CN200944491Y - 产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置 - Google Patents
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Abstract
一种产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置，由锁模脉冲列自锁模钛宝石激光振荡器、法拉第光隔离器、无像差激光脉冲展宽器、钛宝石再生放大器、激光脉冲数量选择器、多程钛宝石激光放大器链、抽运激光器和真空室中的光栅对脉冲压缩器构成，所述的钛宝石再生放大器的放大器泡克耳斯盒一个电极上施加由第一驱动器驱动的第一直流高压电源的直流高压电信号，另一个电极上施加由第二驱动器驱动的第二直流高压电源输出的直流高压电信号，一同步信号通过第一同步延时器输入第一驱动器和第二驱动器分别控制第一直流高压电源和第二直流高压电源的工作。本实用新型可以输出有限个的激光脉冲列，且输出单脉冲操作与高重复频率多脉冲操作之间可切换，既增加激光装置的功能，又提升性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及超短超强激光脉冲，特别是一种产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置。
背景技术
当前国际上基于啁啾脉冲放大(以下简称为CPA)技术建成的超短超强台式化激光装置，大多以钛宝石激光系统为主。基于CPA技术建立的超短超强钛宝石激光装置的技术已很成熟，其整体结构已形成标准化：由自锁模激光振荡器，法拉第(Faraday)光隔离器，激光脉冲展宽器，钛宝石再生放大器(能输出10Hz或高至百kHz级激光脉冲)，单脉冲选择器，多程钛宝石激光放大器链和输出重复频率10Hz、脉宽数纳秒(ns)的多台532nm抽运激光器，以及真空室中的光栅对脉冲压缩器等主要部件组成，当前它所输出的超短超强激光脉冲的脉宽＞20飞秒(fs)，峰值功率已接近拍瓦(PW，1015W)，激光脉冲重复频率大多为10赫兹(Hz)或单发(即每几分钟或几十分钟发射一个激光脉冲)；重复频率千赫兹(kHz)级的小型化钛宝石激光系统，自T.B.Norris 1992年获得250-400kHz重复频率激光脉冲以来，尚未有超过这个重复频率的报道(Optics Letters，1992年，17卷，1009-1011页)。至今1kHz级的激光脉冲的峰功率最高约为1太瓦(TW，1012W；V.Bagnoud et al.，Applied Physics B，2000年，70卷(Suppl.)，S165-S170页)。这些超短超强激光，为人类提供了前所未有的全新的强场超快实验手段与极端物理条件，并由此开创了强场激光物理这一崭新的前沿研究领域。然而在一些应用领域中，既需要高功率激光脉冲，又要求激光脉冲有很高的重复频率，但至今尚未开发出重复频率高达兆赫兹(MHz，106Hz)以上且每个激光脉冲峰值功率达到1TW的超短超强激光脉冲装置。
发明内容
本实用新型针对上述现有的超短超强钛宝石激光装置，提出一种产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置，该激光装置应能够在有限时间段内输出重复频率达100MHz、每个激光脉冲峰值功率为1TW、脉冲宽度为数十fs的超短脉冲列。
本实用新型的技术解决方案如下：
