CN109217076B

CN109217076B - 激光器调节方法和相应的装置

Info

Publication number: CN109217076B
Application number: CN201811284097.8A
Authority: CN
Inventors: 朱常青; 王进光; 冯杰; 陈黎明
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN109217076A

Abstract

本发明提供一种激光器调节方法，所述激光器包括振荡器、展宽器、放大器、光栅对压缩器和色散调节部件，所述调节方法包括如下步骤：步骤一：将所述光栅对压缩器输出的飞秒脉冲与超音速气体喷流相互作用产生电子束；步骤二：借由所述色散调节部件调节所述飞秒脉冲的群延迟色散；以及步骤三：根据所述电子束的位置随着所述群延迟色散的变化判断所述光栅对压缩器中的光栅是否平行。本发明的激光器调节不改变原有光路、无需暴露于外界环境、方法简单可靠。

Description

激光器调节方法和相应的装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及激光器调节方法和相应的装置，特别地涉及激光器的压缩器中光栅对的调节方法。

背景技术

自从超强超短脉冲问世以来，强场激光与物质的相互作用极大地促进了人们对于自然界的认识以及多学科的快速发展。理论上来讲，超高的激光能量在极短的脉冲条件下可以产生高达太瓦(10¹²瓦，Tera-Watt，简称TW)量级的极高峰值功率。但是，想要获得极高峰值功率的激光脉冲，首先需要将激光脉冲压缩成超短脉冲。当前，采用脉冲啁啾放大技术(chirped pulse amplification technique，简称CPA)压缩获得的脉冲峰值功率能达到拍瓦(10¹⁵瓦，Peta-Watt，简称PW)量级。

CPA放大***主要包括振荡器、展宽器、放大器和压缩器四部分。超强超短脉冲的产生过程一般如下：振荡器产生的超短脉宽的种子脉冲进入展宽器在时间上被展宽成长脉冲，此时激光脉冲带有时间啁啾。接着脉冲能量在放大器中被进一步放大，放大后的脉冲再经过压缩器进行压缩，最终激光脉冲的宽度将恢复成展宽前的水平。光栅对压缩器是目前超强超短激光***最合适并且使用最广泛的压缩器，其结构如图1所示，包括第一光栅1、第二光栅2和屋脊棱镜3。入射激光脉冲被第一光栅1衍射后到达第二光栅2，然后经过屋脊棱镜3高低折返后从下方入射到第二光栅2上，后经过衍射又从第一光栅1出射，方向与入射光平行，只是高度上存在差异。激光脉冲经过展宽器后，在时域上已经被展宽成带有啁啾的，脉宽为几百皮秒(ps)的光波。进入到压缩器中后，不同频率的光波经过光栅衍射后会由于不同的衍射角而分开，从而产生色散的现象。不同频率的电磁波在空间中会经历不同的光学路径，高频光波在光栅对之间经历的光程短，低频光波经历的光程长，最后光束出射时在空间上汇合。经过光栅对四次衍射后能抵消展宽器给各频率光波带来的光程差，由此能将脉冲压缩至展宽前的脉宽水平。

一般情况下，压缩器和展宽器是共轭关系的，这样激光脉冲才能被压缩成不带啁啾的最短脉冲。但如果这两者不共轭，即压缩器不在将脉冲压缩至最短脉宽的位置上时，那么脉冲就会存在啁啾的现象。而如果压缩器中的光栅对在纵向上不在最佳的位置时，就会存在时间啁啾的现象，而如果光栅对不平行，则会存在角啁啾的现象。无论是时间啁啾还是角啁啾，对超强超短脉冲与物质的相互作用过程都会造成较大的影响。比如，在用超强超短激光与气体靶作用产生高能电子的过程中，电子的品质如发散角、电荷量及指向性等都会受到影响。在实际中，光栅对的纵向位置很好调节，通过测量脉冲的脉宽是否最短就可以来判断，但是判断并调节光栅对空间上是否平行就是一个很高的技术难题。

