CN1299405C - 啁啾脉冲展宽器 - Google Patents
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Abstract
一种啁啾脉冲展宽器，它包括一个由球形凹面反射镜、光栅和平面反射镜组成的全反射脉冲展宽器，一个由平凹透镜、双凸透镜和双凹透镜组成的色散微调器，一个二维手动平移台和一个平移粗调三维台。其中平面反射镜放置在球形凹面反射镜的焦平面上，光栅放置在共焦腔中，色散微调器中平凹透镜和双凸透镜组成的组合透镜与双凹透镜虚共焦，并在色散微调器的输出端设置一个平面反射镜。本发明可以实现啁啾脉冲三阶色散和四阶色散的完全补偿，获得与种子脉宽相近的高质量放大激光脉冲，提高了脉冲的强度对比度和聚焦强度，同时将展宽因子提高一倍。
Description
技术领域
本发明与啁啾脉冲有关，特别是一种关于超短超强高功率激光***中所用的啁啾脉冲展宽器，主要适用于改善超短脉冲的光束质量，进一步提高超短(10-15～10-12秒)超强(1012～1015瓦)激光的输出功率和输出能量。
技术背景
在超短超强激光***中，当激光强度达到GW/cm2时，激光介质的非线性折射率将起到显著作用。非线性导致激光***发生全光束口径自聚焦和小口径自聚焦，并最终破坏激光介质，从而阻碍了激光峰值功率的进一步提高。所以超短超强激光的产生，必须做到有效的从激光放大介质中抽取能量，从而获得高效放大，同时又必须克服在放大过程中极高峰值功率给放大器带来的损伤和各种可能的非线性效应，包括自聚焦和强度自相位调制，啁啾脉冲放大技术已经成为解决这一问题的典型方法。它首先利用展宽器给飞秒级或亚皮秒级的激光脉冲引入频率啁啾，使它在时域内展宽，然后将展宽后的脉冲注入高增益的预放大器，当脉冲能量达到毫焦耳量级时，再通过主放大器将能量提高到设计的水平，最后将放大后的脉冲压缩到尽可能接近初始脉宽，从而获得超高功率超高强度激光脉冲输出。
所以，超短超强激光的产生一般都经历超短脉冲展宽、脉冲放大和最后的脉冲压缩三个阶段。在脉冲的压缩阶段普遍采用Treacy(详见Edmond B.Treacy，Optical Pulse Compression With DiffractionGratings，IEEE.Vol.QE-5.No.9)发明的平行光栅对脉冲压缩器，这种压缩器利用了光栅大的角色散作用，提供了大的脉冲压缩比，并且可以通过调节光栅对之间的垂直距离和脉冲的入射角来改变二阶色散和三阶色散的大小。为了使展宽器在脉冲展宽阶段对啁啾脉冲施加的各阶色散能够与Treacy脉冲压缩器在压缩阶段对啁啾脉冲施加的各阶色散完全匹配，即使啁啾脉冲经过展宽和压缩后的净色散量为零，科学家Martinez在平行光栅对压缩器的基础上发明了双透镜双光栅展宽器(详见OscarEduardo Martinez，3000 Times Grating Compressor with PositiveGroup Velocity Dispersion：Applicationto Fiber Compensation in1.3-1.6μm Region，IEEE.Vol.QE-23)，这种展宽器使第一个光栅分别经过第一个和第二个透镜两次成像后，第一个光栅的像与第二个光栅平行，形成一个类似于平行光栅对压缩器的结构，不同的是光栅像与第二个光栅之间的垂直距离是负值，正好与光栅对压缩器中的正距离相反，所以能够做到与光栅对压缩器的完全匹配。