專利名稱：飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與超短超強激光脈沖壓縮有關，特別是一種飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置。
背景技術：
強場激光物理與技術的發(fā)展將人們對自然的認識推進到了更深的層次，同時也催生出許多新的有深遠意義的應用，例如利用激光可控核聚變解決人類的能源消耗問題。當前，世界主要發(fā)達國家和地區(qū)紛紛投入巨資發(fā)展這一領域，比較有名的是歐盟的ELI計劃和美國的國家點火裝置。在激光的發(fā)展歷程中，超強和超短這兩項指標不僅不是相互獨立的，而且在IO18 這個量級范圍內(nèi)是成反比例的。想要獲得越來越短的脈沖寬度，就必須有越來越強的激光場，例如對于阿秒(10,秒)脈寬就需要IOw 1016W/cm2的光強，而若要得到更短的仄秒 (10_21秒)就需要1018W/cm2以上的光強。反之，對于一定能量的激光脈沖，若要得到更高的峰值功率和光強，將脈沖進行時域壓縮是有效的途徑，例如脈寬被壓縮10倍時，即使能量損失了一半，峰值功率仍然提高了 5倍。同時，超短脈寬也有其獨特應用需求。受到激光介質的增益窄化的影響，經(jīng)過放大后的激光脈沖寬度最短也在20飛秒以上。當前拍瓦系統(tǒng)的輸出在30飛秒左右，而能量卻能達到上千焦耳，光束直徑也在幾十厘米的量級。要對這樣的脈沖進行壓縮所面臨的首要困難是光束的橫向調(diào)制不穩(wěn)定性，即隨著脈沖在介質中的傳播，其橫向會因為介質引發(fā)的自聚焦效應導致激光脈沖波面畸變從而誘發(fā)多絲的形成。通常這樣的光束是在真空管中傳輸，最后經(jīng)凹面鏡聚焦使用。對于這種高能量的激光脈沖尚缺少有效的壓縮方法。對于毫焦、亞毫焦量級的激光脈沖壓縮而言，目前存在一種成熟的技術，即基于空心光纖的脈沖壓縮技術。這種技術利用自相位調(diào)制效應，避免介質電離的發(fā)生，可以得到穩(wěn)定的輸出，其壓縮后的脈沖具有單模分布和近單光周期的極端超短脈寬。此方法已經(jīng)在阿秒物理和超快泵浦探測研究中發(fā)揮關鍵作用。鑒于這種技術的優(yōu)越性，也有不少小組試圖將這種技術移植到高能脈沖的壓縮領域，利用復雜的電離效應與其它效應的平衡，從而壓縮脈寬。盡管這些研究也都實現(xiàn)了脈寬壓縮，但是脈沖能量仍然無法大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題就是提供一種飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置，該裝置不受入射脈沖能量限制而能對高能量激光脈沖進行壓縮。本發(fā)明的技術解決方案如下一種飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置，其特點在于構成是在位于激光脈沖前進的光路上依次是聚焦鏡、內(nèi)置多孔空心光纖的充惰性氣體管、凹面反射鏡和啁啾鏡組。所述的多孔空心光纖的空心孔徑的大小相同，相鄰孔之間的間隔相等。本發(fā)明飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置的實質是通過設計一種多孔空心光纖結構，將入射的高能量激光脈沖分割成許多小尺寸的光束從而分別進行壓縮，最終實現(xiàn)對整個激光脈沖的高效壓縮。這種多孔空心光纖結構以緊湊的形式實現(xiàn)了大量普通空心光纖的并聯(lián)。 一方面，這種結構保留了普通空心光纖壓縮的優(yōu)勢，即空間啁啾小和超短脈寬；另一方面， 因為使用的是并聯(lián)方式，所以不受入射脈沖能量的限制。對于更高脈沖能量的入射，可以將能量均勻分配給更多的空心，每個空心都可以看作是獨立的普通空心光纖。最終，這種結構可以用于壓縮能量遠大于1毫焦的飛秒激光脈沖。本發(fā)明的一種具體技術解決方案示例是一種基于充惰性氣體的多孔空心光纖的飛秒激光脈沖壓縮裝置，利用聚焦鏡將入射脈沖耦合到多孔空心光纖中。多孔空心光纖放在充有惰性氣體的鋼管中，其各個空心直徑相等，空心的排布為對稱分布，相鄰空心之間的光纖壁厚相同。激光光束在耦合到多孔空心光纖的過程中被多孔結構分割為許多小尺寸光束，之后每個空心作為獨立的普通空心光纖對其中的光脈沖進行光譜展寬。耦合過程應確保每個有效空心孔中分布能量幾乎相同， 從而保證這些孔中的光束經(jīng)歷了相同的動力學過程，具有近乎相同的參數(shù)。這里所說的“有效”空心孔是指空心中光強的徑向分布均勻的孔。為了實現(xiàn)能量在不同有效空心孔的均勻分配，光纖入口處的脈沖光強的橫向分布應接近平頂形，且脈沖中心接近平頂分布的部分覆蓋的各個空心的孔徑大小要相同。經(jīng)過光纖后，各個空心的出射光先被準直，后由啁啾鏡壓縮可以實現(xiàn)超短的脈沖寬度。脈沖的能量則是所有有效空心中的能量之和，是普通空心光纖的許多倍。綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點歸納如下本發(fā)明是一種能夠壓縮高能量飛秒激光脈沖寬度的壓縮裝置，適用于能量遠大于 1毫焦的飛秒激光脈沖的壓縮，可以輸出能量遠大于1毫焦的飛秒激光脈沖，同時脈沖的寬度可以短至小于10飛秒，甚至接近單個光周期(工作波長為800納米，單個光周期為2. 7 飛秒)。本發(fā)明的核心器件是多孔空心光纖。這種光纖的特征是所有空心孔徑大小相等， 相鄰孔之間的間隔相同。其功能在于按照這種多孔分布去分割高能量的飛秒激光光束，從而實現(xiàn)不同孔中光束的獨立傳播。因為不同有效空心中的激光脈沖的各個參數(shù)非常相近， 所以經(jīng)過傳播后，各個有效空心的出射脈沖參數(shù)也非常相近，從而實現(xiàn)對分割后的激光光束的均勻壓縮。本發(fā)明以緊湊的形式實現(xiàn)了大量普通空心光纖壓縮的并聯(lián)，所以輸出能量是普通空心光纖的許多倍，同時保留了普通空心光纖壓縮脈沖的優(yōu)勢，如壓縮脈寬短，穩(wěn)定性高， 空間啁啾小等。


圖1為本發(fā)明飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明多孔空心光纖的截面圖。圖3為使用本發(fā)明裝置對入射高能量飛秒激光脈沖進行光譜展寬后，各有效空心孔輸出的光譜圖。圖4為使用本發(fā)明裝置對入射高能量飛秒激光脈沖進行光譜展寬并壓縮后，各有效空心孔對應的出射脈沖強度包絡。
具體實施例方式圖1顯示了本發(fā)明飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置的示意圖，由圖可見本發(fā)明飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置的構成是在位于激光脈沖前進的光路上依次是聚焦鏡1、內(nèi)置多孔空心光纖的充惰性氣體管2、凹面反射鏡3和啁啾鏡組4。為了便于詳細說明并分析本發(fā)明的原理和使用方法，此處特別選定本發(fā)明核心器件多孔空心光纖的橫截面如圖2所示，6是空心孔，直徑為500微米；5是相鄰孔的間隔厚度，為125微米。對于普通空心光纖和本發(fā)明多孔空心光纖，將聚焦光束的焦斑設定在光纖入口處是達到最佳耦合的必要條件之一。另一個考慮因素則是焦斑的大小。對于普通空心光纖， 當焦斑強度分布為高斯分布，且其Ι/e2半徑是空心半徑的0. 65倍時，光束耦合到空心光纖基模的能量比例最高，達到98%。而對于多孔空心光纖，則希望脈沖能量均勻分布到各個有效空心孔上。為了讓不同有效空心孔接受到的能量盡可能相同且均勻分布，焦斑的強度為平頂分布時最理想。實際中的焦斑橫向分布可以表示為I = eXp(-2r27Wl2n)，其中r是橫向坐標，W1表征光束橫向尺寸。當η = 4時，分布為較理想的超高斯分布，這個分布作為下面分析的基礎。同時，為了避免光纖入口處出現(xiàn)顯著的氣體介質電離從而破壞耦合效果，焦點的峰值強度應該在1 X IO13 5Χ 1013W/cm2之間。假定入射脈沖中心波長800納米，能量 10毫焦，脈沖寬度40飛秒(半高全寬)。對應此入射脈沖參數(shù)可知焦斑半徑在400 890 微米(半高強度)之間。進一步的理論計算表明，當焦斑半徑為890微米，位于光束軸線上的中心孔接受到的能量占總脈沖能量比例為8%，緊鄰中心孔的6個孔的分布具有對稱性， 分別接受到的能量比例都為7. 2%，如圖2所示的最中間的一個孔和包圍它的6個周圍孔。 這時，有效空心孔一共有7個，因為相鄰的再遠一些的孔的能量接受比例都小于0. 009，可以忽略。所以，多孔空心光纖的總的能量接受效率為7個有效空心孔的總和，即51%。各個有效空心中的光束能量將進一步分配到不同的光纖波導模式上。對于中心孔，能量耦合到不同波導模式的效率n由下式計算
權利要求
1.一種飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置，其特征在于構成是在位于激光脈沖前進的光路上依次的聚焦鏡(1)、內(nèi)置多孔空心光纖的充惰性氣體管O)、凹面反射鏡C3)和啁啾鏡組 ⑷。
2.根據(jù)權利要求1所述的飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置，其特征在于所述的多孔空心光纖的空心孔徑的大小相同，相鄰孔之間的間隔相等。
全文摘要
一種飛秒激光脈沖寬度壓縮裝置，其構成是在位于激光脈沖行進的光路上依次的聚焦鏡、內(nèi)置多孔空心光纖的充惰性氣體管、凹面反射鏡和啁啾鏡組。本發(fā)明該裝置不受入射脈沖能量限制而能對高能量激光脈沖進行壓縮。
文檔編號G02B6/032GK102207658SQ201110129419
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2011年5月18日
發(fā)明者冷雨欣, 徐至展, 王丁 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所