目前为止有很多用于调节光栅对平行的方法，一般采用激光水平仪和光栅的利特罗角来判断和调整，或者采用平行平板和光阑等元器件来纠正光栅对之间的平行。但是这些方法都回避了一个关键的问题，就是压缩器常年处在高真空环境中，先前的技术都是需要打开压缩器使其暴露在大气环境下，这样对光栅对的洁净度会有一定的影响。而且这些判断和调整的步骤与涉及的光学元件都很多，误差也必然很大，光栅对的平行精度难以得到保证。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种激光器调节方法，所述激光器包括振荡器、展宽器、放大器、光栅对压缩器和色散调节部件，所述调节方法包括如下步骤：

步骤一：将所述光栅对压缩器输出的飞秒脉冲与超音速气体喷流相互作用产生电子束；

步骤二：借由所述色散调节部件调节所述飞秒脉冲的群延迟色散；以及

步骤三：根据所述电子束的位置随着所述群延迟色散的变化判断所述光栅对压缩器中的光栅是否平行。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，在步骤二之前，还包括基于所述电子束的位置初步判断光栅对是否平行的步骤。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，在步骤三中，所述群延迟色散的变化范围为-2000fs²～+2000fs²。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，在步骤三中，当随着所述群延迟色散的变化所述电子束的位置变化小于等于预定阈值时，所述光栅对压缩器中的光栅对平行。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，所述预定阈值为1mrad。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，所述预定阈值为0.5mrad。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，还包括：步骤四：根据所述步骤三的判断结果调节所述光栅对的角度。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，所述色散调节部件为可编程的声光色散滤波器。

根据本发明的激光器调节方法，优选地，可编程的声光色散滤波器设置在所述展宽器内。

本发明还提供了一种激光器调节装置，所述激光器包括振荡器、展宽器、放大器、光栅对压缩器和色散调节部件，所述色散调节部件用于调节所述飞秒脉冲的群延迟色散，所述调节装置包括：

气体靶室，用于产生超音速气体喷流，所述超音速气体喷流与所述光栅对压缩器输出的飞秒脉冲相互作用产生电子束；

电子束监测单元，用于监测所述电子束的位置；和

调节单元，用于根据所述电子束的位置随着所述飞秒脉冲的群延迟色散的变化情况调节所述光栅对压缩器中的光栅对的角度。

根据本发明的激光器调节装置，优选地，所述气体靶室包括：

输气管线，用于输送气体；

电磁阀，用于控制所述气体的输送；

超音速气体喷嘴，用于接收所述气体并喷射超音速气体喷流；以及

离轴抛物面反射镜，用于聚焦并偏转所述飞秒脉冲以使得所述飞秒脉冲与所述超音速气体喷流相互作用产生电子束。

根据本发明的激光器调节装置，优选地，还包括：反馈单元，用于将所述电子束的位置随着所述飞秒脉冲的群延迟色散的变化情况反馈给所述调节单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：不改变原有光路、无需暴露于外界环境、方法简单可靠。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为光栅对压缩器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的用于调节光栅对压缩器中的光栅对平行的装置的示意图；

图3为根据本发明实施例的用于调节压缩器中的光栅对平行的装置的部分简化示意图；

图4示出在不同的角啁啾下改变脉冲的GDD对电子束位置的影响；以及

图5为根据本发明的调节压缩器中光栅对平行的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图2所示的本发明的用于调节激光器的光栅对压缩器中的光栅对平行的装置的示意图，振荡器40、展宽器41和放大器42构成激光***单元4。其中，振荡器40输出的脉宽约15fs、能量为纳焦(nJ)量级的激光种子脉冲经展宽器41展宽成脉宽约几百ps的脉冲并经放大器42将能量放大到几百毫焦(mJ)之后，该输出的激光脉冲进入压缩器5被进一步压缩成几十fs的超短脉冲，压缩器5为光栅对压缩器，其具体内部结构如图1所示，在此不再赘述。在该实施例中，振荡器40、展宽器41、放大器42和压缩器5为Amplitude Technologies公司生产的飞秒激光器的子***。展宽器41中还设置有可编程的声光色散滤波器(Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter，简称AOPDF，图中未示出)。