在此基础上科学家又提出了四阶零色散的Offner展宽器和单透镜单光栅展宽器等几种新的展宽器，这些展宽器都是Martinez展宽器的改进型。在不考虑激光放大介质和其它光学元件引入的三阶和四阶色散等高阶色散的情况下，展宽和压缩后的脉冲能够做到零色散；事实上，激光放大介质和其它光学元件引入的三阶和四阶色散等高阶色散严重影响最后输出脉冲的强度对比度和聚焦强度。所以，所有先前的展宽器，即使能实现与Treacy脉冲压缩器各阶色散的完全匹配，它们也无法消除激光放大介质和其它光学元件引入的三阶和四阶色散等高阶色散，即不能真正做到输出脉冲零色散。这些残留的高阶色散降低了展宽压缩后输出脉冲的强度对比度和聚焦强度，其强度对比度一般在102～105，这样的对比度限制了超短超强激光在强度对比度要求大于106的等离子体实验中的使用。
这些脉冲展宽器的最大优点是脉冲展宽比大，能较好的实现各阶色散与光栅对压缩器各阶色散的匹配，但这些脉冲展宽器也有很多缺点：
1、这些脉冲展宽器在与光栅对脉冲压缩器配套使用组成展宽压缩***时，它们不能将激光放大介质和其它光学元件对啁啾脉冲施加的三阶和四阶色散彻底的补偿干净，在压缩后的脉冲中仍会有残留的未能补偿的三阶和四阶色散。这样，经过展宽、放大和压缩后的脉冲的强度对比度较低，一般在102～105之间，严重影响实验结果，限制了超短脉冲在强度对比度要求大于106的等离子体实验中的使用。
2、由于脉冲展宽器对脉冲施加的各阶色散相互影响，也就是说在调节展宽器对脉冲施加的二阶色散的同时，也改变了三阶和四阶等高阶色散；在改变展宽器对脉冲施加的三阶色散时，也会影响二阶和四阶等高阶色散。这样，无法实现在不影响其它色散的前提下独立地调节各阶色散，从而达到三阶和四阶色散的完全补偿。
3、由于脉冲在展宽器中只经历一次补偿，以及光栅和其他光学元件尺寸的有限大小，只有部分波长成分能够被展宽器完全捕获，光栅大的色散导致部分波长成分逃逸出展宽器，这意味着脉冲能量的损失和光谱的不完整，同时将使最终脉冲有一定展宽(～15％)。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述脉冲展宽器的缺点，提供一种啁啾脉冲展宽器。这种啁啾脉冲展宽器既可以独立地调节三阶和四阶色散的大小，而且在与经典平行光栅对脉冲压缩器配套组成展宽压缩***的情况下，还可以实现三阶和四阶色散的完全补偿，同时还不会产生明显的能量损失和波形畸变。
本发明的技术解决方案如下：
一种啁啾脉冲展宽器，包括全反射脉冲展宽器、色散微调器、全反射镜，其特征在于还有平移粗调三维台和二维手动平移台，所述的全反射脉冲展宽器依次由球形凹面反射镜、光栅和平面反射镜构成，所述的球形凹面反射镜和平面反射镜的旋转轴在同一直线上，该平面反射镜放置在球形凹面反射镜的焦平面上；光栅放置在平移粗调三维台上，该平移粗调三维台具有围绕垂直于自身的旋转轴360度的旋转调节机构和沿水平方向的平移调节机构；
该色散微调器依次由平凹透镜、双凸透镜和双凹透镜组成；平凹透镜和双凹透镜的旋转轴在同一直线上，其中双凸透镜放置在二维手动平移台上，该二维手动平移台具有沿垂直于自身的高度调节机构和垂直于旋转轴的平移机构，但它的旋转轴仍与色散微调器的旋转轴严格平行，平凹透镜和双凸透镜组成的组合透镜与双凹透镜虚共焦，且平凹透镜和双凹透镜的位置固定不变；所有透镜镀有工作波长的介质增透膜；所述的双凸透镜具有在衍射面内相对平移调整机构和在望远镜***旋转轴上的相对距离的调整机构；
