CN2364598Y - 一种完全无像差的超短激光脉冲展宽器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种实现完全无像差的超短激光脉冲展宽器,它包括1—2个全息光栅,1个平面反射镜、一个屋脊反射镜、1—2个凹和一个凸面抛物柱面反射镜,其中各反射镜柱面与柱面,抛物面相互平行放置,凹、凸面抛物柱面反射镜面对面放置,全息光栅的刻线方面与反射镜的柱面方向一致,在平行于抛物面内根据衍射要求成倾角放置组成,本实用新型消除了光学相差和噪声“啁啾”现象,获得与种子脉宽相近的高质量放大脉冲光。
Description
本实用新型涉及激光技术领域，特别是涉及一种实现完全无像差的超短激光脉冲展宽器。
激光是本世纪最伟大的发明之一。在目前激光物理和技术的研究中，啁啾脉冲放大(CPA，Chirped-Pulse Amplification的首字缩写)是其中最为领先和热门的研究内容，其结构主要由振荡器、脉冲展宽器、放大器和再压缩器四部分组成(图1)，基本的工作过程是：首先由振荡器产生飞秒(即fs，1fs＝10-15秒)量级脉宽的种子激光脉冲；然后利用具有正色散的展宽器将其展宽为数百皮秒(即ps，1ps＝10-12秒)脉宽的啁啾脉冲，同时维持其光谱宽度不变；再次经过必要的放大后，最后利用与展宽器色散相反量的压缩器将其啁啾抵消，从而得到与种子脉宽相近的放大结果。由于展宽后的峰值功率已被大大降低，这样在随后的放大过程中啁啾激光脉冲可以得到充分放大而不会过早产生非线性效应和放大饱和效应。在CPA技术中，通用的压缩器是平行结构放置的光栅对，因此，寻求与这种标准压缩器具有完全相反色散量并有理想展宽率的展宽器，是CPA技术的关键所在。实际上，CPA技术中研究最多的是展宽器，每次重要进展都是因展宽器的改进而实现的。
八十年代中后期CPA技术刚出现时，所用的展宽器为数公里长的单模光纤构成，由于损耗高、展宽率有限、色散与光栅对不匹配、使用不便等缺点，九十年代初便被结合透射式望远镜结构的反光栅对所取代，其理论上虽可提供光栅压缩器能完全补偿的正色散，但实际上由于透镜的材料色散等原因，采用这种展宽器的CPA不能获得小于100fs的放大结果。1994年前后，人们开始改用球面反射式望远镜结构的展宽器，从而使获得100fs以下的放大脉冲成为可能，尔后又被进一步改进为球面抛物镜和球面柱面镜结构，虽然两种方案都得到了放大脉冲小于30fs的纪录结果，但前者的展宽率极低(200)，后者八次通过光栅衍射，损耗较大。而且上述方案的空间尺寸都较长，与CPA技术的台面尺寸优点相抵触，并都存在着引起光脉冲空间啁啾及时间啁啾的光学像差。
如文献1和2
1.Cheriaux等；Aberration-free stretcher design for ultrashort pulseamplification(用于超短脉冲放大的无像差展宽器设计)；Opt.Lett；Vol.21，414(1996)
2.Detao.Du等；Terawatt Ti：sapphire laser with a spherical reflec-tive optic pulse expander(采用球面反射光学展宽器的太瓦脉冲钛宝石激光)；Opt.Lett；Vol.20，2114(1995)所介绍，1995年法国及美国科学家先后独立提出了共心凹凸球面镜结构的展宽器，从而使展宽器的体积大为减小，此外这种结构还能部分消除光学像差，现成为目前最先进的脉冲展宽器，但是这种所谓的“无”像差展宽器由于采用的是球面镜结构，因此一方面在偏离共心处仍然存在着像差，并对具有超宽频谱的窄脉冲有着不可忽略的四阶色散；另一方面由于在光栅的非衍射方向也存在光学变换，从而伴随有不必要的空间啁啾，这也正是用这种展宽器仍未能获得小于30fs放大结果的主要原因。