继续参照图2，压缩器5输出的超短飞秒脉冲进入气体靶室6，在气体靶室6中被聚焦后作用在气体上，产生高能的电子束。压缩器5和气体靶室6都处于真空环境中。电子束监测单元7用于监测气体靶室6输出的电子束。图3示出气体靶室6和电子束监测单元7的结构。气体靶室6包含离轴抛物面反射镜8、超音速气体喷嘴9、电磁阀、驱动电源和输气管道(简化起见，图中未示出电磁阀、驱动电源和输气管道)。气体由气体储存钢瓶导出，通过输气管线，接入处于真空***中的电磁阀，气体喷嘴位于电磁阀上方。电磁阀外接数字延时发生器，当被激光信号触发时能够喷射出超音速气体喷流。压缩器5压缩后的高功率飞秒激光脉冲，经离轴抛物面反射镜8聚焦后作用于超音速气体喷嘴9向上喷出的超音速气体喷流上，相互作用产生高能电子束。电子束监测单元7由铝膜10、磷屏11、镀Ag的反射镜12和可见光光学电荷耦合元件(CCD)13以及铅墙14组成，用于对高能电子束的参数进行监测。高能电子束通过铝膜10过滤掉剩余的激光脉冲后被磷屏11接收，激发出荧光，然后被镀Ag的反射镜12反射，再被可见光CCD 13收集，就可以获得电子束的品质如发散角、位置和电量等信息。铅墙14用来防止产生的电子和X射线入射到可见光CCD内将其损坏。

若压缩器5内的光栅对平行，产生的电子束会在某一位置附近小范围内正常抖动，该位置可看成是电子的中心位置，电子的中心位置是根据经验设置的预定标准位置；若光栅对不平行，电子束会偏离原中心位置，并且在新的位置附近小范围内抖动。电子束偏离原中心位置的大小与光栅对之间不平行的程度有关，光栅对不平行的角度越大，电子束偏离的角度也越大。据此，就可以初步判断光栅对不平行的程度。

另外，本发明人还通过实验发现，借由展宽器41中设置的AOPDF调节飞秒脉冲的群延迟色散(Group delay dispersion，简称GDD)大小可以改变电子束的位置，电子束位置与GDD之间形成的负反馈调节机制能够精确地反应压缩器5中的光栅对是否平行并最终帮助调节光栅对平行，从而消除激光器的角啁啾。GDD是指群延迟相对频率的变化特性，或者是光谱相位对频率变化的二阶导数。AOPDF则是利用不同波长、不同模式的激光脉冲在介质中传播速度的不同而产生所需的群速度延迟，从而改变各光谱的相位。具体来说是利用AOPDF中的声光双折射晶体TeO₂的反常声光效应。通过给晶体施加一声波，并引起介质密度发生疏密交替的变化，入射光经声光作用会发生衍射现象，其偏振态会发生改变。根据动量匹配原则，不同频率的光波与不同频率的声波在不同位置耦合，通过模式转换，它们通过晶体的时间也会不同，从而达到了控制光波相位的目的。光栅对不平行的程度用角啁啾来表示。图4示出在不同的角啁啾下改变脉冲的GDD对电子束位置的影响，其中的横轴表示GDD的大小，纵轴表示电子束相对于中心的位置偏移量，四条线分别表示角啁啾在2.96μrad/nm、0.74μrad/nm、0.00μrad/nm和-5.92μrad/nm时电子随GDD变化时位置的偏移量(角偏移量)。可以看出，电子束位置的偏移量与脉冲的GDD大小密切相关。若脉冲引入GDD，当角啁啾为0.00μrad/nm时，电子束的位置偏移量小于预定阈值，例如≤1mrad，优选≤0.5mrad，几乎可以忽略；当角啁啾为0.74μrad/nm时，电子束的位置偏移量与GDD有关，GDD为正则往负方向偏，GDD为负则往正方向偏；当角啁啾为2.96μrad/nm时，电子束始终往正方向偏；当角啁啾为-5.92μrad/nm时，电子束则一直往负方向偏，并且偏转角度很大，效果非常明显。也就是说，通过观察电子束的位置随GDD的变化情况，就可以判断角啁啾的情况，即光栅对平行的情况。当随着GDD的变化电子束的位置偏移量小于预定阈值时，对应的角啁啾为零，即压缩器中的光栅对平行。据此，就能够精确的判断激光器中压缩器的光栅对是否平行并根据该结果进一步调节激光器直到角啁啾为零。