所述的全反射镜是相对于工作波长的镀介质全反膜的反射镜，该全反射镜的反射平面垂直于入射光束，该展宽器的出射光束垂直于所述的色散微调器的平凹透镜的平面。
所述的球形凹面反射镜的曲率半径为200～250cm，它与平面镜组成一个共焦腔。
所述的光栅的密度可选范围为1400-2000线/mm。
所述的平凹透镜厚度为1.0～1.3cm，曲率半径为29.0～30.2cm，透镜材料为ZF10玻璃；双凸透镜第一曲率半径为31.8～32.6cm，第二曲率半径为41.2～42.4cm，透镜材料为ZBaF1玻璃；双凹透镜两面曲率半径均为72～80cm，透镜材料为ZF10玻璃。
所述的全反射镜与色散微调器中双凹透镜的距离为6～8cm。
所述的平移粗调三维台可以围绕垂直于自身的旋转轴360度旋转，在水平方向移动范围为0～20cm；二维手动平移台在垂直于自身高度方向和自身旋转轴移动的距离分别为0～3cm和0～2cm。
本发明的优点：
1、与传统的啁啾脉冲展宽器相比，本新型啁啾脉冲展宽器在与经典平行光栅对脉冲压缩器配套组成展宽压缩***的情况下，能够实现三阶和四阶色散完全匹配，也就是说，可以使展宽器，激光放大介质和其他光学元件和压缩器对脉冲施加的二阶、三阶和四阶的各阶色散分别为零。传统Martinez啁啾脉冲展宽器没有色散微调器，而是通过改变光栅与透镜距离和调节脉冲的在光栅上的入射角来粗调二阶和三阶等高阶色散；但是，由于展宽器对脉冲施加的高阶色散相互影响，也就是说，在调节光栅与透镜的距离来改变二阶色散的同时，也改变了三阶和四阶等高阶色散，在改变脉冲在光栅上的入射角来改变三阶色散时也会影响二阶和四阶等高阶色散，于是很难独立的控制各阶色散量的大小。本啁啾脉冲展宽器在保留类似于传统啁啾脉冲展宽器调节二阶和三阶色散量大小方法的同时，利用组合透镜消色差的原理进一步的对三阶和四阶色散独立进行细调。在这里，组合透镜中的平凹透镜和双凸透镜在衍射面内反方向相对平移，从而改变组合透镜的色差色散和与波长有关的三阶相位，这样可以独立的控制和补偿三阶色散，而不会影响其它各阶色散；通过改变组合透镜中平凹透镜和双凸透镜在望远镜***旋转轴上的相对距离，从而改变组合透镜的球差色散和与波长有关的四阶相位，这样可以独立的控制和补偿四阶色散，而不会影响其它各阶色散，这样三阶和四阶色散能够同时被独立进行细调，从而实现三阶和四阶色散的完全补偿。
2、本啁啾脉冲展宽器调节灵活方便。传统的脉冲展宽器通过改变光栅与透镜的距离和调节脉冲在光栅上的入射角来调节二阶和三阶等高阶色散；但是，这些展宽器对脉冲施加的各阶色散相互影响，通过调整光栅与透镜间距离和调节脉冲在光栅上的入射角来补偿三阶和四阶色散的难度极大，无法将三阶和四阶色散完全补偿掉。由于这种脉冲展宽器能通过改变组合透镜中平凹透镜和双凸透镜在衍射面上的相对位置和在望远镜***旋转轴上的相对距离来补偿三阶和四阶色散，可以独立的控制三阶和四阶色散，调节简单灵活，不受其它因素影响。
