CN1266298A - 用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

一种用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器,包括带有入射窗口和出射窗口的外壳,置于外壳外的激光装置发射的飞秒光单脉冲首先进入置于外壳内的光脉冲展宽器,然后经过光脉冲放大器再进入光学组件内,由光学组件输出的多个啁啾光脉冲经过光脉冲压缩器将光脉冲宽度压缩后,由外壳出射窗口输出多个飞秒太瓦级光脉冲。输出的每个光单脉冲的光束截面和光束质量相类似,避免了在先技术中出现的群速度色散及其它非线性效应。

Description

用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器

本发明是关于一种飞秒(10^-15秒)太瓦(10¹²瓦)级超短超强激光装置上所用的多光脉冲发生器。主要适用超短(10^-15秒)超强(10¹²瓦)激光与物质相互作用的研究以及需要多个可控超短超强光脉冲的场合。

在先技术：

目前的飞秒太瓦级超短超强激光装置一般是低重复频率(＜50赫兹)运转的。少数几个最高重复频率的飞秒0.1太瓦级超短超强激光装置也只达到1000赫兹的水平。输出激光脉冲的时间间隔大于等于1毫秒。这是因为激光工作介质需要足够的时间来冷却，高重复频率和高峰值功率是一对矛盾。但实际应用中常需要激光脉冲的时间间隔在飞秒，皮秒和纳秒量级。因此，为从低重复频率的飞秒太瓦级超短超强激光装置获得多个强度比和相互延迟时间容易控制的超短超强脉冲，一般采用脉冲分割技术，即将激光装置输出的一个脉冲分割成几个脉冲。目前已有的最常规的脉冲分割结构是采用含有分束器203和合束器207(部分透过，部分反射)的光学组件2在激光装置1的输出端对飞秒强激光脉冲进行分割，示意图如图1所示。

因为飞秒强激光脉冲的频带很宽-脉宽很窄，即包含许多频率成分，不同频率成分在介质中的传播速度是不同的，透过分束器203和合束器207的那一部分光脉冲会因介质色散(如群速度色散)而发生展宽或其他畸变；在激光功率很高时，还会有其他几种非线性因素导致脉冲的进一步畸变。因而在飞秒强激光光学装置中，应尽量避免采用透射光学元件。这一点正是图1所示结构的一个主要缺点。针对这一点，有人提出了一种不采用透射光学元件的改进方案，如图2所示。(详见S.Bastiani，A.Rousse，J.P.Geindre，P.Audebert，C.Quoix，G.Hamoniaux，A.Antonetti，and J.C.Gauthier.Experimental study of the interaction of subpicosecond laser pulseswith solid targets of varying initial scale lengths，Physical Review E 56，7179-7185(1997))。这种结构虽然因未采用透射光学元件而避免了群速度色散和其它非线性效应，但它在光学组件2中采用中心有小孔使光束穿过、小孔周围是反射光束的特殊分束器203及合束器207对一个激光束的截面进行分割。如图2所示。它破坏了一个高斯光束的完整截面，影响了其光学聚焦特性。且分割后的两个光脉冲一个是旁轴光束，另一个则是离轴较大的光束，用同一光学系统(透镜)聚焦，聚焦特性也是不同的，这使实际应用中，估算和评价聚焦焦斑特性更加复杂。

此外，以上两种结构均是在激光装置的输出端对飞秒强激光脉冲进行分割，这时候，激光脉冲功率高(太瓦量级)，要求激光光束口径大(几个厘米以上)，所需的光学元件都是大口径的抗激光损伤阈值高的光学元件，因此成本很高。且飞秒激光脉冲容易在传输中发生畸变，要求反射和透射的次数越少越好，不希望在飞秒激光光路中插入较多的光学元件。

本发明的目的是针对上述在先技术中存在的问题，提供一种用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，它将不直接对飞秒激光脉冲采用透射光学元件，避免群速度色散和其它非线性效应；也不直接对激光束的截面进行分割，避免破坏一个高斯光束的完整截面；使分割后的脉冲具有类似的光束截面和光束质量，保证它们的光学聚焦特性类似；将采用成本低的小口径的抗激光损伤阈值要求较低的光学元件，就实现对激光脉冲进行分割产生多个强度比和相互延迟时间容易控制的飞秒太瓦级光脉冲。

