CN108594461B - 内部分光型光栅压缩器 - Google Patents

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Abstract

一种内部分光型光栅压缩器，特点在于其构成包括：由相互平行的第一光栅和第二光栅组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅和第四光栅组成的第二光栅对,由相互平行的第五光栅和第六光栅组成的第三光栅对,…,由相互平行的第2N‑1块光栅和第2N光栅组成的第N光栅对,由相互平行的第2N+1块光栅和第2N+2光栅组成的第N+1光栅对，第一分束片、第二分束片、…、第N‑1分束片和反射镜。本发明将入射啁啾激光脉冲在压缩器内部分为最多N束压缩的飞秒激光输出，从而避免了最后一块压缩光栅对于压缩脉冲能量的限制，成倍地提升了压缩器压缩输出的激光脉冲能量。

Description

内部分光型光栅压缩器
技术领域
本发明涉及超强超短激光科学技术及应用领域，特别是涉及拍瓦高功率啁啾脉冲放大或光参量啁啾脉冲放大***中压缩终端的啁啾脉冲压缩研究与应用领域，适用于压缩输出激光能量密度高于最末一块压缩光栅的损伤阈值的高峰值功率啁啾脉冲压缩。
背景技术
超强超短激光脉冲为人类提供了前所未有的全新的实验手段和极端的物理条件，在强激光实验室天体物理、强激光电子和质子加速器、核聚变快点火、激光等离子物理等重大前沿科学研究领域有着重要应用。因为这些重要的应用前景，目前国内外都实现获得了拍瓦量级的超强超短激光输出。
目前，高功率超强超短脉冲激光科学技术主要有啁啾脉冲放大技术(chirpedpulse amplification,简称CPA)和光参量啁啾脉冲放大(optical parameter chirpedpulse amplification,简称OPCPA)技术。这两种方法都已经发展比较成熟和广泛使用。两种方法的基本思路是首先利用一个光栅展宽器对入射的飞秒(10-15秒)种子脉冲引入正色散，从而将种子激光脉冲宽度从飞秒量级展宽到纳秒(10-9秒)量级。脉冲展宽后的激光可以在激光介质(比如钛宝石晶体)或者非线性晶体(比如BBO，KDP晶体，OPCPA放大)中进行放大，其中经过激光介质放大对应的是CPA技术，经过非线性晶体放大的对应的是OPCPA技术。最后放大后的激光脉冲再经过由光栅组成的压缩器将激光脉冲宽度从纳秒再压缩回到飞秒，从而实现超强超短激光脉冲输出。在压缩器中，根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ(这里，d为光栅刻线密度，α为入射角，β衍射角，λ为激光波长，m为衍射级次，这里通常为1)，激光经过光栅后，不同波长的激光会被衍射到不同方向，致使不同波长所走光程不同从而引入色散压缩激光脉冲。
在高功率超强超短激光装置中，终端的压缩器都是反射式光栅压缩器，装置结构较为简单，因为光栅可以获得较大的色散量，反射式光栅为了避免元件的损伤。目前，这类大口径光栅压缩器的典型结构光路如图1所示，主要由两组平行的反射光栅对，光栅1和光栅2，光栅3和光栅4组成。其基本工作原理是，放大输出的啁啾激光脉冲首先经过光栅1衍射，然后经过平行光栅1的光栅2再次衍射，变成平行激光，然后再经过光栅3和光栅4衍射压缩得到飞秒激光输出。其中光栅3和光栅4通常为光栅1和光栅2的镜像放置。
然而，随着放大输出的激光脉冲能量越来越大，激光光斑也越来越大，打在光栅上的激光能量密度也越来越高。由于受制于压缩光栅加工工艺，大尺寸光栅加工制作的难度极高，价格也极为昂贵，并有一定的尺寸限制，这就大大限制了更高能量激光的脉冲压缩，从而限制了获得更高峰值功率的超强超短激光脉冲。为解决这一问题，有人提出在放大后将激光直接分束，然后分别进入不同光栅压缩器压缩，最后再进行激光组束的方法获得超强超短激光。但是这种方法，需要多个独立的真空光栅压缩器，成本很高，经过多个独立的真空压缩器后再进行激光组束也非常困难。
由于光栅上镀有金属或者介质反射膜，这些高反膜的损伤阈值随激光脉冲的变窄而降低。最后一块输出光栅上脉冲宽度只有飞秒或皮秒量级，承受的峰值功率很高，非常容易被打坏。根据镀膜的材料和方法的不同，第一块光栅(承受纳秒激光损伤)可能比最后一块光栅(承受飞秒或皮秒激光损伤)的损伤阈值高3倍以上，甚至更高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种内部分光型光栅压缩器，将激光在压缩器内部分为N束激光分别进行压缩。该光栅压缩器突破最后一块光栅损伤阈值对于输出能量的限制，显著提高光栅压缩器输出激光的能量上限。
本发明的技术解决方案如下：
一种内部分光型光栅压缩器，特点在于其构成包括：由相互平行的第一光栅和第二光栅组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅和第四光栅组成的第二光栅对,由相互平行的第五光栅和第六光栅组成的第三光栅对,…,由相互平行的第2N-1块光栅和第2N光栅组成的第N光栅对,由相互平行的第2N+1块光栅和第2N+2光栅组成的第N+1光栅对，第一分束片、第二分束片、…、第N-1分束片和反射镜；其中,N是自然数,N与第一光栅上激光脉冲的损伤阈值A，第四光栅上激光脉冲的损伤阈值B，光栅的衍射效率C有关，N的值为(A/B*C)的整数；
