消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，包括飛秒脈沖振蕩源、主光柵展寬器、主放大器、及主光柵壓縮器，其特點是該系統(tǒng)還包括輔展寬器、輔壓縮器、前置放大器、第一反射鏡和第二反射鏡。本發(fā)明中，脈沖展寬壓縮與系統(tǒng)材料色散補償相分離，使得最終輸出的光脈沖的殘留高階色散減少幾個數(shù)量級，甚至有可能完全清除。輸出激光脈沖的相位譜平坦，能夠獲得近變換極限的脈沖寬度，支撐15fs以下寬度的超強超短脈沖放大，并提升輸出激光主脈沖前皮秒位置處的對比度。
【專利說明】消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光科學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種消除高階色散的啁啾脈沖時域展寬壓縮放大系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超強超短激光科學(xué)以超強超短激光的發(fā)展，超強超短激光與物質(zhì)的相互作用，以及在交叉學(xué)科和相關(guān)高【技術(shù)領(lǐng)域】中的前沿基礎(chǔ)研究為研究對象，是重要的科學(xué)前沿領(lǐng)域。其中可以輸出高功率脈沖的小型化超短超強激光系統(tǒng)是超強超短激光科學(xué)領(lǐng)域研究的基本設(shè)備。這里的“超強超短”是指激光脈沖的時間寬度極窄(一般小于200飛秒，飛秒即10_15s，簡稱fs)，峰值功率極高(大于I太瓦，即IO12W,簡稱TW)。超短脈沖的時間寬度受到光譜的制約，光譜越寬，脈沖壓縮理論上可能達(dá)到的脈沖寬度就越窄，但實際中會受不平坦的激光相位譜的影響，無法實現(xiàn)理想壓縮。
[0003]超短超強激光系統(tǒng)采用啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification,簡寫為CPA)為基本技術(shù)路線。典型方案如采用CPA技術(shù)的鈦寶石激光系統(tǒng):飛秒激光振蕩源直接產(chǎn)生的強度較弱的超短脈沖，首先被送入光柵展寬器中，由光柵引入強烈的啁啾，脈沖時間寬度因而被展寬百萬倍，成為納秒(納秒即10_9s，簡稱ns)量級的長脈沖。這樣的長脈沖在鈦寶石增益介質(zhì)中，獲得能量放大；最后利用光柵壓縮器，消除激光脈沖中的啁啾，使納秒長脈沖被壓縮回飛秒超短脈沖，最終實現(xiàn)超強超短激光脈沖的輸出。該激光脈沖具有寬光譜的特性，其光譜的付里葉變換極限決定了壓縮可能達(dá)到的最窄脈沖寬度。
[0004]超強超短激光系統(tǒng)輸出激光脈沖具有很高能量，容易造成系統(tǒng)自身的光學(xué)器件破壞。所以通常要求壓縮器采用反射元件，結(jié)構(gòu)越簡單越好、損耗越小越好。最簡單的結(jié)構(gòu)莫過于由兩對平行光柵鏡構(gòu)成的光柵壓縮器，可產(chǎn)生負(fù)色散。除了與光自身的波長有關(guān)外，負(fù)色散量還取決于光柵的刻線密度、激光入射角以及平行光柵間距。CPA系統(tǒng)中，激光脈沖具有幾十納米的寬光譜帶寬，色散譜可分解為中心波長處的一階、二階、三階以及更高階色散。其中，一階色散代表激光脈沖的整體速度，與研究的問題無關(guān)；三、四階色散量與二階色散量的比值只與激光入射角有關(guān)；而當(dāng)激光入射角確定時，二階色散量只與光柵間距有關(guān)。
[0005]CPA系統(tǒng)的光柵展寬器，其本質(zhì)是利用1:1的望遠(yuǎn)光學(xué)成象系統(tǒng)形成一個像光柵，而物光柵和像光柵之間彼此平行且“負(fù)”距離。光柵壓縮器的色散公式完全可以用在理想展寬器上，所需的改動只是把光柵間距變成負(fù)值。也就是說在理論上，理想展寬器的色散與壓縮器正相反，可以實現(xiàn)彼此的色散保真補償。
[0006]在實際CPA系統(tǒng)中,激光在系統(tǒng)內(nèi)要穿過各種各樣的光學(xué)兀件,如激光放大介質(zhì)、非線性晶體，透鏡等。這些具有材料正色散的光學(xué)元件，會改變透射激光的啁啾量。因此對于實際的CPA系統(tǒng)而言，展寬器與壓縮器之間的參數(shù)會有差別。