本发明的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，包括带有入射窗口301和出射窗口302的外壳3，在外壳3内置有光学组件2。在外壳3内，入射窗口301与光学组件2之间，靠近入射窗口301的一端置有光脉冲展宽器4。在光脉冲展宽器4与光学组件2之间置有光脉冲放大器5。在光学组件2与外壳3上的出射窗口302之间置有光脉冲压缩器6。也就是说置于外壳3外的激光装置1发射的飞秒光单脉冲P₀从外壳3入射窗口301入射到外壳3内，首先经过置于外壳3内的光脉冲展宽器4。由光脉冲展宽器4输出的啁啾光脉冲P_Z经过光脉冲放大器5后，进入光学组件2内。由光学组件2输出的多个啁啾光脉冲P_Z1，P_Z2经过光脉冲压缩器6将其光脉冲的脉冲宽度压缩后，由外壳3的出射窗口302输出多个飞秒光脉冲P₁，P₂。

所说的光学组件2包括分束器203和合束器207，在分束器203与合束器207之间含有两束光程不相等的短光路G₁和长光路G₂，短光路G₁上含有的反射镜202的数目M₁等于或少于长光路G₂上含有的反射镜204，205，206的数目M₂，即M₁≤M₂或者光学组件2是由双折射晶体构成。

所说的光脉冲展宽器4主要包含光栅，或主要包含色散棱镜，或主要包含单模光纤。当包含光栅时，利用光栅的色散使入射飞秒光脉冲在时域上被展宽，变成几百皮秒甚至纳秒量级的较长宽度的光脉冲。

所说的光脉冲放大器5是固体激光放大器，其作用是使入射激光束的能量得到放大，即激光能量由纳焦尔级被放大到几百毫焦尔级。

所说的光脉冲压缩器6主要包含光栅，或者主要包含色散棱镜，或者主要包含单模光纤。当主要包含光栅时，其光栅放置方位与光脉冲展宽器4中的光栅相反，从而引起符号相反的色散，把被光脉冲展宽器4展宽的激光脉冲再压缩回去，即把几百皮秒甚至纳秒量级的较长的脉冲宽度压缩为飞秒脉冲。

所说的光学组件2中所包含的分束器(203)和合束器(207)是透过反射镜，或者是偏振分光棱镜。

如图3所示的结构。在光脉冲放大器5与光脉冲压缩器6之间插入光学组件2。当置于外壳3外入射窗口301前的飞秒激光装置1产生的纳焦尔级飞秒光脉冲P0从入射窗口301射进外壳3内，首先经过光脉冲展宽器4将其光脉冲的脉宽变成几百皮秒的纳焦尔级的、且光强随波长不断变化的称为啁啾的光脉冲，此啁啾光脉冲经光脉冲放大器5，将其能量放大，即由光脉冲放大器5输出的每一个脉宽为几百皮秒的焦尔或亚焦尔级啁啾光脉冲被反射镜201(此反射镜201仅是为了改变光路方向，缩小发生器的体积而设置的，不是必须的)引导到光学组件2中的分束器203(部分反射，部分透射)上，分成两束光路G₁和G₂。其中由分束器203反射的光所经过的路径称为短光路G₁，由分束器203透射光束所经过的路径为长光路G₂。图3所示，短光路G₁中反射镜202的数目M₁＝1，而长光路G₂中有反射镜204，205和206，即反射镜的数目M₂＝3。所以两光路G₁和G₂之间有较大的光程差。当长光路G₂的光束透过合束器207(部分反射，部分透射)，与短光路G₁中的光束到达合束器207后再反射的另一束光在空间上重合。然后再一起通过对光脉冲宽度进行压缩的光脉冲压缩器6，被压缩成两个飞秒太瓦级光脉冲。这两个光脉冲之间的时间间隔由被分束器203分束后到被合束器207合并前两束光的光程差决定。而这个光程差可以简单地通过平移反射镜205和206来改变，从而方便地调节最终获得的两个飞秒太瓦级光脉冲的时间间隔。假如在被分束器203分束后的两束光在合并前再次通过一组光学组件2，就可以对光脉冲进行进一步的划分，从而获得三个以上的飞秒太瓦级光脉冲。其基本过程与上述的产生两个脉冲的过程是一样的。此外，若想获得精确的固定的光脉冲间隔，可采用双折射晶体来取代上述的反射镜202、204、205、分束器203与合束器207构成的光学组件2，这时候光脉冲延迟是由双折射晶体中寻常光和非常光的不同传播速度而引起，光脉冲间隔由特定的双折射晶体的光学常数和晶体厚度决定。虽然在在先技术中也可将双折射晶体放在飞秒太瓦级超短超强激光装置的输出端来获得双光脉冲，但由于光束口径大，需要大口径的双折射晶体，既非常昂贵又难以加工，有时侯甚至根本没有所需尺寸的晶体。同时由于激光功率高，晶体也容易损坏。采用本发明的多光脉冲发生器的结构，由于是对被光脉冲压缩器6压缩前的小口径低功率长脉冲进行分割，只需要小口径的双折射晶体，这是一个重大的技术进步。

