CN1595272A - 补偿再生放大器高材料色散的小型化脉冲展宽器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于再生放大器高材料色散补偿的小型化飞秒激光脉冲展宽器设计方法，属于飞秒脉冲放大技术。该方法根据展宽器的位相Φ与光栅位置S₁、球面镜曲率半径R的关系，采用凹球面镜、凸球面镜、光栅和平面镜进行结构设计，其特征在于，当凹球面镜的曲率半径为R时，光栅与凹球面镜的距离S₁在O～R之间移动加以确定；凸球面镜与光栅上下重叠放置；若是此时入射光的展宽光谱宽于凹球面镜的镜面，需同时等比例缩小凹球面镜和凸球面镜的曲率半径，减少光谱展宽程度并保持原有的展宽量。本发明的优点在于，展宽器可容纳放大器中的更多材料色散，易于准直光路，空间色散小，结构紧凑，其尺寸为传统的欧浮纳展宽器的1/3，是马丁内兹型展宽器的1/2。

Description

补偿再生放大器高材料色散的小型化脉冲展宽器设计方法

                              技术领域

本发明涉及一种适用于再生放大器高材料色散补偿的小型化飞秒激光脉冲展宽器设计方法。属于飞秒脉冲放大技术。

                              背景技术

为了放大飞秒激光脉冲，需要先把振荡器出来的种子脉冲展宽到纳秒量级，然后放大，最后压缩到入射脉冲的宽度，同时具有百万倍以上的能量增量。把脉冲压缩回入射脉冲同量级的原则是，如果放大器中附加的材料色散不能以其他方式完全补偿的话，就需要设计与其材料色散匹配的脉冲展宽器和压缩器。通常光栅对压缩器的结构，除了光栅间隔和入射角度，无其他随意改变其色散特性的方法。为了改变色散的符号，展宽器是光栅对和球面镜组合而成。计算证明，球面镜对于非傍轴光线的像差可以转换成色散。这个色散，与压缩器中光栅对光栅间隔和入射角度的变化一起可以用来补偿放大器中材料色散[1]。尽管如此，通常的展宽器马丁内兹(Matinez)型[2]和欧浮纳(Offner)型[3]均不能对应较大的材料色散(例如再生放大器中的材料色散)。一般来讲，由于马丁内兹型展宽器与欧浮纳型展宽器相比有较大的像差，这种像差可转变为附加色散，因此在压缩器结构相同的条件下，马丁内兹型展宽器可容纳更多的材料色散，更适用于再生放大器，而欧浮纳型展宽器通常认为不适合用于再生放大器。

[1]Zhigang Zhang et al.，Appl.，Opt.，Vol.36 No.15(1997)3393.

[2]O.E.Martinez，IEEE J.Quantum Electron.，Vol.23 No.1(1987)59.

[3]G.Cheriaux et al.，Opt.Lett.，Vol.21 No.6(1996)414.

                                发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于再生放大器高材料色散的小型化飞秒激光脉冲展宽器设计方法。依照该方法设计制造出的飞秒脉冲展宽器，用于补偿再生放大器的色散，具有容纳材料色散多，体积小和结构简单等特点。

由于欧浮纳型展宽器采用凹、凸球面镜共心放置的形式，被公认为无像差展宽器(当两个光栅分别位于凹面镜球心(S₁＝R)和焦点处时)。传统观念认为像差最终转化为系统的附加色散，因而认为无像差的欧浮纳展宽器优于有像差的马丁内兹型展宽器。但是放大系统中总是存在各种材料色散的，如果展宽器无像差，则需要其他的附加方法来补偿系统中的材料色散。我们认为如果根据系统中的材料色散(可以估算出)，适当保留展宽器中的像差，这种像差转化成的附加色散与放大器中的材料色散反号，则这种展宽器中的像差能够使系统容纳更多的材料色散，因此，展宽器中适当的像差存在对于整个系统的色散补偿是有益的，这就是本项发明的出发点。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：根据展宽器的位相Φ与光栅位置S₁、球面镜曲率半径R的关系式：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}p+\frac{2\mathrm{\πG}}{d}[\tan (\mathrm{\γ}-{\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_6)-\tan (\mathrm{\γ}-{\mathrm{\θ}}_0)]+\frac{2\mathrm{\π}{G}_0}{d}\tan (\mathrm{\γ}-{\mathrm{\θ}}_0)$

其中：p为光线追迹法算出的展宽器中的光程；d为光栅常数；γ为入射角；G₀和G分表示沿轴光线和离轴光线时的光栅对之间的垂直距离，表示为：

G₀＝(2R-2S₁)cos(γ-θ₀)和G＝(S₆-S₁)cos(γ-θ₀)，其他参数见附图。

并采用凹球面镜、凸球面镜、光栅和平面镜设计用于补偿再生放大器高材料色散的小型化飞秒脉冲展宽器的方法，其特征在于，当凹球面镜的曲率半径为R时，光栅与凹球面镜的距离S₁在0～R(即S₁＜R)之间移动加以确定；凸球面镜与光栅上下重叠放置；若是此时入射光的展宽光谱宽于凹球面镜的镜面尺度，则仅需同时等比例缩小凹球面镜和凸球面镜的曲率半径，减少光谱被展宽的程度并保持原有的展宽量。

