CN113644528A - 一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置和方法 - Google Patents

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冷雨欣
张宗昕
杨晓骏
钱佳毅
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Abstract

本发明公开了一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置和方法，该装置主要包括光栅压缩器、分束***、延迟***、终端压缩***。放大的纳秒激光先经光栅压缩器压缩至皮秒量级，然后经分束***分束为多路皮秒激光，多路皮秒激光经延迟***后注入到终端压缩***进行分路压缩，输出多路高峰值功率飞秒激光。本发明将激光的压缩分为两个阶段，并且在中间过程完成多路分束，大大降低了现有技术难度，节约成本，具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。

Description

一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置和方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光的压缩和分束，尤其是一种高峰值功率(拍瓦及以上)飞秒激光的压缩和分束，主要包括光栅压缩器、分束片和啁啾镜压缩器。所述的拍瓦级激光是指激光峰值功率达到1015W以上。
背景技术
啁啾脉冲放大及光参量啁啾脉冲放大技术的发明，使超强超短激光得到了迅速发展，其峰值功率已达到了拍瓦乃至10拍瓦量级，激光时域宽度也已经实现了数十飞秒量级，相应的激光聚焦峰值强度达到了1022W/cm2。如此高的激光聚焦峰值强度可为众多学科研究创造前所未有的实验手段和极端物理条件，从而推动一系列强场激光物理及相关前沿研究的发展。
在一些前沿激光物理研究中，有时需要多路高峰值功率飞秒激光对靶进行相互作用，且各路激光之间要保证一定的延迟。为了满足这个要求，通常选择将高峰值功率飞秒激光进行多路分束。目前常用的方法有两种。第一种方法是先用分束片对放大的纳秒激光进行分束，然后再用多路光栅压缩器将分束后的纳秒激光分别压缩至飞秒，该方法需要多路光栅压缩器，成本很高；第二种方法是先用光栅压缩器将放大的纳秒激光直接压缩至飞秒，然后再用分束片对飞秒激光进行分束，虽然该方法只需要一个光栅压缩器，但对分束片的损伤阈值提出了很高的要求，现阶段分束片的制造工艺还不足以支撑高峰值功率飞秒激光。因此，对于高峰值功率飞秒激光，急需探索和发展一种新型的多路分束方法。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有飞秒激光分束方法的局限性，提供一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置和方法。本发明通过将激光的压缩分为两个阶段，并且在中间过程完成多路分束，大大降低了现有技术难度，节约成本，具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置，包括：光栅压缩器、分束***、延迟***、终端压缩***。放大的纳秒激光先经所述的光栅压缩器压缩，输出皮秒激光，皮秒激光再经所述的分束***分束，变成多路皮秒激光，多路皮秒激光经所述的延迟***后注入到所述的终端压缩***进行分路压缩，最后输出多路高峰值功率飞秒激光。
所述的光栅压缩器是由四块宽带介质膜或金属介质膜光栅构成，用于将放大的纳秒激光压缩至皮秒量级。介质膜和金属介质膜光栅的损伤阈值会随着激光脉宽的增加而显著提升，对于皮秒脉冲，这两种光栅具有非常高的损伤阈值，因此可以大大降低所需光栅的尺寸。
所述的分束***置于所述的光栅压缩器之后，对皮秒激光进行多路分束，这大大降低了分束片损伤阈值的要求。
所述的分束***由多个分束片和一个反射镜组成，分束片的数量和各自的能量分束比可根据所需的激光路数及每一路的激光能量需求进行调节。
所述的延迟***置于所述的分束***和所述的终端压缩***之间，由于此处是皮秒光，这大大降低了延迟线中反射镜损伤阈值的要求。
所述的延迟***由多路延迟线组成，每一路延迟线由四块反射镜和一个线性平移台构成。
所述的终端压缩***由多路啁啾镜对构成的啁啾镜压缩器组成，且每路啁啾镜压缩器中啁啾镜对的数量和色散量可根据每一路激光的脉宽需求进行调节。
本发明解决上述技术问题所采用的又一技术方案为：
一种高峰值功率飞秒激光的多路分束方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
①利用光栅压缩器将放大的纳秒激光压缩至皮秒量级；
②根据所需的激光路数N，利用N-1块分束片和1块反射镜将皮秒激光分束；每块分束片的能量分束比根据每一路激光的能量要求进行设计；
③分束后的皮秒激光经过延迟***后注入到终端压缩***进行分路压缩，输出多路高峰值功率飞秒激光；终端压缩***中每一路啁啾镜压缩器的啁啾镜对数量和色散量根据每一路激光的脉宽要求进行设计；
④根据输出高峰值功率飞秒激光之间的延迟要求，优化延迟***中的每一路延迟线，完成各路激光之间的延时控制。
与先技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.本发明只采用一个光栅压缩器，可以大大节约成本；
2.本发明中的光栅压缩器只将放大的纳秒激光压缩到皮秒量级，大大地降低了光栅的损伤阈值和尺寸要求；
3.本发明是在级联压缩的中间过程进行分束，从而将飞秒域激光分束的瓶颈问题分解到了皮秒域的激光分束，大大降低了分束片的损伤阈值要求。
附图说明
图1是本发明一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置的结构示意图。
图2是本发明一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置的结构示意图，包括光栅压缩器1、分束***6、延迟***8、终端压缩***14。放大的纳秒激光先经光栅压缩器1压缩至皮秒量级，然后经分束***6分束为多路皮秒激光，多路皮秒激光经延迟***8后注入到终端压缩***14进行分路压缩，最终输出多路高峰值功率飞秒激光。
利用上述装置进行高峰值功率飞秒激光多路分束，该方法包括下列步骤：
①利用光栅压缩器1将放大的纳秒激光压缩至皮秒量级；
②根据所需的激光路数N，利用N-1块分束片7、23、…、37和1块反射镜49将皮秒激光分束；每块分束片的能量分束比根据每一路激光的能量要求进行设计；
③分束后的皮秒激光经过延迟***8后注入到终端压缩***14进行分路压缩，输出多路高峰值功率飞秒激光；终端压缩***中每一路啁啾镜压缩器18、32、…、44、56的啁啾镜对数量和色散量根据每一路激光的脉宽要求进行设计；
④根据输出高峰值功率飞秒激光之间的延迟要求，优化延迟***8中的每一路延迟线9、24、…、38、50，完成各路激光之间的延时控制。
实施例
图2是本发明一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置实施例的结构示意图，为4路分束装置，包括光栅压缩器1、分束***6、延迟***8、终端压缩***14。所述的光栅压缩器1包括第一光栅2、第二光栅3、第三光栅4、第四光栅5；所述的分束***6包括第一分束片7、第二分束片23、第三分束片37、反射镜49；所述的延迟***8包括第一延迟线9、第二延迟线24、第三延迟线38、第四延迟线50；所述的终端压缩***14包括第一啁啾镜压缩器18、第二啁啾镜压缩器32、第三啁啾镜压缩器44、第四啁啾镜压缩器56。
所述的第一延迟线9由反射镜10、11、12、13和一个线性平移台构成；所述的第二延迟线24由反射镜25、26、27、28和1个线性平移台构成；所述的第三延迟线38由反射镜39、40、41、42和1个线性平移台构成；所述的第四延迟线50由反射镜51、52、53、54和1个线性平移台构成。
所述的第一啁啾镜压缩器18由啁啾镜对19、20、21构成；所述的第二啁啾镜压缩器32由啁啾镜对33、34、35构成；所述的第三啁啾镜压缩器44由啁啾镜对45、46、47构成；所述的第四啁啾镜压缩器56由啁啾镜对57、58、59构成。
放大的纳秒激光先经光栅压缩器1压缩，输出皮秒激光，然后经第一分束片7分为两路，第一路透射光经第一延迟线9后被反射镜15、16、17依次反射，然后注入到第一啁啾镜压缩器18进行压缩，最后由反射镜22反射输出，作为第一路高峰值功率飞秒激光；
第一分束片7的反射光经第二分束片23再分为两路，其反射光经第二延迟线24后被反射镜29、30、31依次反射，然后注入到第二啁啾镜压缩器32进行压缩，最后由反射镜36反射输出，作为第二路高峰值功率飞秒激光；
第二分束片23的透射光再经第三分束片37分为两路，其反射光经第三延迟线38后被反射镜43反射注入到第三啁啾镜压缩器44进行压缩，最后由反射镜48反射输出，作为第三路高峰值功率飞秒激光；
第三分束片37的透射光经反射镜49反射进入第四延迟线50，然后被反射镜55反射注入到第四啁啾镜压缩器56进行压缩，最后由反射镜60反射输出，作为第四路高峰值功率飞秒激光；
最后，根据四路高峰值功率飞秒激光之间的延迟要求，分别调节延迟***8中的延迟线9、24、38、50，完成各路激光之间的延时控制。
此外，还可以根据每一路激光脉宽的具体要求，对每一路啁啾镜压缩器18、32、44、56中啁啾镜对的数量和色散量进行调节，实现多路不同脉宽的激光输出。

