CN116780323A - 基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器 - Google Patents
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Abstract
一种基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，用于实现拍瓦激光脉宽的调节控制。包括本体；本体底部设置可调节高度的三个支撑件和压紧固定机构；本体内腔，依次设置第一D型反射镜、第二反射镜、第一透射光栅、第二透射光栅、屋脊棱镜、电控平移台和控制器；第一D型反射镜，将通过入射孔入射的激光反射至第二反射镜，通过第一D型反射镜和第二反射镜控制激光以预设角度入射第一透射光栅，并同时使衍射光束中心与平移台移动方向平行；第二透射光栅与第一透射光栅平行放置，且与屋脊棱镜一同固定在电控平移台上；衍射光束通过第二透射光栅衍射后，入射到屋脊棱镜上；屋脊棱镜使激光产生高度上的偏移，并原路折返，最后通过第一D型反射镜上方，经出射孔出射至本体外，通过所述的控制器控制所述的电动平移台位置进而实现脉宽的调节。
Description
技术领域
本发明属于短脉冲激光系统的脉宽控制技术领域，更具体的说，涉及一种基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器。
背景技术
在高能皮秒拍瓦短脉冲激光系统中，为了同时实现高能量和短脉冲宽度的激光输出，啁啾脉冲放大技术是一种经常被采用的激光放大技术。在系统中，为了降低放大过程中非线性累积对激光能量输出的限制，需要展宽器提供大的二阶色散量来实现飞秒种子源的纳秒级脉冲展宽，能量放大后的激光脉冲经过与展宽器二阶色散量大小相同，但方向相反的压缩器进行脉宽压缩，以此来获取压缩后的高能量短脉冲激光，最终实现高峰值功率激光输出。
在实际高能皮秒拍瓦激光的应用中(Double-cone ignition scheme forinertial confinement fusion，J.Zhang,et.al.Philosophical Transactions of theRoyal Society A,2020,378(2184))，要求经常进行激光脉宽的控制和切换，需要脉宽具有1-10ps的脉宽调控能力。在激光的脉宽调控方面，展宽器、压缩器和脉宽调节器光栅均采用了1740线/mm的反射式光栅，来实现高阶色散的控制。首先，展宽器将低能量的短脉冲在时域上展宽至纳秒级；然后，利用非线性晶体的光参量啁啾脉冲放大技术和利用钕玻璃增益介质的啁啾脉冲放大技术，进行宽频带激光的能量放大，输出能量为千焦耳量级；最后，再利用压缩器对高能量宽频带激光进行二阶色散补偿，将脉宽压缩至转换极限脉冲。在此过程中，主要的二阶色散量是通过展宽器和压缩器进行配对补偿，再通过脉宽调节器进行脉冲宽度的控制。此外，还需要考虑补偿激光系统透射光学元件带来的二阶色散，以及光栅调整架的定位精度等的影响，脉宽调节器需要具备相应的调节范围。
之前，在首次皮秒拍瓦激光设计和实施中，脉宽调节器基本采用反射式光栅进行脉宽控制，为了避免光学元器件的干涉，以及保障入射和出射光束的分离，需要使用光栅的尺寸在50-100mm量级来实现±100ps的调节范围(大型高功率激光装置设计与研制，朱健强著，p587-p588)，这导致在增加造价的同时也需要更大空间，限制了脉宽调节器的性价比和模块集成度。近来，随着机械加工和定位精度的提升，±30ps的调节范围能够满足激光系统调试和运行的需求。此外，大体积脉宽调节器的调试和定标过程，都需要利用OPCPA放大(重频1-10Hz)或者CPA放大(单次)过程，只有在展宽、放大和压缩过程都完备的情况下才能开展定标，过程也较为繁琐，耗时费力。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，且基于脉宽调节过程高阶色散对光谱带宽为3-5nm的皮秒拍瓦激光压缩脉冲质量影响可以忽略的理论依据(Design of Third-OrderDispersion Compensation for the SG PW Laser System Using aBirefringentCrystal，Dawei Li，et.al，Appl.Sci.2022,12(8),4078)。本发明克服了利用反射式光栅进行脉宽调节的不足之处，提出一种基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，该发明通过电控平移台控制透射光栅对之间距离，利用屋脊棱镜将光路平移，按原光路折返，实现脉宽的控制。本发明具有高性价比、空间体积紧凑、结构简单、调节方便和适用性强等优点，便于工作人员对激光装置的脉宽进行定标、调试及控制。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，包括本体，其特点在于；
