CN114447738B - 超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置由互相平行的反射式第一光栅和反射式第二光栅组成，一方面进行脉冲压缩，另一方面，对输出脉冲引入较强的空间色散，从而降低输出脉冲光斑的调制度，增大压缩器最后一块光栅所能承受的最大能量。较传统的基于四光栅的超短超强激光脉冲压缩装置而言，本发明光栅数量减半，可以节约一半的光栅和对应的调整架的巨大开销，更容易调节，更稳定，体积更小，所需要的真空腔体更小，后期运行维护成本更低，光栅衍射损失能量几乎减半，同时还因为能最大限度的对输出光斑的调制度进行平滑，使得压缩器最后一块光栅得到最好的保护，从而增加整个压缩器所能承受的最大能量。

Description

超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置

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双光栅压缩装置。

背景技术

超强超短激光脉冲已成为了粒子加速、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的重要工具。超强超短激光脉冲在这些领域重要的应用，反过来推动着超强超短激光的进一步发展。当前，全世界已建成多达五十多套的拍瓦(PW,10¹⁵瓦)量级的激光装置，甚至100PW量级的激光装置也处于规划和建设阶段。

受限于制备工艺，基于光栅的啁啾激光脉冲压缩装置的有限光栅尺寸和损伤阈值，已成为超强超短激光脉冲系统进一步提升功率输出的主要障碍。为了获得越来越高激光脉冲能量输出，需要越来越大的大尺寸光栅，然而大尺寸光栅的制备难度极大，并且价格昂贵。同时，为了更好的保护昂贵有限的压缩装置光栅，需要将其置于超净真空腔体，这使得对大尺寸光栅的装调和控制也非常困难。

为了解决大尺寸光栅制造困难对于超强超短激光系统输出脉冲能量的限制，相干光组束方法被提出，即利用多个小尺寸压缩装置对多束小光斑低能量脉冲进行压缩，然后将压缩了的多束子光束进行相干组束，获得高能量脉冲输出。然而，该方法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复杂性和难度。

怎么更有效的利用当前能制备出的最大尺寸光栅来获得最高能量的激光脉冲输出，是当下超强超短激光系统所追寻的目标。近期，基于时空特性调制的多步脉冲压缩方法被提出(参考文件1：专利(申请号)202010534823.8)。该方法以通过对光斑引入空间色散，来降低进入压缩装置的光斑的调制度(光斑中的最强能量密度与主光斑的平均能量密度的比值)，降低同能量下激光脉冲光斑中的热点对光栅造成损伤的可能性，进而增大同尺寸压缩光栅对于脉冲能量的承受能力。进一步，基于同样的原理，非对称四光栅压缩方法被提出(参考文件2，专利(申请号)CN202110509183.X)，该方法仅对常规使用的对称四光栅结构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，使其在增加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。

怎么更经济容易的实现更高能量激光脉冲输出，仍是当前超强超短激光系统所追求的内容。

发明内容

本发明的目的在于提出一种超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置。

本发明的解决方案如下：

一种超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置，特点在于由互相平行的第一光栅和第二光栅组成。一方面，所述的双光栅压缩装置对导入其中的啁啾脉冲进行脉冲压缩；另一方面，导入所述双光栅压缩装置的啁啾脉冲，经过所述的第一光栅的衍射而获得了角色散，并经过所述第二光栅衍射而准直，使得从所述第二光栅输出的压缩了的脉冲具有较强的空间色散。所引入的较强空间色散，能最大限度的降低所述第二光栅上的光斑的调制度，从而更有效的保护压缩装置中最容易被光致损伤的最后一块光栅，在本发明中为所述的第二光栅，进而可以增加所述的超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置所能承受的输出激光脉冲能量。

本发明具有如下的显著特点：

本发明所涉及到的压缩装置只需两块光栅，较传统的基于四光栅的超短超强激光脉冲压缩装置而言，光栅数量减半，以及对应的光栅调整架的减半，这使得本发明较传统四光栅的超短超强激光脉冲压缩装置来说，具有如下优势：

1)光栅减半，可以节约一半的光栅和对应的调整架的巨大开销；

2)双光栅较四光栅来说，更容易调节，更稳定，体积更小，所需要的真空腔体更小，后期运行维护成本更低；

3)由于每块光栅具有约90％衍射效率，则双光栅压缩装置的由于光栅衍射损失能量仅为约19％，而四光栅的压缩装置，由于光栅衍射损失能量达到了约36％，双光栅压缩装置衍射损失能量几乎减半；