一种产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置，包括能够产生78～82兆赫兹、10-20飞秒、数纳焦耳的锁模脉冲列自锁模钛宝石激光振荡器、法拉第光隔离器、无像差激光脉冲展宽器、钛宝石再生放大器、激光脉冲数量选择器、多程钛宝石激光放大器链、输出重复频率、脉宽数纳秒的多台532nm抽运激光器和真空室中的光栅对脉冲压缩器，所述的钛宝石再生放大器由起偏振器、法拉第旋光器、检偏振器、放大器泡克耳斯盒、第一全反射镜、钛宝石和第二全反射镜构成；所述的激光脉冲数量选择器依次由起偏振器、选择器泡克耳斯盒和检偏振器构成，其特征在于：
所述的放大器泡克耳斯盒一个电极上施加由第一驱动器驱动的第一直流高压电源的直流高压电信号，该放大器泡克耳斯盒的另一个电极上施加由第二驱动器驱动的第二直流高压电源输出的直流高压电信号，一同步信号通过第一同步延时器输入第一驱动器和第二驱动器分别控制第一直流高压电源和第二直流高压电源的工作；
所述的选择器泡克耳斯盒的一个电极上施加由第三驱动器驱动的第三直流高压电源的直流高压电信号，该选择器泡克耳斯盒的另一个电极上施加由第四驱动器驱动的第四直流高压电源的直流高压电信号，所述的同步信号通过第二同步延时器输入第三驱动器和第四驱动器分别控制第三直流高压电源和第四直流高压电源的工作，提供一个开放时间宽度可调的时间门。
所述的钛宝石再生放大器中第二全反射镜具有移动机构，以调节钛宝石再生放大器的腔长：控制激光系统输出的激光脉冲列中相邻啁啾激光脉冲的时间间隔τ：τ＝2L/c，其中：L为钛宝石再生放大器的有效光程长，c为光速。
所述的激光晶体增益介质还可为掺铬镁橄榄石晶体、Cr:LiSAF、Cr:LiCAF、Yb:YAG或Nd:glass。
本实用新型的激光装置产生高重复频率超短超强激光脉冲序列的方法包括下列步骤：
由连续二极管激光器抽运的Nd:YVO4激光器的倍频光，532nm抽运的自锁模钛宝石激光振荡器产生～80兆赫兹、10-20飞秒、数纳焦耳的锁模激光脉冲列；
该锁模激光脉冲列通过法拉第光隔离器，进入无像差的ffner激光脉冲展宽器，将10-20飞秒的激光脉冲展宽成几百皮秒的啁啾激光脉冲；
所述的钛宝石再生放大器由重复频率10赫兹、脉宽5-10纳秒的532纳米抽运激光器抽运，展宽后的啁啾激光脉冲被引向所述的钛宝石再生放大器，其中一个啁啾激光脉冲在该钛宝石再生放大器的腔内多次往复被放大，获得106的增益，单脉冲能量从纳焦耳放大到毫焦耳量级；然后当腔内脉冲能量达到最大的时刻，按所需分出能量的比例，在放大器泡克耳斯盒上施加相应的电压使腔内的啁啾激光脉冲分出一部分能量，向腔外输出一个啁啾激光脉冲；而腔内余下的啁啾激光脉冲继续在腔中放大，往复一次就接连输出一个啁啾激光脉冲，直至腔内能量被消耗尽为止，这样，钛宝石再生放大器就以10赫兹的重复率运行，每次输出时间间隔相等、强度接近的有限个数的一列啁啾激光脉冲，该输出的啁啾激光脉冲列的脉冲间的间隔的重复频率＞100赫兹；
该输出的啁啾激光脉冲列通过后续的激光脉冲数量选择器来选取所需啁啾激光脉冲的个数并提高信噪比，所选啁啾激光脉冲相继经过532nm激光器抽运的多程钛宝石激光放大器链放大到所需的能量水平后，由真空室中的光栅对脉冲压缩器压缩啁啾激光脉冲宽度达到几十飞秒，此时每个单脉冲峰值功率可达1TW以上。
所述的钛宝石再生放大器的工作流程为：
从t0时刻开始，532nm激光抽运钛宝石再生放大器，同时在放大器泡克耳斯盒的电极上施加上电压V1＝Vλ/4，其中Vλ为放大器泡克耳斯盒对应于钛宝石激光波长800nm的全波电压值，此时放大器泡克耳斯盒相当于一1/4波片，使得钛宝石再生放大器腔内不能形成激光自由振荡和放大；
