CN101059640A - 一种啁啾脉冲压缩方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用等离子体的啁啾脉冲压缩方法及装置。该方法包括：1)提供一段等离子体；2)提供第一啁啾脉冲入射到所述等离子体；3)提供第二无啁啾脉冲入射到所述等离子体；4)将待压缩的啁啾激光脉冲沿着与所述第一啁啾脉冲相同的方向入射到所述等离子体。该装置包括：一激光器，发出激光啁啾脉冲；一分光器，将所述激光啁啾脉冲分成两束，其中一束经过一分束延时装置分成第一啁啾脉冲和第三啁啾脉冲，另一束经过一脉冲压缩器后形成第二无啁啾脉冲；所述第一啁啾脉冲和第三啁啾脉冲入射到由一等离子体生成器产生的等离子体，所述第二无啁啾脉冲沿反向入射到所述等离子体。本发明具有脉冲压缩效率高、光强损伤阈值高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲压缩方法及装置，特别涉及一种利用等离子体的啁啾脉冲压缩方法及装置。
背景技术
自从上世纪60年代发明了第一台激光器以来，激光器不仅是一种认识自然本质的强有力的科研工具，而且在各个领域影响着人们的工作和生活，例如医疗，微加工领域等。随着激光器自身的发展和多样化，它的利用价值将有更充分的发挥。
强激光技术就是现在激光领域最重要的一个发展方向。发展强激光器的最主要的动力是激光核聚变，就是利用多束激光产生的辐射压缩一个氘氚靶丸，实现核反应。激光核聚变有望为人类提供用之不竭的能源。世界各国包括中国都在建设耗资过亿的资金建设各自的短脉冲高功率的超大激光器。1994年，美国Livemore国家实验室Tabak等人提出了一种新型聚变方案，简称快点火，这种新型聚变方案虽然减少实现聚变所需要的驱动激光能量，但需要采用超高功率的短脉冲激光。
现有技术中，短脉冲高功率的超大激光器都是基于80年代美国人Mourou发明的啁啾脉冲放大技术。啁啾脉冲放大技术的基本技术方案为：一个初始低能量的短激光脉冲，先通过一对衍射光栅得到展宽，接着在光学晶体中得到放大，然后再通过一对衍射光栅得到压缩，最后输出一个短脉冲高功率的激光脉冲。可见，在输出端起压缩作用的衍射光栅要遭遇很强的激光。这些衍射光栅的损伤阈值是限制产生更高功率的激光脉冲的限制因素之一，也就是说产生更高功率的激光需要具有更高损伤阈值的衍射光栅。
一般不论是金属还是绝缘电介质制造而成的衍射光栅，其损伤阈值仅在几个焦耳/厘米2的量级，限制了产生更高功率的激光脉冲。
现有技术中，普通透明绝缘材料制成的啁啾镜，如图1所示，是由两种不同折射率的透明介质层交替叠加而成，如高折射率n1的材料TiO2，，低折射率n2的材料SiO2，并且空间周期不均匀的一种介质镜。根据布拉格原理，在一个空间周期为d的周期性层状结构中，并且光垂直于层状结构(沿着周期方向)入射，当光的波长等于2d时就会被全反射，这时称入射光满足布拉格条件。显然，在一个空间周期变化的啁啾镜中，入射光脉冲(一个光脉冲总有一定的频谱宽度)中的不同频率的光会在啁啾镜中不同的位置因满足布拉格条件而被反射。在图1所示的啁啾镜中，一个无啁啾的入射脉冲从左向右入射，高频(短波长)的光场分量先在啁啾镜的左端(空间周期小)反射，而低频(长波长)分量的光场要传播到啁啾镜的右端(空间周期大)才被反射。由于不同频率的光在不同的位置被反射，使得最终反射出来的光是一个频率随着时间变化的被展宽的啁啾脉冲。图1所示的啁啾镜反射出的脉冲前沿是高频成分，后沿是低频成分，这就叫负啁啾脉冲。总之，一个无啁啾的脉冲入射到图1的啁啾镜中，反射出来一个展宽的负啁啾脉冲。也就是说，这样一个啁啾镜呈现负色散(负色散导致负啁啾)。负色散可以用来压缩一个正啁啾脉冲(前沿低频，后沿高频)。当从左向右入射一个正啁啾脉冲到图1的啁啾镜时，反射出来就是一个压缩后的高低频光在空间上重合的无啁啾脉冲。