本发明的技术要点对于欧浮纳型展宽器来说S₁减小，像差就增大，因此该设计能够比无像差设计能够补偿更多的放大器材料色散，而且还导致展宽器的脉冲展宽能力增大.R的减小同样增加了像差，但降低了展宽器的脉冲展宽能力，但只要保证R减小带来的脉冲展宽能力的减小与S₁减小导致的脉冲展宽能力增大相平衡，就能够保持原有的展宽量不变，但是整个展宽器的尺寸将大大减小，即构成了能够适用于再生放大器高材料色散补偿的小型化飞秒激光脉冲展宽器。

本发明的优点在于，使欧浮纳型展宽器可容纳放大器中的更多材料色散，并且易于准直光路，空间色散小，特别是结构紧凑，其尺寸仅为传统的欧浮纳展宽器的1/3，是马丁内兹型展宽器的1/2。

                              附图说明

图1为现有欧浮纳型展宽器结构示意图。

图2为本发明所设计的紧凑型展宽器结构示意图。

图中：1为凹球面反射镜，2为凸球面反射镜，3为光栅，4平面反射镜；

图3：为采用本发明设计的展宽器对再生放大器进行色散补偿时光栅位置与群延迟的关系曲线。

图中当S₁＝245mm时，即光栅位置满足图2所示，则群延迟曲线在750-850nm范围内非常平坦，即再生放大器中的高材料色散已经被很好补偿，并能够支持较窄的脉冲，此时展宽器的尺寸仅为现有装置的1/3。而S₁偏离此位置时，则色散补偿效果较差(虚线和点划线)

                            具体实施方式

本发明实施例以钛宝石激光放大器中欧浮纳型脉冲展宽器方案进行说明。小型化欧浮纳型脉冲展宽器由凹球面镜1、凸球面镜2、光栅3和平面反射镜4构成，见附图2。为实现小型化，其中的凸球面镜2和光栅3重叠放置(凸求2面镜2位于光栅3上方)；凹球面镜1在垂直方向上有一个小于5°的倾斜角以便使光束能在凸球面镜2和光栅3之间传输。该小型化欧浮纳型脉冲展宽器脉冲展宽过程：入射脉冲首先到达光栅，被光谱展开后衍射到凹球面镜1；凹求球面镜1将展开的光谱会聚到凸球面镜2上，然后再被反射回凹球面镜1；凹球面镜1再将光束准直后反射到光栅上；光束被光栅沿入射方向衍射到平面反射镜4上；经平面反射镜4垂直反射，光束沿逆向重复上述过程，脉冲再次被展宽后，沿入射方向输出。该小型化欧浮纳型脉冲展宽器光栅与凹球面镜的距离S₁在0～R之间取值(根据系统中材料色散的大小)；在保持所需脉冲展宽量的前提下，选取尽可能小曲率半径的球面镜，从而实现能够适用于再生放大器高材料色散补偿的小型化飞秒激光脉冲展宽器。光栅的商品规格(1100/mm，1200/mm，1400/mm)并考虑脉冲展宽率，一般选取1200/mm的光栅。确定出凹球面镜1的曲率半径R为0.5米，凸球面镜的曲率半径是0.25米，两镜共心放置。光栅面距离凹面镜面可调，一般在0.2-0.3米。

Claims (1)

1、种补偿再生放大器高材料色散的小型化飞秒激光脉冲展宽器设计方法，该方法根据展宽器的位相Φ与光栅位置S₁、球面镜曲率半径R的关系式：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}p+\frac{2\mathrm{\πG}}{d}\left[\tan \right(\mathrm{\γ}-{\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_6)-\tan (\mathrm{\γ}-{\mathrm{\θ}}_0)]+\frac{2\mathrm{\π}{G}_0}{d}\tan (\mathrm{\γ}-{\mathrm{\θ}}_0)$

其中：p为光线追迹法算出的展宽器中的光程；d为光栅常数；γ为入射角；G₀表示沿轴光线时光栅对之间的垂直距离：

G₀＝(2R-2S₁)cos(γ-θ₀)；

G表示离轴光线时光栅对之间的垂直距离：

G＝(S₆-S₁)cos(γ-θ₀)；

并采用凹球面镜、凸球面镜、光栅和平面反射镜进行结构设计，其特征在于：当凹球面镜的曲率半径为R时，光栅与凹球面镜的距离S₁在0～R间移动加以确定；凸球面镜与衍栅上下重叠放置；若是此时入射光的展宽光谱宽于凹球面镜的镜面尺度，则仅需同时等比例缩小凹球面镜和凸球面镜的曲率半径，减少光谱被展宽的程度并保持原有的展宽量。

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