本实用新型的目的：
本实用新型的目的是针对目前飞秒脉冲展宽器的不足和缺陷，提供一种能完全排除光学像差和噪声“啁啾”的展宽器，从而使CPA技术经过最后的压缩阶段能获得与种子脉宽相近的高质量放大脉冲。本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型是通过采用全息光栅及新型凹凸抛物柱面反射镜组成的放大率为1的望远镜而实现的，附图2为典型结构的主视图(a)和侧视图(b)。两凹面抛物柱面反射镜与一个凸面抛物柱面反射镜相对位置为小角度结构，凸面抛物柱面反射镜的焦距为f，为保证放大率为1的效果，凹面抛物柱面反射镜的焦距相应的为-2f，并与凸面抛物柱面反射镜间的距离固定为2(|2f|-|f|＝2|f|。各反射镜的柱面与柱面、抛物面与抛物面相互平行放置，凹面抛物柱面反射镜与凸面抛物柱面反射镜的反射面相对(向)放置，全息光栅的刻划线方向与反射镜柱面方向一致，在主视图面内呈倾角放置以适合衍射方向的要求，当一束激光入射到本实用新型展宽器的全息光栅后，其将在平行于抛物面(主视面)的平面内发生色散衍射，光栅上该入射点与凹面抛物柱面反射镜的距离决定了这种展宽器的展宽量，系统中对屋脊反射镜、平面反射镜与光栅间的距离没有特殊要件，实际中根据情况视方便而定。本实用新型的优点
和现有的技术相比，本实用新型具有如下的优点。
1.光学系统采用的是反射式结构，没有附加的材料色散，放大后的光脉冲易于压缩回原来种子脉冲的宽度。
2.由于采用了抛物面反射镜，因此完全避免了轴向和非轴向的光学像差，从而排除了压缩系统难以补偿的空间啁啾。
3.由于采用了柱面反射镜结构，故在光栅的非衍射面没有光学成象变换，避免了可能引起的光学畸变和空间啁啾
4.由于采用了放大率为1的凹凸反射镜望远镜结构，因此展宽器的长度被大大地缩短，有利于做到更加紧凑的台面放大结构。
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明：
图1为CPA技术的一般原理图。
图2为本实用新型提供的一种完全无像差超短激光脉冲展宽器的结构图实施例，(a)为主视图，(b)为侧视图，其中1、3为凹面抛物柱面全反镜，2为凸面抛物柱面全反镜，4、5为全息光栅，6为平面全反镜，7为直角屋脊反射镜。
图3为本实用新型实施例的另一结构示意图，(a)为主视图，(b)为侧视图，其中1为凹面抛物柱面全反镜，2为凸面抛物柱面全反镜，3为全息光栅，4为平面全反镜或角度屋脊反射镜(为作图方便，图中仅画为屋脊反射镜)，其中凹、凸抛物柱面反射镜顶点间的距离固定为2|f|且共轴放置，f为凸面抛物柱面反射镜的焦距。
图4为本实用新型的又一种实施例的结构示意图。
实施例1
实施例1可按图2来制作一台完全无像差的新型超短激光脉冲展宽器，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，具体描述如下：
1、3为凹面抛物柱面反射镜，口径为a1×b1的长方形，其中抛物面方向的长度为a1，柱面方向的长度为b1，抛物面的方程为y2＝2p1x，作为典型值，一般可取a1≈200mm，b1≈50mm，p1≈1000mm。
2为凸面抛物柱面反射镜，口径为a2×b2的长方形结构，其中抛物面方向为a2，柱面方向为b2，抛物面方程为y2＝-p1x，其与1和3的顶点距离d均固定为p1/2。作为典型值，可取a2≈120mm，b2≈20mm，凹凸镜间距d＝(p1/2)≈500mm.
