CN113285334B - 超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置 - Google Patents

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Abstract

一种超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，本发明利用四光栅压缩装置的非对称结构，引入空间色散，从而降低从压缩装置出射的激光脉冲的调制度，增强压缩装置所能承受的最大输出能量。本发明与常规的对称四光栅压缩装置比起来，仅仅进行简易的结构改变，将对称结构变成非对称结构，既不增加其它的光学元件，也不用增加调节的复杂性，使得本发明在增强压缩装置所能承受的最大输出能量的同时，具有成本经济、结构简易且稳定的优点。

Description

超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置
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非对称四光栅压缩装置。该装置用于提升超强啁啾激光脉冲压缩装置所能承受的最大输出能量。
背景技术
超强超短激光脉冲的超强峰值功率与超短时域特性，为人类提供前所未有的极端物理条件，在强激光粒子加速、高能二次源产生、实验室天体物理、核聚变快点火等重大前沿科学研究领域有着重要应用。正是因为这些重要的应用，推动着超强超短激光的进一步发展，目前全世界已有多达五十多套的拍瓦(PW,1015瓦)量级的激光装置，甚至有百PW量级的激光装置处于规划和建设中。
目前超强超短激光脉冲主要依赖于啁啾脉冲放大技术(chirped pulseamplification,简称CPA)和光参量啁啾脉冲放大(optical parameter chirped pulseamplification,简称OPCPA)技术来进行脉冲放大。其核心思想是：脉宽为飞秒(10-15秒)的超短种子飞秒光源经由一个光栅展宽器进行啁啾展宽，使其脉冲宽度展宽到纳秒(10-9秒)量级；展宽了的啁啾激光脉冲经过增益介质实现激光脉冲放大。最后，能量放大后的激光脉冲经光栅压缩器进行脉冲压缩，将纳秒量级的啁啾激光脉冲再压缩回飞秒量级。
对于超强超短激光系统而言，鉴于其激光脉冲的超强特性，光致器件损伤是限制超强超短激光系统输出激光脉冲能量的重要因素，超强的激光脉冲会对增益介质以及后面的光学器件造成损伤，这使得超强超短激光系统通常利用大尺寸的光学元件，来降低光学元件表面的激光能量密度。然而，受限于当前的制造能力，对高质量大尺寸的光学元件，尤其是超强超短激光系统所需要的尺度达到米级的用于啁啾脉冲压缩的光栅的制造非常困难，这样大尺寸的光栅也很难装调和控制。
为了解决大尺寸光栅制造困难对于超强超短激光系统的限制，相干光组束方法于2006年提出(参见对比文件1：Synthetic aperture compression scheme for amultipetawatt high-energy laser,"Appl.Opt.45,6013-6021(2006))，并得到了较为深入的研究和一些应用(参见Coherent combining of relativistic-intensityfemtosecond laser pulses,Appl.Phys.B-Lasers Opt.118,511-516(2015)和In-housebeam-splitting pulse compressor for high-energy petawatt lasers,Opt.Express28,22978-22991(2020))，该方法根据分束的位置不同，有多种实现方式，其中比较典型的有：
1，首先将啁啾展宽了的种子光分成多束子光束，然后多束子光束分别经过不同的放大器进行脉冲放大和不同的对称四光栅压缩器进行脉冲压缩，最后再将压缩了的多束子光束进行相干组束。
2，首先将经过放大器放大了的激光脉冲分成多束子光束，然后多束子光束分别经过不同的对称四光栅压缩器进行脉冲压缩，最后再将压缩了的多束子光束进行相干组束。该方法一方面需要比单光束超强超短激光系统多很多的光学元件，对于超强超短激光系统所用的大尺寸光学元件来说，价格比较昂贵；另一方面，不同子光束之间的时间、指向性、波前以及色散的差别对于相干组束影响非常大，要对这些参数进行精密的控制和维持具有非常大的难度和复杂性。