本发明的精确调节激光器中压缩器的光栅对平行从而精确调节激光器的角啁啾的方法如下，具体参见图5所示的根据本发明的调节压缩器中光栅对平行的方法的流程图，根据该方法，可以精确地激光器直到角啁啾为零：

步骤一：将压缩器5压缩后的飞秒脉冲与气体靶室6提供的气体喷流作用产生能量高达百兆电子伏特的高能电子束。

步骤二：采用可见光CCD 13监测并记录高能电子束的位置信息。

步骤三：基于电子束的位置信息初步判断压缩器5中的光栅对是否平行。

步骤四：通过可编程的声光色散滤波器(AOPDF)改变飞秒脉冲的GDD，观察电子束的位置随GDD的变化，根据电子束的位置随GDD的变化关系判断压缩器中的光栅对是否平行。具体操作如下：

首先，通过连接至AOPDF的计算机改变AOPDF的GDD参数大小，使其变化范围在±2000fs²之间，如果在GDD的变化过程中电子束的位置前后变化很大，超过0.5mrad，就调节旋转器以矫正光栅的角度到一个新的位置。

然后，再次改变GDD的大小，如果在GDD的变化过程中电子束的位置变化依然超过0.5mrad，继续调节旋转器矫正光栅的角度。如果在GDD的变化过程中电子束的位置变化不明显(小于等于0.5mrad)，说明脉冲的角啁啾为零，光栅对已经基本平行。

本发明是在初步判断光栅对不平行的情况下引入GDD，调节GDD的大小来并观察电子束的位置随GDD变化的变化情况，进而判断光栅对的平行程度，并对其进行矫正。如果不引入GDD，我们无法就此判断出光栅对中角啁啾的大小，角啁啾何时为零我们就无法进行预判。在实际操作过程中，可以将直接观察电子束位置初步判断是否平行的步骤三省略，直接引入GDD并观察电子束的位置随GDD的变化来判断光栅对是否平行并反馈调节光栅对直到其平行。

该方法不改变原有的光路，只需要引入脉冲的GDD并通过计算机改变GDD数值大小就可来判断并且矫正光栅对的平行，方法简单可靠易行。由于电子束的位置对GDD的变化非常敏感，这对于调整光栅对的平行具有很高的灵敏度。

根据本发明的其他实施例，通过本领域公知的其他色散调节部件来改变飞秒脉冲的群延迟色散。

在本发明中，利用自动控制旋转器调节光栅对的角度，借由反馈单元将可见光CCD监测的电子束位置数据反馈给自动控制旋转器的控制单元，继而自动控制并调节光栅对的角度。

根据本发明的其他实施例，电子束的位置偏移量的预定阈值随实际情况变化。电子束的位置偏移量的预定阈值与激光脉冲的抖动、超音速气体的密度和超音速气体喷嘴的位置等有关。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims

1.一种激光器调节方法，所述激光器包括振荡器、展宽器、放大器、光栅对压缩器和色散调节部件，所述调节方法包括如下步骤：

步骤二：借由所述色散调节部件调节所述飞秒脉冲的群延迟色散；

步骤三：根据随着所述群延迟色散的变化所述电子束的位置变化与预定阈值的比较判断所述光栅对压缩器中的光栅对是否平行；以及

步骤四：根据所述步骤三的判断结果调节所述光栅对的角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤二之前，还包括基于所述电子束的位置初步判断光栅对是否平行的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤三中，所述群延迟色散的变化范围为-2000fs²～+2000fs²。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤三中，当随着所述群延迟色散的变化所述电子束的位置变化小于等于所述预定阈值时，所述光栅对压缩器中的光栅对平行。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定阈值为1mrad。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定阈值为0.5mrad。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述色散调节部件为可编程的声光色散滤波器。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，可编程的声光色散滤波器设置在所述展宽器内。

9.一种激光器调节装置，所述激光器包括振荡器、展宽器、放大器、光栅对压缩器和色散调节部件，所述色散调节部件用于调节所述光栅对压缩器输出的飞秒脉冲的群延迟色散，所述调节装置包括：

电子束监测单元，用于监测所述电子束的位置；和

调节单元，用于根据随着所述飞秒脉冲的群延迟色散的变化所述电子束的位置变化与预定阈值的比较调节所述光栅对压缩器中的光栅对的角度。