所述的本体底部设置可调节高度的三个支撑件和压紧固定机构；本体内腔设置不同高度支撑件，来保光学元件中心与激光匹配；在所述的本体内腔中，按激光传输方向，依次设置第一D型反射镜、第二反射镜、第一透射光栅、第二透射光栅、屋脊棱镜、电控平移台和控制器；所述的本体前端开设入射孔和出射孔；
所述的本体底部支撑件，由三点支撑结构构成，可以调节本体高度和姿态，并由压紧机构固定；
所述的本体内腔支撑件，由压板、立柱和调整架组成，用来调节各光学元件的高度和姿态；
所述的第一D型反射镜，将通过所述的入射孔入射的激光反射至第二反射镜，所述的第一透射光栅设置在第二反射镜前端，且具有预设角度，通过第一D型反射镜和第二反射镜控制激光以预设角度入射所述的第一透射光栅，并同时使衍射光束的中心与所述的平移台的移动方向平行；所述第二透射光栅与第一透射光栅平行放置，且与所述的屋脊棱镜一同固定在所述的电控平移台上；衍射光束通过第二透射光栅衍射后，入射到所述的屋脊棱镜上；屋脊棱镜使激光产生高度上的偏移，并原路折返，最后通过第一D型反射镜上方，并通过所述的出射孔出射至本体外；
所述的本体内的电控平移台通过控制器进行控制，预设位置和步长精度；
所述的本体前端开设入射孔和出射孔，可预设光阑，作为本体相对激光的基准。
在一种可能的实现方式中，所述的主体底部高度调节支撑件，调节范围为0-80mm，预设高度0mm。
在一种可能的实现方式中，相对于主体内腔底面，所述的入射孔高度预设为60mm，所述的出射孔预设为75mm。
在一种可能的实现方式中，所述的第一D型反射镜和第二反射镜的直径为25.4mm，且D型通光中心至主体内腔底面高度60mm。
在一种可能的实现方式中，所述的第二反射镜，直径为25.4mm，且中心至主体内腔底面高度67.5mm。
在一种可能的实现方式中，所述第一透射光栅的入射角度为70°。
在一种可能的实现方式中，所述第一透射光栅和第二透射光栅，尺寸为25mm(高)*35mm(长)*3mm(厚)，且几何中心至内腔底面高度67.5mm。
在一种可能的实现方式中，所述屋脊棱镜，直径为30mm，且中心至内腔底面高度67.5mm，将入射激光抬高15mm。
在一种可能的实现方式中，所述的屋脊棱镜与第二透射光栅，一同预设在所述的电控平移台上。
在一种可能的实现方式中，所述的电控平移台的行程≥为100mm，控制精度小于≤5um。
在一种可能的实现方式中，所述的激光口径≤10mm，偏振方向为垂直偏振，入射激光高度60mm，与入射孔同高；出射激光高度75mm，与出射孔同高。
与现有技术相比，本发明基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器的有益效果为：
1)采用与反射式光栅相同刻线密度的透射光栅，相同工作角度下，引入的色散相同，不会对脉冲压缩质量产生影响；但是，可以使脉宽调节器更为紧凑，调节过程对光束的指向影响更小；
2)本发明可以利用高重频种子源和相关仪进行离线或在线定标，不依赖于展宽器和压缩器，具有调试简单、便捷和便于移植的优点；
3)与反射式的脉宽调节器的价格相比，本发明的性价比更高，可以有效节约成本。本发明适用于高能拍瓦激光系统脉宽调控，对激光装置的设计、调试和运行具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器的光学示意图。
图2以神光II高能拍瓦激光系统脉宽调节(中心波长1053nm，带宽6.5nm(FWHM))为实施例，当透射光栅条纹密度为1740线/mm、入射角度为70度时，±30ps脉宽调节范围对应透射光栅对距离的理论计算结果图。
图3为本发明基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器实施例的内部结构的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器做进一步详细阐述，以求更为清楚的理解具体结构和实现过程，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。尽管在附图中出示了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应该理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实施例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于突出本申请的主旨。