但是，现有技术中的啁啾镜的不足在于，其损伤阈值仅在几个焦耳/厘米2的量级，限制了产生更高功率的激光脉冲。因此，人们希望有一种具有高光强破坏阈值的啁啾镜，将这种啁啾镜用到强激光器的啁啾脉冲放大技术中，能够大大提高激光功率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有高光强破坏阈值的啁啾脉冲压缩方法及装置。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种啁啾脉冲压缩方法，包括如下步骤：
1)提供一段等离子体；
2)提供第一啁啾脉冲入射到所述等离子体；
3)提供第二无啁啾脉冲沿反向入射到所述等离子体；
4)将待压缩的啁啾激光脉冲沿着与所述第一啁啾脉冲相同的方向入射到所述等离子体。
在上述技术方案中，所述等离子体的密度范围为0.01-0.5NC，其中NC是临界等离子体密度。
在上述技术方案中，所述第一啁啾脉冲的脉宽大于所述第二无啁啾脉冲的脉宽。
在上述技术方案中，所述第一啁啾脉冲的脉宽范围为100飞秒-5皮秒；所述第二无啁啾脉冲的脉宽范围为20飞秒-500飞秒。
在上述技术方案中，所述待压缩的激光脉冲比所述第一啁啾脉冲落后200-300个光周期，也就是落后0.5-1皮秒入射到所述等离子体。
一种啁啾脉冲压缩装置，包括：
一激光器10，发出激光啁啾脉冲0；
一分光器11，将所述激光啁啾脉冲0分成两束，其中一束经过一分束延时装置4分成第一啁啾脉冲1和第三啁啾脉冲3，另一束经过一脉冲压缩器5后形成第二无啁啾脉冲2；所述第一啁啾脉冲1和第三啁啾脉冲3入射到由一等离子体生成器6产生的等离子体，所述第二无啁啾脉冲2沿反向入射到所述等离子体。
在上述技术方案中，该装置还包括所述分光器11和所述脉冲压缩器5之间有第一反射镜12，所述脉冲压缩器5和所述等离子体生成器6之间有第二反射镜13和第三反射镜14。
在上述技术方案中，所述等离子体的密度范围为0.01-0.5NC，其中是NC是临界等离子体密度。
在上述技术方案中，所述分束延时装置4产生的第一啁啾脉冲1的脉宽大于所述脉冲压缩器5形成的所述第二无啁啾脉冲2的脉宽。
在上述技术方案中，所述分束延时装置4产生的所述第一啁啾脉冲1的脉宽范围为100飞秒-5皮秒；所述第二无啁啾脉冲2的脉宽范围为20飞秒-500飞秒。
在上述技术方案中，所述分束延时装置4使得所述第三啁啾脉冲3比所述第一啁啾脉冲1落后200-300个光周期，也就是落后0.5-1皮秒入射到所述等离子体。
在上述技术方案中，所述分光器1将所述激光啁啾脉冲0分成两束，其中一束的能量大于另一束，能量小的一束经过所述脉冲压缩器5后形成第二无啁啾脉冲2；能量大的一束进入所述分束延时装置4。
在上述技术方案中，所述分束延时装置4使得第三啁啾脉冲3的能量大于所述第一啁啾脉冲1。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)脉冲压缩效率可以达到90％以上；
2)具有高光强损伤阈值，能承受1014-1017瓦/厘米2强度的激光。
附图说明
图1现有技术的普通介质啁啾镜的结构原理图；
图2本发明产生等离子体啁啾镜的原理图；
图3本发明的等离子体啁啾镜的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
等离子体是一般物质被电离以后由自由电子和离子的组成的一种物质状态。等离子体整体上是呈电中性的。由于等离子体没有热损伤阈值，所以它是一种有能力控制强激光脉冲的特殊介质。本发明是一种基于等离子体介质的啁啾脉冲压缩方法及装置。