[0007]在現(xiàn)有技術(shù)中，飛秒激光振蕩源I生成超短脈沖，首先被送入光柵展寬器2中，寬度成為納秒(納秒即10_9S)量級的長脈沖。這樣的長脈沖經(jīng)過多級放大器3，獲得能量放大；放大后的脈沖經(jīng)過光柵壓縮器4，使納秒長脈沖被壓縮回飛秒超短脈沖，最終實現(xiàn)超強超短激光脈沖的輸出，如圖3。其中，CPA系統(tǒng)的色散補償遵循以下方法:通過調(diào)整壓縮器的平行光柵距離，可以調(diào)節(jié)二階色散量，以補償展寬器和系統(tǒng)材料的二階色散；通過調(diào)整壓縮器的光柵入射角，以補償展寬器和系統(tǒng)材料的三階色散。
[0008]上述技術(shù)方案下，四階甚至更高階的色散將無法得到補償。殘留的高階色散量非常大，主要由色散壓縮器提供，相對于它，系統(tǒng)材料自帶的高階色散量可以忽略不計。光柵展寬器的展寬能力越大(即展寬后的長脈沖越寬)，則殘留的高階色散量越大。高階色散會影響光脈沖壓縮后所能達(dá)到的寬度，高階色散量越大，則激光相位譜的平坦區(qū)越窄，壓縮后的光脈沖也就越寬。圖2為計算機模擬計算的結(jié)果，其中初始光脈沖具有高斯型，初始寬度15fs，光譜的半高全寬為60nm，二、三階色散為O。如圖2a，如果殘留四階色散為106fs4，則相位光譜平坦區(qū)(小于I弧度)寬度為50nm,半高全寬約60nm的高斯脈沖(對應(yīng)15fs脈寬)只能壓縮至49fs ;如圖2b，當(dāng)殘余四階色散量在105fs4時，相位光譜平坦區(qū)(小于I弧度)寬度為80nm，脈寬可以壓縮至28fs。在實際中，大能量的超強超短激光系統(tǒng)殘留色散通常超過105fs4，寬光譜輸出脈沖只能支持30fs量極的輸出。為了提高輸出激光脈沖的峰值功率，有必要消除高階色散，或至少降低到系統(tǒng)可接受的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種消除高階色散的啁啾脈沖時域展寬壓縮放大系統(tǒng)，以此擴大激光輸出脈沖相位譜的平坦區(qū)范圍，并進一步降低輸出脈沖寬度，提高激光峰值功率，從而能夠支撐15fs以下寬度的超強超短脈沖放大；并且由于相位譜的平坦，為增加CPA系統(tǒng)的光譜帶寬提供了實際意義；此外，它也會提升輸出主脈沖的皮秒位置的對比度，滿足相關(guān)物理實驗的要求。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0011]一種消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，包括飛秒脈沖振蕩源、主光柵展寬器、主放大器、及主光柵壓縮器，其特點是該系統(tǒng)還包括輔展寬器、輔壓縮器、前置放大器、第一反射鏡和第二反射鏡，所述元器件的相對位置關(guān)系如下:
[0012]飛秒脈沖振蕩源產(chǎn)生的飛秒級超短脈沖首先進入輔光柵展寬器，并展寬成短脈沖。短脈沖進入前置放大器，在前置放大器的增益作用下接受能量，實現(xiàn)初步放大。初步放大后的短脈沖進入輔壓縮器被部分壓縮回百飛秒級脈沖。百飛秒級脈沖在第一反射鏡引導(dǎo)下進入主光柵展寬器展寬至長脈沖，接著在第二反射鏡的引導(dǎo)下進入主放大器，在主放大器的增益作用下接受能量，實現(xiàn)能量放大。能量放大后的長脈沖進入主光柵壓縮器，被壓縮成為飛秒量級的超短脈沖。
[0013]所述的飛秒脈沖振蕩源是鈦寶石飛秒鎖模脈沖激光器、染料激光器或光纖鎖模激
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[0014]所述的輔展寬器是光柵展寬器、光纖展寬器以及棱鏡對等色散元件構(gòu)成，為光脈沖提供相對較小的啁啾量，將飛秒光脈沖展寬到皮秒至百皮秒量級。
[0015]所述的輔壓縮器由光柵壓縮器、或光纖壓縮`器、或棱鏡對等色散元件構(gòu)成，用以補償輔展寬器和系統(tǒng)所有材料所導(dǎo)致的色散，能在不引入主光柵展寬器和主光柵壓縮器的情況下，在主放大器的末端將短脈沖壓縮展寬回飛秒量級超短脈沖。
[0016]所述的前置放大器，是基于激光介質(zhì)，如鈦寶石等，的激光放大技術(shù)，也可以是基于非線性晶體，如BBO晶體等，的光參量放大技術(shù)。
[0017]所述的主光柵展寬器是利用光柵為基礎(chǔ)的，具有大展寬能力的展寬器。主光柵展寬器可以將光脈沖展寬至納秒量級。
[0018]所述的主放大器，是基于激光介質(zhì)，如鈦寶石等，的激光放大技術(shù)，也可以是基于非線性晶體，如BBO晶體等的光參量放大技術(shù)。
[0019]所述的主光柵壓縮器是利用光柵為基礎(chǔ)的，具有大壓縮能力的壓縮器。主光柵壓縮器用以補償主展寬器所導(dǎo)致的脈沖啁啾，可以將納秒量級光脈沖壓縮回飛秒量級的極限脈寬。