实施例
本实施例选择神光II高能拍瓦激光系统短脉冲种子源的中心波长1053nm、带宽6.5nm(FWHM)、脉宽为250fs，脉宽的调节范围为±30ps。
本实施例中的透射光栅选择为1740线/mm，使用波长范围为1020-1070nm。
图1为本发明实施例的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器的光学示意图，图2为以神光II高能拍瓦激光系统脉宽调节(中心波长1053nm，带宽6.5nm(FWHM))为实施例，当透射光栅条纹密度为1740线/mm、入射角度为70度时，±30ps脉宽调节范围对应透射光栅对距离的理论计算结果曲线图，图3为本实施例的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器的内部结构俯视图。
如图1和3所示，本发明基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光脉宽调节器，其特征在于，包括本体100，本体100外部设置三个高度调节的支撑件200，用于实现本体100高度和本体平面姿态的调整；本体100内部设置不同的支撑件，用于将光学元件支撑到光路所在高度；依次设置的第一D型反射镜110、第二反射镜120、第一光栅130、第二光栅140和屋脊棱镜150；本体100的第一D型反射镜垂直两侧分别开入射孔310和出射孔320；第一D型反射镜110的通光中心将与入射孔同高；所述的屋脊棱镜150将激光折返并提升高度，使激光通过第一D型反射镜110上方，并通过出射孔320出射；屋脊棱镜150和第二透射光栅140利用支撑件一同固定在所述的电控平移台160上，并可以通过所述的控制器170进行行程和步进精度的控制。
在本实施例中，垂直偏振的激光，以相对于所述的本体100底面高度60mm的高度通过入射孔310入射至直径25.4mm的第一D型反射镜110镜片中心，经过第一D型反射镜110的45°反射后，入射到直径25.4mm的第二反射镜120上，通过控制预设角度，使得反射光入射至1740线/mm、口径尺寸为25mm(高)*35mm(长)*3mm(厚)的第一光栅130上，衍射光束中心与所述的平移台160平移方向平行，控制入射角度为70°。经过第二光栅140再次衍射后，由口径为30mm的屋脊镜150将光路高低拔高15mm后，沿原路反射，最终通过第一D型反射镜110上方，由相对本体底面高度75mm的出射孔320出射。
需要特殊说明的是，根据脉宽控制量的大小，光栅对的斜距离可以描述为：
其中，τ为需要控制的短脉冲激光时间宽度(FWHM)，δλ为脉冲的光谱宽度，c为光速，λ0为脉冲的中心波长，d为光栅的刻线密度，γ为光栅的入射角度。以神光II高能拍瓦激光系统脉宽调节(中心波长1053nm，带宽6.5nm(FWHM))为实施例，当透射光栅条纹密度为1740线/mm、入射角度为70度时，±30ps脉宽调节范围对应透射光栅对距离的理论计算结果曲线如图2所示。对于脉宽调节器±30ps的调节量，需要平移台160具有≥90mm的行程；
另外，1740线/mm的第一透射光栅130和第二透射光栅和140，在1020-1070nm范围的效率≥98％、角度色散约为0.22°/nm、口径35mm*25mm(条纹方向)，当第二透射光栅140距离第一透射光栅130距离为90mm时，在第二透射光栅140上光斑展开量为tan(0.22°/nm*6.5nm)*90mm＝2.2mm，对于光束口径为10mm的光束，会在色散方向展宽到12.2mm，这需要屋脊棱镜150的直径≥30mm，在满足激光口径需求的同时，产生15mm的高低位移量。
在此实施例中，实现脉宽调节后的激光由出射孔320输出装置外部。
综上所述，利用小口径的第一透射光栅130和第二透射光栅140，可以有效降低脉宽调节器的成本，而且与反射式光栅相比，在调节脉宽过程中，平移台160的移动过程对出射光的影响会更小。在缩小装置体积的同时，节约了制造成本，也使得其具有更好的移植性和波长适用性。
最后应当说明的是：采用上述优选具体实施方式只是为了便于理解而对本发明进行的举例说明，上述说明是示例性的，并非穷尽的，本发明还可有其他实施例，本发明的保护范围并不限于此。在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。本文中所用的术语的选择，旨在最好的解释各实施例的原理，实际应用或对市场应用中的技术改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本发明披露的各实施例。