当被挑选的一个种子啁啾激光脉冲通起偏振器、法拉第旋光器、检偏器注入到钛宝石再生放大器中，通过放大器泡克耳斯盒并且被第一全反射镜反射再次通过放大器泡克耳斯盒后，激光的偏振方向旋转90°的此时刻定为t1，立即使放大器泡克耳斯盒上的电压退为0；该种子啁啾激光脉冲被检偏器全反射，被钛宝石放大，由第二全反射镜反射后又再一次通过钛宝石放大，该种子啁啾激光脉冲又被检偏器全反射，又通过放大器泡克耳斯盒两次，由于放大器泡克耳斯盒上已没有电压，种子啁啾激光脉冲的偏振方向没有改变，这样，再生放大器腔所俘获的种子啁啾激光脉冲在腔内来回振荡得到多次放大，该种子啁啾激光脉冲被放大到到最大增益的t2时刻，在放大器泡克耳斯盒电极上加上V2＝-Vλ/8，使得放大后的激光脉冲在来回通过放大器泡克耳斯盒两次以后偏振方向发生了变化，不再是线偏振光，而变为圆偏振光，此圆偏振光射在检偏器时分成两个偏振分量s1与p1，其中p1分量通过检偏器被导出腔外，s1分量被反射继续滞留在腔内经钛宝石放大两次又得到增益，s1脉冲再次通过泡克耳斯盒两次后又变为圆偏振光，该圆偏振光的p2分量又被导出腔外，s2分量继续滞留在腔内放大，这样反复多次，该钛宝石再生放大器可以输出一列强度递减、时间间隔相等的啁啾激光脉冲(P1，P2……Pn)，直至再生放大器腔内的能量被耗尽，该输出的啁啾激光脉冲列经过法拉第旋光器，由起偏器偏离原来入射光的方向输出。
本实用新型的技术效果
试验表明，利用本实用新型的装置和方法可以输出重复频率＞100MHz、几十fs、功率TW级的有限个数的激光脉冲列。若激光脉冲数量选择器提供的时间门仅选择钛宝石再生放大器输出的一个啁啾激光脉冲时，激光装置又恢复成每运行一次输出一个超短超强激光脉冲的状态。本实用新型使激光装置可以在输出单脉冲操作与输出高重复频率多脉冲操作之间切换，既可增加激光装置的功能，又提升性能。
附图说明
图1为本实用新型高重复频率超短超强钛宝石激光装置的结构方框图。
图2为本实用新型装置的钛宝石再生放大器结构框图。
图3在放大器泡克耳斯盒两个电极上施加电压脉冲信号的电路结构框图。
图4为在放大器泡克耳斯盒两个电极上所施加的电压脉冲信号示意图。
图5为本实用新型的激光脉冲数量选择器的结构框图。
图6在选择器的泡克耳斯盒两个电极上施加电压脉冲信号的电路结构框图。
图7施加在选择器泡克耳斯盒两个电极上的电压信号示意图。
图8由激光脉冲数量选择器选出5个递增-递减型的啁啾激光脉冲，经两级多程钛宝石激光放大器放大，由光栅对脉冲压缩器压缩后输出的激光脉冲列波形和激光脉冲对应的46fs脉冲宽度的自相关曲线。
图中：
1-自锁模钛宝石激光振荡器 2-法拉第光隔离器 3-ffner无像差激光脉冲展宽器 4-钛宝石再生放大器 5-激光脉冲数量选择器 6-多程钛宝石激光放大器链 7-多台532nm抽运激光器 8-真空室中的光栅对脉冲压缩器 9-超短超强激光脉冲输出
41-起偏振器 42-法拉第旋光器 43-检偏振器 44-放大器泡克耳斯盒
45-第一全反射镜 46-钛宝石 47-第二全反射镜
48-改变腔长时第二全反射镜(47)移动的方向指示
49-在有限时间段内输出的高重复频率的啁啾激光脉冲列
441-同步信号 442-第一同步延时器 443-第一驱动器 444-第一直流高压电源 446-电阻(100-200kΩ) 447-电容(47-100pF) 448-第二直流高压电源 449-第二驱动器
4401-加在放大器泡克耳斯盒一个电极上的电压信号
4402-加在放大器泡克耳斯盒另一个电极上的电压信号
4403-组合后实际上加在放大器泡克耳斯盒上的电压信号
51-选择器泡克耳斯盒 511-起偏振器 512-检偏振器 513-激光脉冲的传播方向
441-同步信号
52-第二同步延时器 53-第三驱动器 54-第三直流高压电源 55-第二电容(47-100pF) 56-第二电阻(100-200kΩ) 57-第四直流高压电源
58-第四驱动器
514-加在选择器泡克耳斯盒一个电极上的电压信号
