过第二普克尔盒的时刻记为t3-4，第一次至第三次从第一普克尔盒输出的第三脉冲分别记为3-1、3-2和3-3，经过第二普克尔盒出射的第三脉冲记为3-4，将两次经过展宽器进行展宽，从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。
第一普克尔盒施加高压的起始时刻t0，t0为第一脉冲第一次经过第一普克尔盒1的时刻t1-1之前，即t0＜t1-1；第一普克尔盒撤除高压的时刻t0+Δt为第一脉冲第三次经过第一普克尔盒的时刻t1-3之后且第二脉冲经过第一普克尔盒之前，即t1-3<t0+Δt<t2-1。第一普克尔盒施加高压的时间Δt大于第一脉冲第一次经过第一普克尔盒到第三次经过第一普克尔盒的时间差，即Δt＞t1-3-t1-1。第一普克尔盒上升时间和下降时间小于种子源脉冲周期的一半。
进一步限定第一普克尔盒的上升时间与下降时间均小于2ns，脉冲在展宽器中的传输时间大于10ns。脉冲从第一偏振分光镜反射后经过第二和第三平面反射镜传输回到第二偏振分光镜的时间小于5ns，脉冲从第三偏振分光镜反射后经过第一平面反射镜反射后回到第三偏振分光镜的时间小于1ns。第一普克尔盒施加高压的时间大于20ns且小于1ms。
第二普克尔盒的施加高压的起始时刻为t01，其中t01＜t1-4＜t01+Δt1，经过加压时长Δt1，即在时刻t01+Δt1时刻第二普克尔盒撤除高压，Δt1＞10ns；第二普克尔盒的上升时间和下降时间均小于20ns。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，啁啾激光脉冲放大CPA系统依次包括振荡器、展宽器、放大器组和压缩器组；其中，放大器组包括第一放大器和第二放大器，第一放大器之后为第二放大器；压缩器组包括第一压缩器和第二压缩器；振荡器产生超短脉冲作为种子源，种子源经过展宽器对脉冲进行时间展宽后获得长激光脉冲，从展宽器出来的脉冲的偏振状态为水平偏振；再进入放大器组放大能量，获得高能量激光脉冲；高能量激光脉冲最后通过压缩器组将脉冲的时间尺度压缩，其特征在于，所述重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置包括：在CPA系统中加入选择性折返器和分光器；展宽器位于选择性折返器中；在第一放大器和第二放大器之间放置分光器；
选择性折返器具有分光和选择性回光功能，分光为时域分光，即将不同时间的脉冲在空间上分开，选择性折返器包括：法拉第旋转器、半波片、第一普克尔盒、第一至第三偏振分光镜以及第一至第三平面反射镜；其中，法拉第旋转器和半波片对正向传输和反向传输脉冲的偏振状态影响不同：对于脉冲正向传输，即脉冲经过法拉第旋转器后再经过半波片，脉冲的偏振状态不变；对于脉冲反向传输，即脉冲先经过半波片再经过法拉第旋转器，脉冲的偏振状态旋转90°；第一普克尔盒为电光器件，在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，通过控制第一普克尔盒的电压，实现调控脉冲的偏振状态；第一至第三偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
分光器包括第二普克尔盒和第四偏振分光镜，其中，第二普克尔盒在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，第四偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；初始的脉冲为周期性脉冲，对第一和第二普克尔盒施加高压为周期性加压，其周期为脉冲的周期的二倍，施加高压为半波电压；对第一普克尔盒加压的初始时刻为t0，经过加压时长Δt，即在时刻t0+Δt时刻对第一普克尔盒撤除高压；第二普克尔盒施加高压的周期与第一普克尔盒施加高压的周期相同；
振荡器输出第一脉冲，初始的第一脉冲为水平偏振，第一脉冲经过第一偏振分光镜透射，进入法拉第旋转器后经过半波片，第一脉冲为正向传输从而偏振状态不变，进入展宽器，展宽器对偏振状态没有影响，输出仍为水平偏振，经过第二偏振分光镜透射，在第一脉冲第一次进入第一普克尔盒前对第一普克尔盒开始施加半波电压，第一脉冲第一次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒已经施加半波电压，第一普克尔盒表现为半波片，经过第一普克尔盒输出，第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，从第一普克尔盒输出的竖直偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜反射，再经第一平面反射镜反射后，沿原路返回第三偏振分光镜，第一脉冲此时仍为竖直偏振，经过第三偏振分光镜反射回到第一普克尔盒，第一脉冲第二次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，第二次经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，水平偏振的第一脉冲继续往回传输，回到第二偏振分光镜透射，第一脉冲反向经过展宽器进行再次展宽后，输出的仍为水平偏振，第一脉冲沿原路返回，依次经过半波片和法拉第旋转器，第一脉冲为反向传输从而偏振状态旋转90°，从法拉第旋转器输出的第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，经过第一偏振分光镜反射，再经第二平面反射镜和第三平面反射镜反射后至第二偏振分光镜，此时第一脉冲的传输方向与第一脉冲第一次经过第二偏振分光镜的传输方向垂直，第二偏振分光镜对竖直偏振的第一脉冲反射后，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍然施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒后且第二脉冲经过第一普克尔盒之前，对第一普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜透射进入第一放大器；由于光路可逆，因此第一脉冲从展宽器的输入端到输出端进行了一次展宽，第一脉冲从输出端进入展宽器，从输入端输出也得到一次展宽，从而在这个周期中，第一脉冲经过两次展宽器进行展宽；