在所述的第一光栅对的输出光方向设置所述的第一分束片，该第一分束片将输入光分为透射光和反射光，在第一分束片的透射光方向是所述的第二光栅对，在第一分束片的反射光方向依次是所述的第二分束片(10)、…、第N-1分束片和反射镜，在所述的第二分束片、…、第N-1分束片和反射镜的反射光方向分别是所述的第三光栅对、…、第N光栅对和第N+1光栅对；
入射的高能量啁啾激光脉冲首先被导入第一光栅对，经第一次压缩后变为平行光，该平行光束被第二光栅之后的第一分束片分为透射光和反射光，所述的透射光经第二光栅对再次进行压缩，所述的第二分束片、…、第N-1分束片和反射镜的反射光，分别注入第三光栅对、…、第N光栅对和第N光栅对再次进行压缩，最后输出N束压缩的飞秒激光。
所述第二块光栅后的第一分束片、第二分束片、…、第N-1分束片，根据需要可以对激光在光栅传播水平面进行分束，也可以在垂直光栅传播的水平面进行分束。
所述的所有光栅为金属膜光栅、介质膜光栅或金属介质混合膜光栅。
所述反射镜可以提供合适延时将不同分束后并压缩的激光进行延时精确同步。
本发明具有如下的显著特点：
1、本发明在压缩器内部将激光分为最多N束，避免了最后一块压缩光栅的破坏。其中，N决定于光在第一光栅损伤阈值A和在第四光栅损伤阈值B，和激光经过第一到第四光栅的压缩衍射效率C，N的值为(A/B*C)的整数，通常大于等于2，具有成倍提升输出激光能量的能力。
2、本发明共用了第一光栅和第二光栅，相比于压缩器前对激光进行分束，节约了使用的光栅数量，从而大大降低了成本。
3、本发明共用了第一光栅和第二光栅，相比于压缩器前对激光分束再压缩，光路更加简单紧凑，装置和真空压缩腔体的尺寸都会减少，成本更低，装置也更加稳定，调节更方便。
4、本发明共用了第一光栅和第二光栅，光路更加简单紧凑，N束激光可以在同一真空压缩腔体中压缩，装置也更加稳定，压缩后的N束激光组束更容易实现。
附图说明
图1为现有典型的啁啾激光脉冲光栅压缩器光路结构示意图
图2为本发明实施例1内部1分为N束光的光栅压缩器的光路结构示意图
图3为本发明实施例2内部1分为2束光的光栅压缩器的优化光路结构示意图
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2为本发明内部1分为N束光的光栅压缩器的光路结构示意图，由图可见，本发明内部分光型光栅压缩器，包括：由相互平行的第一光栅5和第二光栅6组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅8和第四光栅9组成的第二光栅对,由相互平行的第五光栅11和第六光栅12组成的第三光栅对,…,由相互平行的第2N-1光栅和第2N光栅组成的第N光栅对,由相互平行的第2N+1光栅和第2N+2光栅组成的第N+1光栅对，第一分束片7、第二分束片10、…、第N-1分束片和反射镜13；
N为自然数,N与第一光栅5上激光脉冲的损伤阈值A，第四光栅9上激光脉冲的损伤阈值B，光栅的衍射效率C有关，N的值为(A/B*C)的整数；
在所述的第一光栅对的输出光方向设置所述的第一分束片7，该第一分束片7将输入光分为透射光和反射光，在第一分束片7的透射光方向是所述的第二光栅对，在第一分束片7的反射光方向依次是所述的第二分束片10，…,第N-1分束片和反射镜13，在所述的第二分束片10、…、第N-1分束片和反射镜13的反射光方向分别是所述的第三光栅对、…、第N光栅对和第N+1光栅对；
入射的高能量啁啾激光脉冲首先被导入第一光栅对，经第一次压缩后变为平行光，该平行光束被第二光栅6之后的第一分束片7分为透射光和反射光，所述的透射光经第二光栅对再次进行压缩，所述的第二分束片10、…、第N-1分束片和反射镜13的反射光分别注入第三光栅对、…、第N光栅对和第N光栅对再次进行压缩，最后输出N束压缩的飞秒激光。
所述第二块光栅6后的第一分束片7、第二分束片10、…、第N-1分束片，根据需要可以对激光在光栅传播水平面进行分束，也可以在垂直光栅传播的水平面进行分束。
所述的所有光栅为金属膜光栅、介质膜光栅或金属介质混合膜光栅。
图3为本发明实施例2内部1分为2束光的光栅压缩器的优化光路结构示意图。本实施例压缩器主要包括：第一光栅5与第二光栅6组成的第一光栅对，50％分束片7，第三光栅8和第四光栅9组成的第二光栅对，反射镜10，以及第五光栅11与第六光栅12组成的第三光栅对。
入射激光脉冲宽度为4ns，经过第一光栅5压缩后输出为约3ns,再经过第二光栅6被压缩到约2ns，激光也变为平行光束。分束片7将平行光束分成能量相等的两部分，透射一半能量的激光继续入射到第三光栅8上被压缩到约1ns,最后入射到第四光栅9，激光脉冲被压缩到约30飞秒输出作为光束1。从分束片7反射的激光经过反射镜10后注入第五光栅11压缩到约1ns，最后经过第六光栅12压缩输出约30飞秒的激光输出作为光束2。
由于在实施过程中第四光栅9和第六光栅12所承受的激光能量减半，从而避免了高能量激光对于最后压缩光栅：第四光栅9和第六光栅12的损伤，实现能量加倍的超强超短激光输出。