4)双光栅结构使得光斑在第二块光栅上获得最大的空间色散量和最低的光斑调制度，最大限度的保护了压缩装置最易被光致损伤的最后一块光栅。

附图说明

图1为所述超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置结构示意图。

图2为本发明实施例的有调制情况下，四光栅、双光栅压缩装置出射光斑的强度分布图。

图3为本发明实施例的，四光栅、双光栅压缩装置出射脉冲焦点的时域信息，以及双光栅压缩装置出射脉冲的焦斑强度分布。

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。

为了验证本发明的有效性，我们对一束直径为50mm，中心波长800mm，波长半高宽20nm的啁啾激光脉冲，利用传统的四光栅压缩装置和本发明所提出的双光栅压缩装置，进行脉冲压缩，并比较两种压缩装置所获得的压缩光束的特性。

我们对带有一定啁啾量的脉冲，利用宽度约为1mm的纸带引入光斑调制，并将光斑调制了的啁啾脉冲导入两种压缩装置。图2(a)给出了传统的四光栅压缩装置所输出的光斑形状，图2(c)为该输出光斑中间一行的强度曲线，可以看出，所输出的光斑仍然保留了挡光带所引入的很强的调制。图2(b)本发明双光栅压缩装置所输出的光斑形状，图2(d)为该输出光斑中间一行的强度曲线，可以看出，双光栅压缩装置所引入的空间色散能非常有效的将导入其中的强光斑调制进行平滑。这使得在同样的能量输入情况下，双光栅压缩装置能更好的保护压缩装置最后的一块光栅(本发明中的第二光栅)，不会受到光斑中的热点所导致的光致损伤。

为了更进一步证明本发明除了具有上述所说更好保护压缩装置最后的一块光栅外，还同样能实现与传统的四光栅压缩装置相当的脉冲压缩，我们测量了从两种压缩装置所输出脉冲在焦点处的时域和空间特性。从图3(a)可以看出，两种压缩装置所输出脉冲焦点处的脉冲宽度相当，并且，双光栅压缩装置所输出脉冲有一定的二阶啁啾，比较容易补偿，而四光栅压缩装置所输出脉冲则具有一定不易补偿的三阶以上的高阶啁啾。我们利用焦距为2m的透镜对从双光栅压缩装置所输出脉冲进行聚焦，鉴于透镜尺寸，我们限制入射压缩装置的光的直径为16mm，则输出光斑在竖直方向上仍为16mm，而横向方向上则由于色散会比16mm宽，约为35mm。聚焦的焦斑如图3(b)所示，可以看出，焦斑椭圆度极高，达到了95％以上，同时，焦斑全直径200um。如果按入射光斑直径为16mm来计算，经过2m透镜所能获得的衍射极限光斑直径为2*f*lambda/D＝2×2000mm×800nm÷16mm＝200um，可以看出，几乎达到了衍射极限。我们认为之所以会得到几乎衍射极限的焦斑，在于横向色散所形成的宽光斑。

综上，本发明超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置，一方面，可以利用其所能引入的最大空间色散，降低压缩装置最后一块光栅表面上的光斑调制，从而对其进行最好的保护，另一方面，所输出的脉冲，在焦点处，具有极好的时域特性和几乎衍射极限的焦斑。除此之外，双光栅压缩装置较传统的四光栅压缩装置具有：耗资几乎减半，更小巧稳定，更易调节，衍射损耗能量几乎减半等诸多优势。

Claims (1)

1.一种超强啁啾激光脉冲双光栅压缩装置，其特征在于，装置由互相平行的反射式第一光栅（1）和反射式第二光栅（2）组成；

在一定的入射角下，既对导入其中的啁啾脉冲，引入符号相反的啁啾量进行脉冲压缩，并且所述引入符号相反的啁啾量大小与所述的反射式第一光栅（1）和所述的反射式第二光栅（2）之间的间距成正比；又对导入其中的啁啾脉冲，经过所述的反射式第一光栅（1）衍射而获得角色散，并经过所述反射式第二光栅（2）衍射而准直，使得从所述的反射式第二光栅（2）输出的压缩了的脉冲具有空间色散，所述的空间色散量与所述的反射式第一光栅（1）和所述的反射式第二光栅（2）之间的间距成正比。