515-加在选择器泡克耳斯盒另一个电极上的电压信号
516-组合后实际上加在选择器泡克耳斯盒上的电压信号
91-压缩后输出的激光脉冲列波形
92-测得的激光脉冲的脉冲宽度自相关曲线
具体实施方式
请参考图1，图1为本实用新型的超短超强钛宝石激光装置的结构方框图。由图可见，本实用新型产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置的结构，包括能够产生～80兆赫兹、10-20飞秒、数纳焦耳的锁模脉冲列自锁模钛宝石激光振荡器1、法拉第光隔离器2、无像差激光脉冲展宽器3、钛宝石再生放大器4、激光脉冲数量选择器5、多程钛宝石激光放大器链6、输出重复频率10Hz、脉宽数纳秒的多台532nm抽运激光器7和真空室中的光栅对脉冲压缩器8，所述的钛宝石再生放大器4由起偏振器41、法拉第旋光器42、检偏振器43、放大器泡克耳斯盒44、第一全反射镜45、钛宝石46和第二全反射镜47构成；所述的激光脉冲数量选择器5依次由起偏振器511、选择器泡克耳斯盒51和检偏振器512构成，其特征在于：
所述的放大器泡克耳斯盒44一个电极上施加由第一驱动器443驱动的第一直流高压电源444的直流高压电信号，该放大器泡克耳斯盒44的另一个电极上施加由第二驱动器449驱动的第二直流高压电源448输出的直流高压电信号，一同步信号441通过第一同步延时器442输入第一驱动器443和第二驱动器449分别控制第一直流高压电源444和第二直流高压电源448的工作；
所述的选择器泡克耳斯盒51的一个电极上施加由第三驱动器53驱动的第三直流高压电源54的直流高压电信号，该选择器泡克耳斯盒51的另一个电极上施加由第四驱动器58驱动的第四直流高压电源57的直流高压电信号，所述的同步信号441通过第二同步延时器52输入第三驱动器53和第四驱动器58分别控制第三直流高压电源54和第四直流高压电源57的工作，提供一个开放时间宽度可调的时间门。
本实用新型产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置的结构的操作过程如下：
由连续二极管激光器抽运的Nd:YVO4激光器的倍频光(532nm、连续输出几瓦)抽运的自锁模钛宝石激光振荡器1产生约80MHz、10-20fs、数纳焦耳(nJ)的锁模激光脉冲列。该锁模激光脉冲列通过法拉第光隔离器2，进入无像差的ffner激光脉冲展宽器3，将10-20fs激光脉冲展宽成几百皮秒(ps)的啁啾激光脉冲。钛宝石再生放大器4由重复频率10Hz、脉宽5-10ns的532nm抽运激光器7抽运。展宽后的啁啾激光脉冲被引向所述的钛宝石再生放大器4，其中一个啁啾激光脉冲在该钛宝石再生放大器4的腔内多次往复被放大，获得约106的增益，单脉冲能量从nJ放大到mJ量级；然后当腔内脉冲能量达到最大的时刻，按所需分出能量的比例，在泡克耳斯盒44上施加相应的电压使腔内的啁啾激光脉冲分出一部分能量，向腔外输出一个啁啾激光脉冲；而腔内余下的啁啾激光脉冲继续在腔中放大，往复一次就接连输出一个啁啾激光脉冲，直至腔内能量被消耗尽为止。这样，所述的钛宝石再生放大器4就以10Hz的重复率运行，每次输出时间间隔相等、强度接近的有限个数的一列啁啾激光脉冲。输出啁啾激光列脉冲间的间隔(也即是重复频率)由钛宝石再生放大器4的腔长确定，重复频率＞100MHz。接着该啁啾激光脉冲列利用后续的激光脉冲数量选择器5来选取所需啁啾激光脉冲的个数和提高信噪比。所选啁啾激光脉冲相继经过532nm激光器7抽运的多程钛宝石激光放大器链6放大到所需的能量水平后，由真空室中的光栅对脉冲压缩器8压缩啁啾激光脉冲宽度达到几十fs，此时每个单脉冲峰值功率可达1TW以上。
上述的激光装置于是输出重复频率达到＞100MHz、几十fs、功率TW级的有限个数的脉冲列。