等离子体这种呈气态的物质不能象普通的透明介质一样，加工成不同厚度的薄层，然后粘结起来。本发明利用光学的办法产成等离子体啁啾脉冲压缩装置
参照图3，制作本发明的一种啁啾脉冲压缩装置，包括：激光器10发出激光啁啾脉冲0，该激光器10为掺钛蓝宝石激光器，激光波长为0.8微米，该激光器10发出的激光脉宽可调，脉宽范围为100飞秒-5皮秒；分光器11，将所述激光啁啾脉冲0分成两束，一束的能量是另一束的两倍以上，本实施例比如取2.6倍；其中能量较大的一束经过一分束延时装置4分成第一啁啾脉冲1和第三啁啾脉冲3，且第三啁啾脉冲3的能量是第一啁啾脉冲1能量的一倍以上，比如取1.5倍；能量较小的一束经过一脉冲压缩器5后形成第二无啁啾脉冲2；所述第一啁啾脉冲1和第三啁啾脉冲3入射到由一等离子体生成器6产生的等离子体，第二无啁啾脉冲2也入射到所述等离子体。
该装置还包括所述分光器11和所述脉冲压缩器5之间有第一反射镜12，所述脉冲压缩器5和所述等离子体生成器6之间有第二反射镜13和第三反射镜14。
等离子体的适合密度范围为0.01-0.5NC，其中是NC是临界等离子体密度，本实施例中NC等于1×1021个/厘米3，也就是等离子体密度应在1×1019-5×1020个/厘米3范围内；本实施例中等离子体密度为1×1020个/厘米3。同时等离子体的温度应该小于500电子伏特，本实施例中为200电子伏特。
分束延时装置4产生的所述第一啁啾脉冲1的脉宽与激光器10发出的啁啾脉冲的脉宽相同，为100飞秒-5皮秒；脉冲压缩器5的参数可调，使第二无啁啾脉冲2的脉宽范围为20飞秒-500飞秒。
在等离子体中，从干涉条纹的形成到等离子体密度调制的形成大概需要200-300光周期；因此第三啁啾脉冲3要比泵浦第一啁啾脉冲1落后200-300光周期入射。分束延时装置4使得所述第三啁啾脉冲3比所述第一啁啾脉冲1落后200-300个光周期，也就是落后0.5-1皮秒入射到所述等离子体。本实施例中的时间延迟是250光周期，也就是660飞妙。
第一啁啾脉冲1和第三啁啾脉冲3是同方向入射的，两者与第二无啁啾脉冲2相向入射到等离子体。
如图2所示，图中用黑点表示的方框区域30表示等离子体，第一啁啾脉冲1和第二无啁啾脉冲2都是泵浦光，第一啁啾脉冲1是正啁啾脉冲，控制两束泵浦光的脉宽使得它们的频谱一样。右边的第二无啁啾脉冲2短脉冲会跟左边第一啁啾脉冲1从右到左依次发生干涉。在右端，干涉花纹的空间周期比较长，在左端周期比较短。周期性的干涉光场产生的激光有质动力会把电子从干涉场强度大的地方推到强度小的地方。运动的电子会通过库仑力拉动离子跟着一起运动。最后就会形成与干涉条纹分布完全对应的等离子体密度调制，或者叫等离子体布拉格光栅。由于非均匀的空间周期，本发明的装置还可以叫做等离子体啁啾镜，该等离子体啁啾镜的损伤阈值达到1000焦耳/厘米2以上。
可以证明通过上述方法产生的啁啾镜结构，可以用来很好地压缩一个与左端入射的产生啁啾镜的泵浦第一啁啾脉冲1完全一样的一个正啁啾脉冲，它称为信号光，本实施例中就是第三啁啾脉冲3。也就是在泵浦啁啾脉冲1后面间隔一定时间后入射一个相同的啁啾脉冲，该脉冲就会被压缩。
本实施例的压缩效率可以达到90％以上。本实施例中第一啁啾脉冲1和第二无啁啾脉冲2的能量小于第三啁啾脉冲3，即待压缩脉冲0的能量主要是在第三啁啾脉冲3中。第一啁啾脉冲1和超短的第二无啁啾脉冲2同时打到一段由等离子体生成器6产生的等离子体，诱导形成一个等离子体啁啾镜。当第三啁啾脉冲3入射到等离子体啁啾镜中时，就会得到压缩。第三啁啾脉冲3是有待压缩的信号光，第一啁啾脉冲1和第三啁啾脉冲3的脉冲宽度与初始脉冲0的宽度一样。