第一脉冲经过第一放大器放大后，改变第一脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，在第一脉冲进入第二普克尔盒前，对第二普克尔盒施加半波电压，竖直偏振的第一脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒已经施加半波电压，第二普克尔盒表现为半波片，经过第二普克尔盒出射的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，在第一脉冲经过第二普克尔盒后且第二脉冲经过第二普克尔盒之前，对第二普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第四偏振分光镜透射，进入第二放大器，再经过第二压缩器进行压缩；
第二脉冲从振荡器输出后，水平偏振的第二脉冲经过第一偏振分光镜透射至法拉第旋转器，正向传输经过法拉第旋转器和半波片，对第二脉冲的偏振状态没有影响，第二脉冲进入展宽器时为水平偏振，展宽器输出的第二脉冲仍为水平偏振，第二脉冲经过第二偏振分光镜透射，经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒未施加高压，第一普克尔盒表现为全波片，第二脉冲经过第一普克尔盒后偏振状态不变，仍然为水平偏振，水平偏振的第二脉冲经过第三偏振分光镜透射，传输进入第一放大器，第二脉冲仅经过一次展宽器进行展宽；
第二脉冲经过第一放大器放大后，改变第二脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒未施加高压，第二普克尔盒表现为全波片，第二脉冲的偏振状态不变，仍然为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲从第二普克尔盒输出至第四偏振分光镜，经第四偏振分光镜反射进入第一压缩器进行压缩；
从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。
2.如权利要求1所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，其特征在于，所述第一普克尔盒施加高压的时间Δt大于第一脉冲第一次经过第一普克尔盒的时刻到第三次经过第一普克尔盒的时刻的时间差。
3.如权利要求1所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，其特征在于，所述第一普克尔盒的上升时间和下降时间小于种子源脉冲周期的一半。
4.如权利要求3所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，其特征在于，所述第一普克尔盒的上升时间和下降时间均小于2ns，脉冲在展宽器中传输的时间大于10ns。
5.如权利要求1所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，其特征在于，所述第一脉冲从第一偏振分光镜反射后经过第二和第三平面反射镜返回到第二偏振分光镜的时间小于5ns，第一脉冲从第三偏振分光镜经过第一平面反射镜至第三偏振分光镜的时间小于1ns，第一普克尔盒施加高压的时间大于20ns且小于1ms。
6.如权利要求1所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，其特征在于，所述对第二普克尔盒施加高压的起始时刻为t01，经过加压时长Δt1，即在时刻t01+Δt1对第二普克尔盒撤除高压，Δt1＞10ns；第二普克尔盒的上升时间和下降时间均小于20ns。
7.如权利要求1所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置，其特征在于，在所述第一放大器后加入半波片，从而改变脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振。
8.一种如权利要求1所述的重频啁啾脉冲放大激光双压缩输出装置的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)在CPA系统中，将展宽器位于选择性折返器中，在第一放大器和第二放大器之间放置分光器；
a)选择性折返器具有分光和选择性回光功能，分光为时域分光，即将不同时间的脉冲在空间上分开，选择性折返器包括：法拉第旋转器、半波片、第一普克尔盒、第一至第三偏振分光镜以及第一至第三平面反射镜；其中，法拉第旋转器和半波片对正向传输和反向传输脉冲的偏振状态影响不同：脉冲正向传输，即脉冲经过法拉第旋转器后再经过半波片，脉冲的偏振状态不变；若脉冲反向传输，即脉冲先经过半波片再经过法拉第旋转器，脉冲的偏振状态旋转90°；第一普克尔盒为电光器件，在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，通过控制第一普克尔盒的电压，实现调控脉冲的偏振状态；第一至第三偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
b)分光器包括第二普克尔盒以及第四偏振分光镜，其中，第二普克尔盒在0电压表现为全波片，对脉冲的偏振状态没有影响，施加半波电压时，叠加的光学性质表现为半波片，使脉冲的偏振状态旋转90°，第四偏振分光镜为水平偏振的脉冲透过，垂直偏振的脉冲反射；
2)设定时序参数：
初始的脉冲为周期性脉冲，对第一和第二普克尔盒施加高压为周期性加压，其周期为脉冲的周期的二倍，施加高压为半波电压；对第一普克尔盒加压的初始时刻为t0，经过加压时长Δt，即在时刻t0+Δt时刻对第一普克尔盒撤除高压；第二普克尔盒施加高压的周期与第一普克尔盒施加高压的周期相同；