请参加图2、图3和图4，图2示出本实用新型的钛宝石放大器4的结构，图3示出产生施加于再生放大器内泡克耳斯盒44上的电压波形的电路方框图。图4示出在放大器泡克耳斯盒44上所施加的电压信号和运行方式。
所述的钛宝石再生放大器4的工作流程是：从t0时刻开始，532nm激光抽运钛宝石，同时在放大器泡克耳斯盒44的一个电极上施加上1/4全波电压，V1＝Vλ/4，Vλ为该泡克耳斯盒对应于钛宝石激光波长800nm的全波电压值，此时放大器泡克耳斯盒相当于一块1/4波片，使得钛宝石再生放大器4腔内不能形成激光自由振荡和放大。当被挑选的一个啁啾激光脉冲通起偏振器41、法拉第旋光器42、检偏振器43注入到钛宝石再生放大器中，通过放大器泡克耳斯盒44并且被第一全反射镜45反射再次通过泡克耳斯盒44后，激光的偏振方向旋转90°，此时刻定为t1，立即使放大器泡克耳斯盒44上的电压退为0。该种子啁啾激光脉冲41被检偏振器43全反射，被钛宝石46放大，由第二全反射镜47反射后又再一次通过钛宝石46放大。该种子啁啾激光脉冲又被检偏振器43全反射，又通过放大器泡克耳斯盒44两次。由于放大器泡克耳斯盒44上已没有电压，种子啁啾激光脉冲的偏振方向没有改变。这样，该钛宝石再生放大器腔俘获的种子啁啾激光脉冲在腔内来回振荡得到多次放大。在种子啁啾激光脉冲被放大到到最大增益的t2时刻，在泡克耳斯盒44电极上加上-1/8全波电压，V2＝-Vλ/8，使得放大后的激光脉冲在来回通过泡克耳斯盒44两次以后偏振方向发生了变化，不再是线偏振光，而变为圆偏振光。此圆偏振光射在检偏振器43时被分成两个偏振分量s1与p1，其中p1分量通过检偏振器43被导出腔外，s1分量被反射继续滞留在腔内经钛宝石46放大两次又得到增益。s1脉冲再次通过放大器泡克耳斯盒44两次后又变为圆偏振光，该圆偏振光的p2分量又被导出腔外，s2分量继续滞留在腔内放大。这样反复多次，再生放大器可以输出一列强度递减、时间间隔相等的啁啾激光脉冲(p1，p2，p3，p4，……)，直至再生放大器腔内的能量被耗尽。输出的啁啾激光脉冲列经过法拉第旋光器42，由起偏振器41偏离原来入射光的方向输出。输出的啁啾激光脉冲列中的相邻激光脉冲间的时间间隔由激光脉冲在腔内往返一次所用的时间所决定，即可以按照所示的双箭头的方向48沿光轴线移动第二全反射镜47的位置来改变钛宝石再生放大器44的腔长，以便控制重复频率(计算式：时间间隔τ＝2L/c，L为腔的光程长，c为光速)。上述的情况输出啁啾激光脉冲列的形状是递减型。若是t2选在种子啁啾激光脉冲被放大到最大增益之前某一时刻，则输出啁啾激光脉冲列的形状是接近递增-递减型。即输出啁啾激光脉冲列的形状和脉冲个数由t2所定的时刻和施于泡克耳斯盒44上的第二步电压V2所决定(V2≠±V1，0＜|V2|＜Vλ/4)。由t0时刻开始到t3时刻结束，时间宽度＜2微秒(μs)为宜。
由钛宝石再生放大器4在有限时间段内输出的高重复频率啁啾激光脉冲列49通过一个激光脉冲数量选择器5来控制脉冲的个数及提高脉冲列的信噪比，它是一个开放时间宽度可以调节的泡克耳斯盒电光开关，其结构如图5所示，它由正交的起偏器511和检偏器512与泡克耳斯盒51所组成。图6示出产生施加于选择器泡克耳斯盒51上的电压波形的电路方框图。图7示出在选择器泡克耳斯盒51上所施加的电压信号和运行方式。T1到T2的时间宽度可以调节(根据所要选取的脉冲个数而定)。选出的啁啾激光脉冲列经扩束后进入多程钛宝石激光放大器链6放大到所需的能量水平后，由真空室中的光栅对脉冲压缩器8压缩啁啾脉冲宽度达到几十fs，最后在有限时间段内输出的激光脉冲9的脉冲重复频率为＞100MHz(对应于钛宝石再生放大器4的腔长L＝1.4米，重复频率为107MHz)，每个脉冲的峰值功率可达1TW。