4、5为全息光栅，近Littow角入射。
6为普通平面全反镜，实际使用中可加工为直径20～30mm的圆形或半圆形镜片。
7为直角屋脊反射镜。
在实际制作结构中，两凹面抛物柱面反射镜1，3与凸面抛物柱面反射镜2的相对位置为小角度结构，凹、凸抛物柱面反射镜间的距离均固定为2|f|，其中凹面抛物柱面反射镜的焦距要求为2f，凸面抛物柱面反射镜的焦距要求为-f，各反射镜的柱面与柱面、抛物面与抛物面相互平行放置，凹、凸抛物柱面反射镜面对面放置，全息光栅4、5的刻划线方向与各反射镜的柱面方向一致，在主视图面内呈倾角放置以适合衍射方向的要求，展宽器的展宽率根据全息光栅与凹面抛物柱面反射镜间的距离而决定。
实施例2
图3为对实施例1稍作改动后采用单个凹面抛物柱面反射镜及单个衍射光栅的紧凑经济型结构，(a)、(b)分别为对应的主视图及侧视图，其中1为抛物柱面凹面反射镜、2为抛物柱面凸面反射镜、3为高效率全息衍射光栅、4为平面反射镜或屋脊反射镜(采用平面镜可做到更小的夹角，图中未画出)、5为宽带平面全反镜，各元件的参数位置与实施例1基本相同，即凹、凸抛物柱面反射镜间的
距离固定为2|f|，其中凹面抛物柱面反射镜的焦距要求为2f，凸面抛物柱面反射镜的焦距要求为-f，各反射镜的柱面与柱面、抛物面与抛物面相互平行放置，凹、凸抛物柱面反射镜面对面放置，光栅的刻划线方向与各反射镜的柱面方向一致，在主视图面内呈倾角放置以适合衍射方向的要求。具体展宽过程如图3所示：当待展宽的入射光脉冲(01)通过本实施例经过一次展宽后，由平面镜或屋脊反射镜4将其以沿倾斜于原光路的方向再反射回展宽系统中，最后即得到光斑形状复原了的二次展宽激光脉冲(02)。这种结构中光脉冲的来回反射以两镜的轴线为对称，与实施例1中正入射情况不同的是本实施例中光在该面内(侧视面)的反射具有一定的小角度，但由于是柱面结构，因此不存在任何像差，这正是本发明的优点之一。
实施例3
图4同样为对实施例1稍作改动后采用单个凹面抛物柱面镜及单个衍射光栅的又一种紧凑经济型结构，图4(a)、(b)分别为主视图和侧视图，各元件的参数位置与实施例2基本相同，所在区别是本实施结构中凹、凸抛物柱面反射镜的柱面方向及全息光栅的刻线方向相互也以小夹角放置，光脉冲的来回反射不再以两镜的轴线为对称，这种结构的优点是光栅3的宽度不要求很宽，因此成本可以得到进一步降低。
Claims (3)
1.一种完全无像差的超短激光脉冲展宽器，包括1～2个全息光栅、1个平面反射镜、1个屋脊反射镜或平面反射镜，其特征还在于：包括2个凹面抛物柱面反射镜和1个凸面抛物柱面反射镜，其中各凹、凸抛物柱面反射镜柱面与柱面的方向呈相互平行放置；两抛物凹面镜与凸面镜的反射面呈面对面放置且相互成小夹角分布；全息光栅的刻线方向与反射镜的柱面方向一致，在平行于抛物面方向根据衍射要求呈倾角放置。
2.按权利要求1所述的完全无像差的超短激光脉冲展宽器，其特征在于：一对凹、凸抛物柱面反射镜的柱面方向及全息光栅的刻线方向相互平行，凹、凸镜反射面呈面对面垂直放置，全息光栅在平行于抛物面方向根据衍射要求呈倾角放置。
3.按权利要求1所述的完全无像差的超短激光脉冲展宽器，其特征在于：一对凹、凸抛物柱面反射镜的柱面方向及其与全息光栅的刻线方向相互呈小夹角，凹、凸镜反射面呈面对面放置，全息光栅在平行于抛物面方向根据衍射要求呈倾角放置。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1306334C (zh) * | 2004-07-05 | 2007-03-21 | 天津大学 | 补偿再生放大器高材料色散的小型化脉冲展宽器 |
| CN109407332A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-03-01 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 宽带激光系统色差动态补偿装置 |
| CN111799645A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-10-20 | 杭州奥创光子技术有限公司 | 一种啁啾脉冲压缩合成系统及其应用方法 |
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1998
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