3、经过该脉冲展宽器展宽的光脉冲强度对比度和聚焦强度高。传统的脉冲展宽器末端没有全反射镜，脉冲在展宽器中只经过一次，且由于光栅和其它光学元件的尺寸有限，只有部分波长能被展宽***完全捕获，色散导致其它部分波长从展宽器中逃逸掉，这意味着脉冲能量的损失和光谱的不完整，同时将使脉冲有一定展宽(～15％)。所以传统的脉冲展宽器会使最终展宽压缩还原后的输出脉冲产生显著畸变，脉冲聚焦强度和对比度降低。本发明脉冲展宽器通过在末端放置镀介质膜的全反射镜，使光脉冲在展宽器中经过两次，从而有效的克服一次通过所带来的光谱剪切和能量丢失，同时由于三阶和四阶色散能被独立的控制，展宽、放大和压缩后的脉冲能够实现三阶和四阶色散的完全补偿。
这样，输出脉冲的聚焦强度和对比度就大大提高了，其强度对比度在106～108之间，经过该展宽器展宽后的脉冲被脉冲压缩器压缩还原后的最终输出脉冲的展宽低于～5％。
4、该脉冲展宽器的展宽比大。在传统的脉冲展宽器中，脉冲只在展宽器中经过一次，展宽比小。本发明脉冲展宽器通过全反射镜使光脉冲在展宽器中经过两次，从而使展宽比提高一倍。
5、色散微调器的另一个透镜采用双凹透镜，这样使组合透镜和双凹透镜在虚焦点共焦，可以避免组合透镜和双凸透镜在实焦点处共焦时，由于光脉冲聚焦强度极大而导致空气电离等破坏性作用。
附图说明：
图1为已有的Martinez脉冲展宽器的结构示意图
图2为已有的Martinez脉冲展宽器的原理图
图3为已有的Offner脉冲展宽器的结构示意图
图4为已有的经典Treacy平行光栅对脉冲压缩器的结构示意图
图5为本发明啁啾脉冲展宽器的结构示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图5，图5为本发明脉冲展宽器实施例的结构示意图，由图可见，本发明超短脉冲展宽器，包括全反射脉冲展宽器1、色散微调器2、全反射镜3、平移粗调三维台4和二维手动平移台5，所述的全反射脉冲展宽器1依次由球形凹面反射镜11、光栅12和平面反射镜13构成，所述的球形凹面反射镜11和平面反射镜13的旋转轴在同一直线上，其中平面反射镜13放置在球形凹面反射镜11的焦平面上；光栅12放置在平移粗调三维台4上，该平移粗调三维台4具有围绕垂直于自身的旋转轴360度的旋转调节机构和沿水平方向的平移调节机构；
该色散微调器2依次由平凹透镜21、双凸透镜22和双凹透镜23组成；平凹透镜21、双凹透镜23的旋转轴在同一直线上，该双凸透镜22放置在二维手动平移台5上，该二维手动平移台5具有沿垂直于自身的高度调节机构和垂直于自身旋转轴的平移机构，但它的旋转轴仍与色散微调器2的旋转轴严格平行，平凹透镜21和双凸透镜22组成的组合透镜与双凹透镜23虚共焦，且平凹透镜21和双凹透镜23的位置固定不变；所有透镜镀有工作波长的介质增透膜；通过升降(即z轴方向)二维手动平移台5的高度可以使双凸透镜22的旋转轴在0～2cm的范围内偏离望远镜***的旋转轴，也就是说，使双凸透镜22在衍射面内与平凹透镜23的相对位置发生平移，但双凸透镜22的旋转轴仍与望远镜***的旋转轴严格平行，通过调节二维手动平移台5在望远镜***旋转轴上的行程(即x轴方向)可以使双凸透镜22做0～3cm的轴上平移。
所述的全反射镜3是相对于工作波长的镀介质全反膜的反射镜，该全反射镜3的反射平面垂直于入射光束，该展宽器的出射光束垂直于所述的色散微调器2的平凹透镜21的平面。
所述的球形凹面反射镜11的曲率半径为200～250cm，它与平面镜13组成一个共焦腔。
所述的光栅12的槽密度优化选为1800线/mm，并放置在平移粗调三维台4上，通过调节平移粗调三维台4，该光栅12可以围绕z轴旋转360度，同时通过调节平移粗调三维台4在球形凹面反射镜和平面反射镜公共旋转轴上的行程，可以使光栅(12)做0～20cm的轴上平移。