3)振荡器输出第一脉冲，初始的第一脉冲为水平偏振，第一脉冲经过第一偏振分光镜透射，进入法拉第旋转器后经过半波片，第一脉冲为正向传输从而偏振状态不变，进入展宽器，展宽器对偏振状态没有影响，输出仍为水平偏振，经过第二偏振分光镜透射，在第一脉冲进入第一普克尔盒前对第一普克尔盒开始施加半波电压，第一脉冲第一次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒已经施加半波电压，第一普克尔盒表现为半波片，经过第一普克尔盒输出，第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，从第一普克尔盒输出的竖直偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜反射，再经第一平面反射镜反射后，沿原路返回第三偏振分光镜，第一脉冲此时仍为竖直偏振，经过第三偏振分光镜反射回到第一普克尔盒，第一脉冲第二次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，第二次经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，水平偏振的第一脉冲继续往回传输，回到第二偏振分光镜透射，第一脉冲反向经过展宽器进行再次展宽后，输出的仍为水平偏振，第一脉冲沿原路返回，依次经过半波片和法拉第旋转器，第一脉冲为反向传输从而偏振状态旋转90°，从法拉第旋转器输出的第一脉冲的偏振状态由水平偏振变为竖直偏振，经过第一偏振分光镜反射，再经第二平面反射镜和第三平面反射镜反射后至第二偏振分光镜，此时第一脉冲的传输方向与第一脉冲第一次经过第二偏振分光镜的传输方向垂直，第二偏振分光镜对竖直偏振的第一脉冲反射后，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒仍然施加半波电压，第一普克尔盒表现仍为半波片，经过第一普克尔盒后的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，第一脉冲第三次经过第一普克尔盒后且第二脉冲经过第一普克尔盒之前，对第一普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第三偏振分光镜透射进入第一放大器；由于光路可逆，因此第一脉冲从展宽器的输入端到输出端进行了一次展宽，第一脉冲从输出端进入展宽器，从输入端输出也得到一次展宽，从而在这个周期中，第一脉冲经过两次展宽器进行展宽；
4)第一脉冲经过第一放大器放大后，改变第一脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，在第一脉冲进入第二普克尔盒前，对第二普克尔盒施加半波电压，竖直偏振的第一脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒已经施加半波电压，第二普克尔盒表现为半波片，经过第二普克尔盒出射的第一脉冲的偏振状态由竖直偏振变为水平偏振，在第一脉冲经过第二普克尔盒后且第二脉冲经过第二普克尔盒之前，对第二普克尔盒撤除高压，水平偏振的第一脉冲经过第四偏振分光镜透射，进入第二放大器，再经过第二压缩器进行压缩；
5)第二脉冲从振荡器输出后，水平偏振的第二脉冲经过第一偏振分光镜透射至法拉第旋转器，正向传输经过法拉第旋转器和半波片，对第二脉冲的偏振状态没有影响，第二脉冲进入展宽器时为水平偏振，展宽器输出的第二脉冲仍为水平偏振，第二脉冲经过第二偏振分光镜透射，经过第一普克尔盒时，此时第一普克尔盒未施加高压，第一普克尔盒表现为全波片，第二脉冲经过第一普克尔盒后偏振状态不变，仍然为水平偏振，水平偏振的第二脉冲经过第三偏振分光镜透射，传输进入第一放大器，第二脉冲仅经过一次展宽器进行展宽；
6)第二脉冲经过第一放大器放大后，改变第二脉冲的偏振状态，使得变为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲经过第二普克尔盒时，此时第二普克尔盒未施加高压，第二普克尔盒表现为全波片，第二脉冲的偏振状态不变，仍然为竖直偏振，竖直偏振的第二脉冲从第二普克尔盒输出至第四偏振分光镜，经第四偏振分光镜反射进入第一压缩器进行压缩；从而实现将一套CPA系统同时输入到多个靶场使用，提高激光的使用率。
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，第一普克尔盒的上升时间和下降时间均小于2ns，脉冲在展宽器中传输的时间大于10ns；脉冲从第一偏振分光镜反射后经过第二和第三平面反射镜传输回到第二偏振分光镜的时间小于5ns，脉冲从第三偏振分光镜经过第一平面反射镜至第三偏振分光镜的时间小于1ns，第一普克尔盒施加高压的时间大于20ns且小于1ms。
10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，对第二普克尔盒施加高压的起始时刻为t01，经过加压时长Δt1，即在时刻t01+Δt1对第二普克尔盒撤除高压，Δt1＞10ns；第二普克尔盒的上升时间和下降时间均小于20ns。
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Legal Events

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Application publication date: 20210706

Assignee: Beijing Rui de Kang Technology Co.,Ltd.

Assignor: Peking University

Contract record no.: X2023980041624

Denomination of invention: A Double Compression Output Device for Repeated Chirped Pulse Amplification of Laser and Its Implementation Method

Granted publication date: 20220325

License type: Exclusive License

Record date: 20230912