Claims (4)

1.一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置，其特征在于，该装置包括：光栅压缩器(1)、分束***(6)、延迟***(8)和终端压缩***(14)；
所述的光栅压缩器(1)，对入射纳秒激光进行压缩，输出皮秒激光；
所述的分束***(6)，对入射皮秒激光进行分束，输出多路皮秒激光；
所述的延迟***(8)，对各路入射皮秒激光进行延时控制；
所述的终端压缩***(14)，对各路入射皮秒激光进行分路压缩，最终输出多路高峰值功率飞秒激光。
2.权利要求1所述的一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置，其特征在于，所述的分束***(6)由N-1个分束片(7、23、…、37)和一个反射镜(49)组成，分束片的数量和各自的能量分束比可根据所需的激光路数N和每一路激光的能量要求进行调节。
3.权利要求1所述的一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置，其特征在于，所述的终端压缩***(14)由N路啁啾镜压缩器(18、32、…、44、56)组成，且每路啁啾镜压缩器中啁啾镜对的数量和色散量可根据每一路激光的脉宽要求进行调节。
4.利用权利要求1所述的一种高峰值功率飞秒激光的多路分束装置进行高峰值功率飞秒激光多路分束的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
①利用光栅压缩器(1)将放大的纳秒激光压缩至皮秒量级；
②根据所需的激光路数N，利用N-1块分束片(7、23、…、37)和1块反射镜(49)将皮秒激光分束；每块分束片的能量分束比根据每一路激光的能量要求进行设计；
③分束后的皮秒激光经过延迟***(8)后注入到终端压缩***(14)进行分路压缩，输出多路高峰值功率飞秒激光；终端压缩***中每一路啁啾镜压缩器(18、32、…、44、56)的啁啾镜对数量和色散量根据每一路激光的脉宽要求进行设计；
④根据输出高峰值功率飞秒激光之间的延迟要求，优化延迟***(8)中的每一路延迟线(9、24、…、38、50)，完成各路激光之间的延时控制。
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