所述的平凹透镜21厚度为1.0～1.3cm，曲率半径为29.0～30.2cm，透镜材料为ZF10玻璃；双凸透镜22第一曲率半径为31.8～32.6cm，第二曲率半径为41.2～42.4cm，透镜材料为ZBaF1玻璃；双凹透镜23两面曲率半径均为72～80cm，透镜材料为ZF10玻璃。
所述的全反射镜3与色散微调器2中双凹透镜22的距离为6～8cm。
所述的平移粗调三维台4可以围绕旋转轴360度旋转，在水平方向移动范围为0～20cm；二维手动平移台5在垂直于自身高度和自身旋转轴方向可以移动的距离分别为0～3cm和0～2cm。
全反射镜3与色散微调***2的旋转轴垂直，从色散微调***2双凹透镜23出射的光束垂直入射到全反射镜3上，经全反射镜3的反射，入射光沿原路返回，反射镜3与双凹透镜23的距离为5～8cm。
与传统的脉冲展宽器相比，本发明脉冲展宽器具有以下不同点：
1、在该脉冲展宽器中设置三阶和四阶色散可调的色散微调器，且色散微调器中的一个透镜采用组合透镜，利用组合透镜消色差的原理进一步的将激光放大介质和其它光学元件引入的三阶和四阶色散独立彻底的补偿掉。在这里，通过调节二维手动平移台的高度，使组合透镜中的双凸透镜相对于固定的平凹透镜在衍射面内做相对平移，从而改变组合透镜的色差色散和与波长有关的三阶相位，这样可以独立的控制和补偿三阶色散，而不会影响其它各阶色散；通过改变组合透镜中双凸透镜在望远镜***旋转轴上与平凹透镜的相对距离，从而改变组合透镜的球差色散和与波长有关的四阶相位，这样可以独立的控制和补偿四阶色散，而不会影响其它各阶色散，这样各阶色散能够同时被对立彻底的补偿掉。
2、色散微调器的另一个透镜采用双凹透镜，这样使组合透镜和双凹透镜在虚焦点公焦，可以避免组合透镜和双凸透镜在实焦点处共焦时，由于光脉冲聚焦强度极大而导致空气电离等破坏性作用。
3、本脉冲压展宽通过全反射镜使光脉冲在展宽器中经过两次，从而使展宽比提高一倍，这样，在同样的展宽要求下，可以将球形凹面镜的曲率半径减小一半，使整个展宽变得更紧凑。
本发明具体的工作过程是：
待展宽啁啾脉冲入射到展宽器中的衍射光栅12上，啁啾脉冲中的不同波长成分在衍射光栅12的衍射面上展开，一级衍射到球形凹面镜11上，在垂直方向(Z轴方向)错开光栅12入射到平面镜13上，经平面镜13反射后，光束又跨过光栅12返回球面镜，再入射到光栅12上，从光栅12上输出的光束垂直入射到色散微调器2，经过组合透镜聚焦后，不同波长成分的光在双凹透镜22的右焦点上聚焦，最后不同波长成分的光从色散微调器2出射，且出射光与色散微调器2的旋转轴平行。最后，经过色散微调器2的光脉冲垂直入射到反射镜3上，经过反射镜3的全反射后，所有的光都沿原路返回，接着第二次经过色散微调器2和全反射脉冲展宽器，最后使空间尺度几乎无色散的光束偏出展宽器，到此完成整个脉冲展宽过程，实现了光脉冲的两次展宽。为了将啁啾脉冲中的二阶、三阶和四阶色散完全补偿掉，首先仍采用通过调节光栅12与球形凹面镜11之间的距离补偿二阶色散的方法将啁啾脉冲的二阶色散完全补偿掉，然后再改变啁啾脉冲在反射光栅12上的入射角可以实现三阶色散的最大补偿；或者是通过调节脉冲压缩器中光栅对之间的垂直距离将啁啾脉冲的二阶色散完全补偿掉，然后再改变啁啾脉冲的入射角可以实现三阶色散的最大补偿。