多光栅拼接方法2008年被提了出来(参见对比文件2：Demonstration of large-aperture tiled-grating compressors for high-energy,petawatt-class,chirped-pulse amplification systems,Opt.Lett.33,1684-1686(2008))，该方法利用多块小尺寸子光栅拼接成大尺寸光栅，然后用拼接成的大尺寸光栅组成对称四光栅压缩器对脉冲进行压缩，来确保超强超短激光系统的单光束光路结构。该方法中，需要对多块小尺寸子光栅的多个维度进行精密的调节和对准，存在极大的困难，当下的光栅拼接技术还不够成熟，很难满足超强超短激光系统对于大尺寸光栅的需求。
基于时空特性调制的多步脉冲压缩方法近期被提出(参见对比文件3：专利(申请号)202010534823.8)，该方法首先利用棱镜对来对从放大器输出的激光脉冲引入空间色散，所引入的空间色散能降低激光脉冲的调制度(光斑中的最强能量密度与主光斑的平均能量密度的比值)；然后将调制度降低了的激光脉冲导入对称的四光栅压缩器进行脉冲压缩。该方法利用引入空间色散降低调制度，从而降低同能量下激光脉冲光斑中的热点对光栅造成损伤，进而增大同尺寸压缩光栅对于脉冲能量的承受能力。该方案具有较强的创新性，但棱镜对引入空间色散的使用也使得该方法有一定的复杂性。
综上，对于超强超短激光系统而言，对称的四光栅压缩器几乎是所有超强超短激光系统(包含对比文件1-3)都需要用到的压缩器，并且，为了解决大尺寸光栅制造困难对于超强超短激光系统的限制所提出的技术方案，都或多或少存在一定的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置。
本发明的解决方案如下：
一种超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，由四块反射式光栅组成，其中，相互平行的第一光栅1和第二光栅2组成第一光栅对,相互平行的第三光栅3和第四光栅4组成第二光栅对，所述的第一光栅对中的两块光栅之间的垂直距离L1与所述第二光栅对中的两块光栅之间的垂直距离L2不相等，使得本发明与常规的对称四光栅压缩器比起来，在结构上存在非对称性。
所述的非对称性结构使得对导入所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置的啁啾脉冲进行脉冲压缩，并对输出脉冲引入空间色散。所述的引入的空间色散能降低从所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置出射的激光脉冲的调制度，使得所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置的所述第四光栅上的激光脉冲调制度降低，从而增加所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置所能承受的输出激光脉冲能量。所述的激光脉冲的调制度的定义为激光脉冲光斑的最强能量密度与激光脉冲主光斑的平均能量密度的比值。
本发明具有如下的显著特点：
1、本发明在已有的超强超短激光系统几乎都需要使用的对称四光栅压缩器的基础上，仅仅进行结构的简单变化，从对称结构变成非对称结构，既不用增加光学元件，也不用增加调节的复杂性，使得本发明在增加压缩装置所能承受的最大输出能量的同时，与在先技术相比(对比文件1-3)，具有成本经济、结构简易且稳定的优点。
2、本发明利用非对称四光栅压缩装置的非对称结构，在进行脉冲压缩的同时，对从压缩装置出射的激光脉冲引入空间色散，所引入的空间色散降低了出射激光脉冲的调制度，亦即压缩装置最后一块光栅上的激光脉冲调制度，从而增加压缩装置所能承受的最大输出能量。
附图说明
图1为所述超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置结构示意图。
图2为本发明实施例的入射和出射光斑的强度分布图。
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。
参见图1、2，从放大器输出的超强啁啾激光脉冲参数为：中心波长925nm，光谱全宽200nm，光谱为6阶超高斯形状，啁啾脉冲宽度4ns，傅里叶转换极限半高全宽脉冲宽度14.5fs，光斑为全尺寸500×500mm2的10阶超高斯形状光斑。
从放大器输出的超强啁啾激光脉冲的光斑形状如图2(a)所示，在图2(a)中，分别沿着X轴方向取Y＝0(X-axis)和Y轴方向取X＝0(Y-axis)处的光斑的强度分布曲线，得到图2(c)中所对应的强度分布曲线，可以看出，从放大器输出的超强啁啾激光脉冲的光斑调制度约为2。
这样的超强啁啾激光脉冲导入所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，入射角为61°，光栅刻线密度为1400line/mm。根据光栅衍射方程，可以得到一个光栅对所引入的出射脉冲的最长与最短波长之间的空间色散距离为d0＝(tanβ(ωs)-tanβ(ωl))cosα*(L2-L1)，其中α为入射角，β(ωs)为最短波长衍射角，β(ωl)为最长波长衍射角，L1为第一光栅对中两块光栅的垂直距离，L2为第二光栅对中两块光栅的垂直距离。为了对脉冲进行完全的时域压缩，则L1与L2之和应为2480mm，取d0＝60mm引入足够的空间色散使得出射激光调制度能从2降低到1.1，则L2-L1≈322mm，取L1≈1079mm，L2≈1401mm，进行脉冲的时域特性压缩。