[0020]本發(fā)明具有以下創(chuàng)新點:
[0021]本發(fā)明消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，創(chuàng)新地采用兩套展寬壓縮器:一套主展寬壓縮器僅用于將飛秒超短脈沖展寬為納秒級長脈沖，并在激光脈沖能量放大完成后，將納秒級長脈沖保真地壓縮回飛秒超短脈沖，主展寬壓縮器不負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)材料色散的補償；另一套輔展寬壓縮器則主要用于系統(tǒng)內(nèi)材料色散的補償，此外，在需要脈沖凈化提升脈沖對比度的情況下，也可用于非線性脈沖凈化技術(shù)。
[0022]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0023]本發(fā)明的脈沖展寬壓縮與系統(tǒng)材料色散補償相分離的創(chuàng)新特點，使得殘留的高階色散減少幾個數(shù)量級，甚至有可能完全清除。CPA輸出的激光脈沖相位譜平坦，能夠獲得近變換極限的脈沖寬度，可以支撐15fs以下寬度的超短超強脈沖放大，并提升輸出激光主脈沖前皮秒位置的對比度。應(yīng)用了本發(fā)明的30fs量級輸出的超短超強激光系統(tǒng)，可在現(xiàn)有輸出能力基礎(chǔ)上，獲得輸出峰值功率的進一步提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為超強超短激光放大系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)示意圖
[0025]圖2是四階色散對激光脈沖壓縮的影響
[0026]圖3是本發(fā)明消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0027]圖3所示，為本發(fā)明消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)的具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)包括飛秒脈沖振蕩源5、輔展寬器6、前置放大器7、輔壓縮器8、第一反射鏡9、主光柵展寬器10、第二反射鏡11、主放大器12、主光柵壓縮器13構(gòu)成。
[0028]其中飛秒脈沖振蕩源5輸出的光脈沖具有脈沖寬度極窄、光譜寬度較寬的特點。在本發(fā)明中，該飛秒脈沖振蕩源5作為種子源，其可為鈦寶石飛秒鎖模脈沖激光器、染料激光器、光纖鎖模激光器等鎖模脈沖激光器。在本實施例中，飛秒脈沖振蕩源5選用鈦寶石飛秒鎖模脈沖激光器，光脈沖的中心波長800nm，光譜帶寬lOOnm，脈沖寬度10fs。
[0029]其中輔展寬器6的特點是能夠?qū)w秒光脈沖展寬到皮秒至百皮秒量級。在本發(fā)明中，可以是光柵展寬器、光纖展寬器以及棱鏡對等色散元件構(gòu)成。在本實施例中，輔展寬器6米用光柵展寬器，光柵為1200線/mm,光脈沖入射角43° ,在中心波長衍射光方向上,物像光柵總間距80cm。凹面鏡的半徑為IOOcm,凸面鏡的半徑為50cm,帶通lOOnm。[0030]其中前置放大器7的特點是為脈沖提供初步放大。在本發(fā)明可以是基于激光介質(zhì)，如鈦寶石等，的激光放大技術(shù)，也可以是基于非線性晶體，如BBO晶體等，的光參量放大技術(shù)。在本實施例中，前置放大器7采用鈦寶石激光放大技術(shù)。
[0031]其中輔壓縮器8的特點是能夠補償輔展寬器和系統(tǒng)所有材料所導(dǎo)致的色散。在本發(fā)明中，可以由光柵壓縮器、或光纖壓縮器、或棱鏡對等色散元件構(gòu)成。在本實施例中，輔壓縮器8米用光柵壓縮器,光柵為1200線/mm,光脈沖入射角約45° ,在中心波長衍射光方向上，平行光柵總間距約81cm。帶通lOOnm。
[0032]其中，第一反射鏡9和第二反射鏡11的特點是引導(dǎo)光束進入主展寬器。在本實施例中，第一反射鏡9和第二反射鏡11都采用銀鏡，可以支持IOOnm以上的帶寬。
[0033]其中主光柵展寬器10的特點是具有大的展寬能力，可以將光脈沖展寬至納秒量級。在本實施例中，主光柵展寬器10采用為1400線/mm光柵，光脈沖入射角50 °，在中心波長衍射光方向上，物像光柵總間距160cm。。凹面鏡的半徑為120cm,凸面鏡的半徑為60cm,帶通lOOnm。能夠展寬到2ns