泵浦光啁啾脉冲1和无啁啾脉冲2的强度在1014-1017瓦/厘米2范围内可以产生等离子体啁啾镜，本实施例中第一啁啾脉冲1的强度为5×1015瓦/厘米2，第二脉冲2的强度为5×1015瓦/厘米2。
本实施例中信号第三啁啾脉冲3的强度达到5×1015瓦/厘米2。而现有技术中，作为制作普通光栅的金属或绝缘材料，是远远不能承受1014-1017瓦/厘米2强度的激光的。
分束延时***4采用Dog-Leg光路***，基本包括两个全反射镜、两个部分反射镜和一个光学滤波器，具体请参见文献：J.Zhang et al.Phys.Rev.A 53，3640，2001。
脉冲压缩***5采用强激光器普遍采用的市场所售的光栅对压缩器。
等离子体生成器6采用市场所售的等离子体生成器，比如采用毛细管放电、电离高密气体喷流或固体薄膜等方法的等离子体生成器。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1、一种啁啾脉冲压缩方法，包括如下步骤：
1)提供一段等离子体；
2)提供第一啁啾脉冲入射到所述等离子体；
3)提供第二无啁啾脉冲沿反向入射到所述等离子体；
4)将待压缩的啁啾激光脉冲沿着与所述第一啁啾脉冲相同的方向入射到所述等离子体。
2、根据权利要求1所述啁啾脉冲压缩方法，其特征在于，所述等离子体的密度范围为0.01-0.5NC，其中NC是临界等离子体密度。
3、根据权利要求1所述啁啾脉冲压缩方法，其特征在于，所述第一啁啾脉冲的脉宽大于所述第二无啁啾脉冲的脉宽。
4、根据权利要求3所述啁啾脉冲压缩方法，其特征在于，所述第一啁啾脉冲的脉宽范围为100飞秒-5皮秒；所述第二无啁啾脉冲的脉宽范围为20飞秒-500飞秒。
5、根据权利要求1所述啁啾脉冲压缩方法，其特征在于，在步骤4)中所述待压缩的激光脉冲比所述第一啁啾脉冲落后200-300个光周期入射到所述等离子体。
6、一种啁啾脉冲压缩装置，包括：
一激光器(10)，发出激光啁啾脉冲(0)；
一分光器(11)，将所述激光啁啾脉冲(0)分成两束，其中一束经过一分束延时装置(4)分成第一啁啾脉冲(1)和第三啁啾脉冲(3)，另一束经过一脉冲压缩器(5)后形成第二无啁啾脉冲(2)；所述第一啁啾脉冲(1)和第三啁啾脉冲(3)入射到由一等离子体生成器(6)产生的等离子体，所述第二无啁啾脉冲(2)沿反向入射到所述等离子体；
所述分光器(11)和所述脉冲压缩器(5)之间有第一反射镜(12)，所述脉冲压缩器(5)和所述等离子体生成器(6)之间有第二反射镜(13)和第三反射镜(14)。
7、根据权利要求6所述啁啾脉冲压缩装置，其特征在于，所述等离子体的密度范围为0.01-0.5NC，其中是NC是临界等离子体密度。
8、根据权利要求6所述啁啾脉冲压缩装置，其特征在于，所述分束延时装置(4)产生的第一啁啾脉冲(1)的脉宽大于所述脉冲压缩器(5)形成的所述第二无啁啾脉冲(2)的脉宽；所述第一啁啾脉冲(1)的脉宽范围为100飞秒-5皮秒；所述第二无啁啾脉冲(2)的脉宽范围为20飞秒-500飞秒。
9、根据权利要求6所述啁啾脉冲压缩装置，其特征在于，所述第三啁啾脉冲(3)比所述第一啁啾脉冲(1)落后200-300个光周期入射到所述等离子体。
10、根据权利要求6、7、8或9所述啁啾脉冲压缩装置，其特征在于，所述分光器(1)将所述激光啁啾脉冲(0)分成两束，其中一束的能量大于另一束，能量小的一束经过所述脉冲压缩器(5)后形成第二无啁啾脉冲(2)；能量大的一束进入所述分束延时装置(4)；所述第三啁啾脉冲(3)的能量大于所述第一啁啾脉冲(1)。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090624 Termination date: 20140421 |