Claims (11)
1.一种基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，包括本体(100)，其特征在于，
所述的本体(100)的底部设置可调节高度的三个支撑件和压紧固定机构；所述的本体(100)的内腔设置不同高度支撑件，来保光学元件中心与激光匹配；在所述本体(100)内腔中，按激光传输方向，依次设置第一D型反射镜(110)、第二反射镜(120)、第一透射光栅(130)、第二透射光栅(140)、屋脊棱镜(150)、电控平移台(160)和控制器(170)；所述的本体(100)的前端开设入射孔(310)和出射孔(320)；
所述的本体(100)底部的支撑件，由三点支撑结构构成，可以调节所述的本体(100)的高度和姿态，并由压紧机构固定；
所述的本体(100)内腔的支撑件，由压板、立柱和调整架组成，用来调节各光学元件的高度和姿态；
所述的第一D型反射镜(110)，将通过所述的入射孔(310)入射的激光反射至第二反射镜(120)，所述的第一透射光栅(130)设置在第二反射镜(120)的前端，且具有预设角度，通过第一D型反射镜(110)和第二反射镜(120)控制激光以预设角度入射所述的第一透射光栅(130)，并同时使衍射光束中心与所述的电控平移台(160)移动方向平行；所述的第二透射光栅(140)与第一透射光栅(130)平行放置，且与所述的屋脊棱镜(150)一同固定在所述的电控平移台(160)上；衍射光束通过第二透射光栅(140)衍射后，入射到所述的屋脊棱镜(150)上；该屋脊棱镜(150)使激光产生高度上的偏移，并原路折返，最后通过第一D型反射镜(110)的上方，并通过所述的出射孔(320)出射至本体(100)外；
所述的电控平移台(160)通过所述的控制器(170)进行控制，预设位置和步长精度；
所述的入射孔(310)和出射孔(320)，可预设光阑，作为本体(100)相对激光的基准。
2.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的主体底部高度调节的支撑件，调节范围为0-80mm，预设高度0mm。
3.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，相对于主体内腔底面，所述的入射孔(310)高度预设为60mm，所述的出射孔(320)预设为75mm。
4.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的第一D型反射镜(110)，直径为25.4mm，且D型通光中心至主体内腔底面高度60mm。
5.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的第二反射镜(120)，直径为25.4mm，且中心至主体内腔底面的高度为67.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的第一透射光栅(130)的入射角度为70°。
7.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的第一透射光栅(130)和第二透射光栅(140)，尺寸为25mm(高)*35mm(长)*3mm(厚)，且几何中心至内腔底面的高度为67.5mm。
8.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的屋脊棱镜(150)的直径为30mm，且中心至内腔底面高度为67.5mm，将入射激光抬高15mm。
9.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的屋脊棱镜(150)与第二透射光栅(140)一同预设在所述的电控平移台(160)上。
10.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的电控平移台(160)的行程≥100mm，控制精度≤5um。
11.根据权利要求1所述的基于透射光栅的紧凑型皮秒拍瓦激光系统脉宽调节器，其特征在于，所述的激光口径≤10mm，偏振方向为垂直偏振，入射激光的高度为60mm，与所述的入射孔(310)同高；出射激光高度位75mm，与所述的出射孔(320)同高。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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