在上述的超短超强激光装置中，若激光脉冲数量选择器提供的时间门仅选择钛宝石再生放大器4输出的一个啁啾激光脉冲时，激光装置又恢复成每运行一次输出一个超短超强激光脉冲的状态。本实用新型使激光装置可以在输出单脉冲操作与输出高重复频率多脉冲操作之间切换，既可增加激光装置的功能，又提升性能。
下面是本实用新型的一个实施例的具体参数：
利用本实用新型的装置，在一台如图1所示结构的10TW级的CPA超短超强钛宝石激光装置进行产生高重复频率激光脉冲列的试验结果如下。
设定：钛宝石再生放大器4的腔长为1.4米，放大器泡克耳斯盒44由KD*P晶体制成，在该放大器泡克耳斯盒44上按照图4所示施加电压脉冲信号Vλ/4-0--Vλ/8(Vλ＝9.6kV)，采用递增-递减型的输出方式；激光脉冲数量选择器5的时间门可选出5个脉冲。按常规方式运行这台激光装置。这样，钛宝石再生放大器4连续输出10个啁啾激光脉冲，重复频率为107MHz。经过激光脉冲数量选择器5选出5个激光脉冲，再由两级多程钛宝石激光放大器6进行放大，然后进入真空室中的光栅对脉冲压缩器8压缩啁啾激光脉冲，最后输出重复频率107MHz的超短超强激光脉冲列(见图8之91)，脉冲宽度46fs(见图8之92)，平均每个脉冲的功率＞1TW。
Claims (3)
1、一种产生高重复频率超短超强激光脉冲列的装置，包括能够产生78～82兆赫兹、10-20飞秒、数纳焦耳的锁模脉冲列自锁模钛宝石激光振荡器(1)、法拉第光隔离器(2)、无像差激光脉冲展宽器(3)、钛宝石再生放大器(4)、激光脉冲数量选择器(5)、多程钛宝石激光放大器链(6)、输出重复频率10Hz、脉宽数纳秒的多台532nm抽运激光器(7)和真空室中的光栅对脉冲压缩器(8)，所述的钛宝石再生放大器(4)由起偏振器(41)、法拉第旋光器(42)、检偏振器(43)、放大器泡克耳斯盒(44)、第一全反射镜(45)、钛宝石(46)和第二全反射镜(47)构成；所述的激光脉冲数量选择器(5)依次由起偏振器(511)、选择器泡克耳斯盒(51)和检偏振器(512)构成，其特征在于：
所述的放大器泡克耳斯盒(44)一个电极上施加由第一驱动器(443)驱动的第一直流高压电源(444)的直流高压电信号，该放大器泡克耳斯盒(44)的另一个电极上施加由第二驱动器(449)驱动的第二直流高压电源(448)输出的直流高压电信号，一同步信号(441)通过第一同步延时器(442)输入第一驱动器(443)和第二驱动器(449)分别控制第一直流高压电源(444)和第二直流高压电源(448)的工作；
所述的选择器泡克耳斯盒(51)的一个电极上施加由第三驱动器(53)驱动的第三直流高压电源(54)的直流高压电信号，该选择器泡克耳斯盒(51)的另一个电极上施加由第四驱动器(58)驱动的第四直流高压电源(57)的直流高压电信号，所述的同步信号(441)通过第二同步延时器(52)输入第三驱动器(53)和第四驱动器(58)分别控制第三直流高压电源(54)和第四直流高压电源(57)的工作，提供一个开放时间宽度可调的时间门。
2、根据权利要求书1所述的激光装置，其特征在于所述的钛宝石再生放大器(4)中第二全反射镜(47)具有移动机构，以调节钛宝石再生放大器(4)的腔长：控制激光系统输出的激光脉冲列中相邻啁啾激光脉冲的时间间隔τ：τ＝2L/c，其中：L为钛宝石再生放大器(4)的有效光程长，c为光速。
3、根据权利要求书1所述的激光装置，其特征在于所述的激光晶体增益介质为钛宝石、掺铬镁橄榄石晶体、Cr:LiSAF、Cr:LiCAF、Yb:YAG或Nd:glass。
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