本发明的优点：

本发明与在先技术的本质区别在于：本发明是对被光脉冲压缩器6压缩之后的脉宽为几百皮秒的脉冲能量为焦尔或亚焦尔的啁啾光脉冲用常规分束器203及合束器207进行分割，而在先技术则是在激光装置1的输出端直接对飞秒强激光脉冲进行分割。基于这一点，本发明与在先技术相比，有显著的进步和优点。具体如下：

本发明的多光脉冲发生器既不对飞秒激光束直接采用透射光学元件，也不像在先技术中用中心小孔的特殊分束器和合束器对激光束的截面进行分割，因此避免了群速度色散和其它非线性效应，也避免了破坏一个高斯光束的完整截面；虽然本发明中的分束器203与合束器207也是透射光学元件，但因为一是分束之前已是脉宽展宽后的啁啾光脉冲，二是在合束之后再进行压缩脉宽，在这过程中，可以补偿上述由透射光学元件所带来的缺陷；

本发明的多光脉冲发生器是对光脉冲宽度展宽后成为光脉冲能量随频谱随时变化的啁啾光脉冲，再经过能量放大后进入光学组件2中进行分割，因此使分割后的光脉冲具有类似的光束截面和光束质量，保证了每个单光脉冲的光学聚焦特性是类似的；

由于上述原因，本发明可以采用成本较低的小口径的抗激光损伤阈值要求较低的光学组件2对几百皮秒的啁啾光脉冲进行分割。因为对光学组件2中的各光学元件来说，几百皮秒的啁啾光脉冲的辐照功率已下降了3到4个数量级，所以口径也可下降好几倍。这就可以采用成本低的较小口径的抗激光损伤阈值要求不太高的分束器203和合束器207进行分割；

使用本发明的多光脉冲发生器，勿须再在飞秒光脉冲光路中插入额外的光学元件，而且也降低了光脉冲压缩器6上的辐照功率，从而降低光脉冲压缩器6的成本，所以本发明的多光脉冲发生器不仅结构紧凑合理，而且成本低廉。

附图说明：

图1为在先技术1，采用分束器203与合束207(部分透过，部分反射)的光学组件2直接置于激光装置1的输出端对飞秒强激光脉冲进行分割产生两个超短超强激光脉冲的双脉冲发生器的结构示意图。

图2为在先技术2，采用特殊分束器203与合束器207(中心为小孔透过，周围为反射)的光学组件2直接置于激光装置1的输出端对飞秒强激光脉冲进行分割产生两个超短超强激光脉冲的双脉冲发生器结构的示意图。