通过这些步骤后，脉冲中仍会残留较大的三阶色散和四阶色散，它们对最后输出脉冲的聚焦强度和强度对比度仍有很大的影响，最后使用本发明啁啾脉冲展宽器的色散微调***2来实现三阶和四阶色散的完全补偿；在这里，通过调节二维手动平移台5的高度，使组合透镜中的双凸透镜22相对于固定的平凹透镜21在衍射面内做相对平移，从而改变组合透镜的色差色散和与波长有关的三阶相位，这样可以独立的控制和补偿三阶色散，而不会影响其它各阶色散；通过改变组合透镜中双凸透镜22在望远镜***旋转轴上与平凹透镜21的相对距离，从而改变组合透镜的球差色散和与波长有关的四阶相位，这样可以独立的控制和补偿四阶色散，而不会影响其它各阶色散，这样各阶色散能够同时被对立彻底的补偿掉。
Claims (6)
1、一种啁啾脉冲展宽器，包括全反射脉冲展宽器(1)、色散微调器(2)、反射镜(3)，其特征在于还有平移粗调三维台(4)和二维手动平移台(5)，所述的全反射脉冲展宽器(1)依次由球形凹面反射镜(11)、光栅(12)和平面反射镜(13)构成，所述的球形凹面反射镜(11)和平面反射镜(13)的旋转轴在同一直线上，其中平面反射镜(13)放置在球形凹面反射镜(11)的焦平面上；光栅(12)放置在平移粗调三维台(4)上，该平移粗调三维台(4)具有围绕垂直于自身的旋转轴360度的旋转调节机构和沿水平方向的平移调节机构；
该色散微调器(2)依次由平凹透镜(21)、双凸透镜(22)和双凹透镜(23)组成；平凹透镜(21)、双凹透镜(23)的旋转轴在同一直线上，其中双凸透镜(22)放置在二维手动平移台(5)上，该二维手动平移台(5)具有沿垂直于自身的高度调节机构和垂直于自身旋转轴的平移机构，但它的旋转轴仍与色散微调器(2)的旋转轴严格平行，平凹透镜(21)和双凸透镜(22)组成的组合透镜与双凹透镜(23)虚共焦，且平凹透镜(21)和双凹透镜(23)的位置固定不变；所有透镜镀有工作波长的介质增透膜；
所述的反射镜(3)是相对于工作波长的镀介质全反膜的反射镜，该反射镜(3)的反射平面垂直于入射光束，该展宽器的出射光束垂直于所述的色散微调器(2)的平凹透镜(21)的平面。
2、根据权利要求1所述的啁啾脉冲展宽器，其特征在于所述的球形凹面反射镜(11)的曲率半径为200～250cm，该球形凹面反射镜(11)与平面反射镜(13)组成一个共焦腔。
3、根据权利要求1所述的啁啾脉冲展宽器，其特征在于所述的光栅(12)的槽密度为1400-2000线/mm。
4、根据权利要求1所述的啁啾脉冲展宽器，其特征在于所述的平凹透镜(21)厚度为1.0～1.3cm，曲率半径为29.0～30.2cm，透镜材料为ZF10玻璃；双凸透镜(22)第一曲率半径为31.8～32.6cm，第二曲率半径为41.2～42.4cm，透镜材料为ZBaF1玻璃；双凹透镜(23)两面曲率半径均为72～80cm，透镜材料为ZF10玻璃。
5、根据权利要求1所述的啁啾脉冲展宽器，其特征在于所述的反射镜(3)与色散微调器(2)中双凹透镜(22)的距离为6～8cm。
6、根据权利要求1所述的啁啾脉冲展宽器，其特征在于所述的平移粗调三维台(4)沿水平方向的移动范围为0～20cm；所述的二维手动平移台(5)在垂直于自身的高度和自身旋转轴移动的距离分别为0～2cm和0～3cm。
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