Claims (3)

1.一种内部分光型光栅压缩器，特征在于其构成包括：由相互平行的第一光栅(5)和第二光栅(6)组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅(8)和第四光栅(9)组成的第二光栅对,由相互平行的第五光栅(11)和第六光栅(12)组成的第三光栅对,…,由相互平行的第2N-1光栅和第2N光栅组成的第N光栅对,由相互平行的第2N+1光栅和第2N+2光栅组成的第N+1光栅对，第一分束片(7)、第二分束片(10)、…、第N-1分束片和反射镜(13)；其中,N是自然数,N与第一光栅(5)上激光脉冲的损伤阈值A，第四光栅(9)上激光脉冲的损伤阈值B，光栅的衍射效率C有关，N值为A/B*C的整数；
在所述的第一光栅对的输出光方向设置所述的第一分束片(7)，该第一分束片(7)将输入光分为透射光和反射光，在第一分束片(7)的透射光方向是所述的第二光栅对，在第一分束片(7)的反射光方向依次是所述的第二分束片(10)，…,第N-1分束片和反射镜(13)，在所述的第二分束片(10)、…、第N-1分束片和反射镜(13)的反射光方向分别是所述的第三光栅对、…、第N光栅对和第N+1光栅对；
入射的高能量啁啾激光脉冲首先被导入第一光栅对，经第一次压缩后变为平行光，该平行光束被第二光栅(6)之后的第一分束片(7)分为透射光和反射光，所述的透射光经第二光栅对再次进行压缩，所述的第二分束片(10)、…、第N-1分束片和反射镜(13)的反射光，分别注入第三光栅对、…、第N光栅对和第N光栅对再次进行压缩，最后输出N束压缩的飞秒激光。
2.根据权利要求1所述的内部分光型光栅压缩器，其特征在于，所述第二光栅(6)后的第一分束片(7)、第二分束片(10)、…、第N-1分束片，根据需要对激光在光栅传播水平面进行分束，或者在垂直光栅传播的水平面进行分束。
3.根据权利要求1所述的内部分光型光栅压缩器，其特征在于，所述的所有光栅为金属膜光栅、介质膜光栅或金属介质混合膜光栅。
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