[0034]其中主放大器12的特點是為脈沖提供能量放大。在本發(fā)明可以是基于激光介質(zhì)，如鈦寶石等，的激光放大技術(shù)，也可以是基于非線性晶體，如BBO晶體等，的光參量放大技術(shù)。在本實施例中，能量放大器12采用鈦寶石激光放大技術(shù)。
[0035]其中主光柵壓縮器13的特點是以光柵為基礎(chǔ)的，具有大壓縮能力的壓縮器，可以補償主展寬器所導(dǎo)致的脈沖啁啾，將納秒量級光脈沖壓縮回飛秒量級的極限脈寬。在本實施例中，輔壓縮器8采用光柵壓縮器，光柵為1480線/mm，光脈沖入射角50°，在中心波長衍射光方向上，平行光柵總間距160cm，帶通lOOnm。
[0036]本實施例的工作過程如下:
[0037](I)飛秒脈沖振蕩源5產(chǎn)生SOOnm波段，單個脈沖寬度達(dá)到IOfs的超短鎖模脈沖光束；
[0038](2)該超短脈沖光束進入輔展寬器6，展寬到20ps，展寬后的短脈沖進入前置放大器7。前置放大器7運轉(zhuǎn)，能量放大到微焦耳量級后，光脈沖進入輔壓縮器8。
[0039](3)光脈沖經(jīng)過輔壓縮器8后直接進入主放大器12。在主放大器12 (不需要運轉(zhuǎn))后測量光脈沖寬度。以該測量的結(jié)果為依據(jù)，調(diào)節(jié)輔壓縮器8的入射角和光柵間距，達(dá)到脈沖寬度最短，實現(xiàn)系統(tǒng)色散補償。
[0040](4)將第一反射鏡9插入主放大器12之前的光路內(nèi)，將光束引向主光柵展寬器10。在光柵展寬器10的作用下，脈沖被展寬至2ns。2ns的長脈沖激光由第二反射鏡11引回主放大器12。
[0041](5)主放大器12運轉(zhuǎn)，光脈沖的能量放大至>1焦耳以上的能量。
[0042](6)放大后的脈沖進入主壓縮器13。在主壓縮器13后測量光脈沖寬度。以該測量的結(jié)果為依據(jù)，調(diào)節(jié)主壓縮器13的入射角和光柵間距，達(dá)到脈沖寬度最短，實現(xiàn)主展寬器色散的補償。
[0043]這樣的裝置經(jīng)過細(xì)致地調(diào)試，能夠獲得近變換極限的脈沖寬度輸出，可以產(chǎn)生15fs以下的超強超短光脈沖。
【權(quán)利要求】
1.一種消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，包括飛秒脈沖振蕩源、主光柵展寬器、主放大器和主光柵壓縮器，其特征在于該系統(tǒng)還包括輔展寬器、輔壓縮器、前置放大器、第一反射鏡和第二反射鏡，所述元器件的相對位置關(guān)系如下: 飛秒脈沖振蕩源產(chǎn)生的飛秒級超短脈沖經(jīng)所述的輔光柵展寬器展寬成短脈沖，該短脈沖進入所述的前置放大器初步放大后的短脈沖進入所述的輔壓縮器被部分壓縮回百飛秒級脈沖，該百飛秒級脈沖在第一反射鏡引導(dǎo)下進入所述的主光柵展寬器展寬至長脈沖，在第二反射鏡的引導(dǎo)下進入所述的主放大器實現(xiàn)能量放大，該能量放大后的長脈沖進入所述的主光柵壓縮器，被壓縮成為飛秒量級的超短脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，其特征在于所述的飛秒脈沖振蕩源是鈦寶石飛秒鎖模脈沖激光器、染料激光器或光纖鎖模激光器等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，其特征在于所述的輔展寬器和主光柵展寬器是光柵展寬器、光纖展寬器以及棱鏡對色散元件構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，其特征在于所述的輔壓縮器由光柵壓縮器、或光纖壓縮器、或棱鏡對等色散元件構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，其特征在于所述的前置放大器和主放大器是基于激光介質(zhì)的激光放大器，或是基于非線性晶體的光參量放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除高階色散的啁啾脈沖展寬壓縮放大系統(tǒng)，其特征在于所述的主光柵壓縮器是利用光柵為基礎(chǔ)的，具有大壓縮能力的壓縮器。
【文檔編號】H01S3/10GK103872568SQ201410083576
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】王乘, 冷雨欣, 許毅, 陸效明, 劉彥祺, 韓冬佳, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所