图3是本发明的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器的结构示意图。

图4为本发明在实施例中使用的多光脉冲发生器的结构示意图。

图5为实施例使用本发明多光脉冲发生器的结果曲线图。

实施例：

如图4所示结构的多光脉冲发生器，其中光学组件2包括分束器203和合束器207，短光路G₁上含有反射镜的数目M₁＝2，所以短光路G₁上有反射镜202和208，长光路G₂上的反射镜的数目M₂＝4，因此长光路G₂上有反射镜204、205、206和209。光脉冲展宽器4主要包含光栅。光脉冲压缩器6也主要包含光栅，两光栅放置的方位相反。光脉冲放大器5是钛宝石固体激光放大器。

由置于外壳3外的激光装置1上产生50飞秒纳焦尔量级激光脉冲，经过光脉冲展宽器4后再由光脉冲放大器5输出口径为8mm的100-500mJ/220ps的光脉冲经过分束器203(是45度入射，33.3％反射，66.6％透过)分成两束光，短光路(G₁)和长光路(G₂)。短光路G₁上的光束经过反射镜202和208后，以45度入射到合束器207(45度入射，33.3％反射，66.6％透过)上。长光路G₂上的光束经反射镜204、205、206和209后，以45度入射到合束器207上，但方向与短光路G₁的光束方向垂直。通过仔细调节，短光路G₁上的光被合束器207反射的部分光与长光路G₂上的光透过合束器207的部分光束在空间上重合成一束光，这一束光实际上包含两个强度比为4∶1的光脉冲，脉冲间隔由短光路G₁上的光和长光路G₂上的光在合束器207处会合时的光程差决定。实际上反射镜205和206放在一维微动平台7上，通过移动反射镜205(206)和反射镜204(209)的间距，达到改变长光路G₂上的光程的目的。当微动调节的位移精度是5微米，所产生的双脉冲的间隔的调整精度为33飞秒。合并的光束通过由透镜8和9组成的扩束组件10将光束变成口径为50mm的光束，输入到光脉冲压缩器6实现脉冲宽度压缩，最终在外壳3的出射窗口302输出两个强度比为4∶1，脉冲间隔可以大范围(33飞秒—几个纳秒)高精度(33飞秒的精度)调节的飞秒太瓦级光脉冲。这里所用反射镜202，204，205，206，208，209以及分束器203与合束器207的口径均为20mm，所以大大降低了成本。

上述结构的结果

成功地产生强度比为4∶1的两个50飞秒太瓦级激光脉冲。其光脉冲波形如图5所示，脉冲间隔为18纳秒。用能量计测得第一个光脉冲能量为120毫焦，第二个光脉冲能量为30毫焦，即第一个光脉冲功率为2.4太瓦，第二个光脉冲功率为0.6太瓦。证明了本发明的上述优点。

Claims (6)

1.一种用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，包括

<1>带有入射窗口(301)和出射窗口(302)的外壳(3)，在外壳(3)内置有光学组件(2)；

其特征在于：

<2>在外壳(3)内，入射窗口(301)与光学组件(2)之间，靠近入射窗口(301)的端置有光脉冲展宽器(4)；

<3>在光脉冲展宽器(4)与光学组件(2)之间置有光脉冲放大器(5)；

<4>在光学组件(2)与外壳(3)上的出射窗口(302)之间置有光脉冲压缩器(6)。

2.根据权利要求1所述的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，其特征在于所说的光学组件(2)是包括分束器(203)和合束器(207)，在分束器(203)和合束器(207)之间含有两束光程不相等的短光路(G₁)和长光路(G₂)，短光路(G₁)上含有的反射镜(202)数目M₁等于或少于长光路(G₂)上含有的反射镜(204，205，206)数目M₂，即M₁≤M₂，或者光学组件(2)是由双折射晶体构成。

3.根据权利要求1所述的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，其特征在于所说的光脉冲展宽器(4)主要包含光栅，或者主要包含色散棱镜，或者主要包含单模光纤。

4.根据权利要求1所述的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，其特征在于所说的光脉冲压缩器(6)主要包含光栅，或者主要包含色散棱镜，或者主要包含单模光纤。

5.根据权利要求1所述的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，其特征在于所说的光脉冲放大器(5)是固体激光放大器。

6.根据权利要求2所述的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，其特征在于所说的光学组件(2)中的分束器(203)和合束器(207)是透过反射镜，或者是偏振分光棱镜。

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