所引入的空间色散有效的降低了出射激光脉冲的调制度。从所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置输出的压缩了的激光脉冲的光斑形状如图2(b)所示，在图2(b)中，分别沿着X轴方向取Y＝0(X-axis)和Y轴方向取X＝0(Y-axis)处的光斑的强度分布曲线，得到图2(d)中所对应的强度分布曲线，对比图2(c)与图2(d)，可以看出从本发明超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置输出激光脉冲光斑空间强度分布更匀滑，具体为使激光脉冲的调制度从入射时的约2降低到约1.1。
对于超强超短激光系统所使用的镀金反射式光栅而言，实验数据表明，光栅针对于纳秒和飞秒两种脉冲宽度的激光脉冲，在中心波长为800nm时，光致损伤阈值分别为600mJ/cm2和229mJ/cm2，其比值为600:229≈2.67:1；光栅的衍射效率大于90％(这里令衍射效率等于90％)，使得四光栅压缩装置的第一光栅1和第四光栅4上的能量比大约为1:0.93≈1.37:1；四光栅压缩装置的第一光栅1上的脉冲宽度为纳秒量级，第四光栅4上的脉冲宽度为飞秒量级。在超强超短激光系统中，为了避免调制度约为2的从放大器输出的超强啁啾激光脉冲中的热点对光栅造成损伤，入射光的能量密度应为光栅损伤阈值的一半，即对于传统的对称四光栅压缩装置的第一光栅1，其上面的纳秒光的能量密度应小于600/2＝300mJ/cm2，对于第四光栅4，其上面的飞秒光的能量密度应小于229/2≈115mJ/cm2。
鉴于本发明超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置使得激光脉冲的调制度从入射时的2降低到约1.1，即所述第一光栅1上的脉冲调制度为2，所述第四光栅4上的脉冲调制度为1.1。则所述第四光栅4上能承受的最强能量密度从229/2≈115mJ/cm2，增加到229/1.1≈208mJ/cm2。当所述的第四光栅4输出的能量密度为208mJ/cm2时，所对应的第一光栅1上的调制度为2的脉冲能量密度为208×1.37≈285mJ/cm2，该能量密度仍然小于第一光栅1上的调制度为2时的最高能量密度300mJ/cm2，不会对其造成损伤。
综上，本发明超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，能使压缩装置的最大输出能量密度从115mJ/cm2增加到208mJ/cm2，实现了约1.8倍的提升,即压缩装置所能承受的最大输出能量提升了1.8倍。同时本发明在常规的对称四光栅压缩器结构上，进行简易的结构改变，变成非对称四光栅压缩器，既不增加其它的光学元件，也不用增加调节的复杂性，使得本发明成本经济、结构简易且稳定。

Claims (2)

1.一种超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，其特征在于装置由四块反射式光栅组成，由相互平行的第一光栅(1)和第二光栅(2)组成第一光栅对,由相互平行的第三光栅(3)和第四光栅(4)组成第二光栅对，所述的第一光栅对中的两块光栅之间的垂直距离L1，所述第二光栅对中的两块光栅之间的垂直距离L2；所述的L1与所述的L2不相等，使得所述超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置具有非对称结构。
2.根据权利要求1所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，且特征在于，所述的L1与所述的L2之和跟所述超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置所引入的时间啁啾量的绝对值呈正比，所述的时间啁啾对导入所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置的啁啾脉冲进行脉冲压缩；所述的L1与所述的L2之差跟所述超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置所引入的空间色散量呈正比，所述的空间色散对输出所述的超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置的脉冲进行调制度降低。
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