CN1752833A - 紧凑型脉冲色散器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快激光技术方向，具体的讲是涉及一种紧凑型脉冲色散器，该色散器由两个等腰直角棱镜组合构成，在光正入射条件下工作，仅依靠光学材料本身色散达到脉冲整形的目的，实现对超短脉冲的展宽/压缩，其特点是引入的色散只有材料色散，没有角色散，因而对光路失调不敏感，结构简单，稳定性好，易调整，成本低，对机械调整精度的要求也低，操作灵活性强，损耗少，因为光是正入射，避免了像差的产生。

Description

紧凑型脉冲色散器

技术领域

本发明涉及超快激光技术方向，具体的讲是涉及一种紧凑型脉冲色散器。

背景技术

超强超短激光科学研究以超强超短激光的创新发展、超强超短激光与物质的相互作用、以及在交叉学科与相关高技术领域中的前沿基础为对象，是当前国际上现代物理学乃至现代科学中一个非常重要的科学前沿领域。在这一领域中，脉冲展宽/压缩技术是其中一个十分关键的单元技术。例如，在目前常见的飞秒啁啾脉冲放大(CPA)和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)***中，其中一个关键技术就是在进行激光放大之前将信号光脉冲进行展宽(从飞秒级展宽到近纳秒级)。这样既可以在达到饱和放大前有效地避免激光对放大介质的损伤，又可以大大提高激光放大效率，从而经脉冲压缩器压缩后得到超高激光脉冲功率输出。脉冲展宽/压缩是通过频率啁啾来实现的，可以通过引入光学介质的材料色散或角色散得到，如可以利用光栅和棱镜的色散效应而得到。目前常用的脉冲展宽器有两种：

一是光栅脉冲展宽器，如图1所示，光栅对逆平行放置，在光栅对之间放置两个透镜，将两透镜按共焦放置成一望远***，光栅离开了望远镜的前后焦面而向透镜靠近，脉冲四次通过光栅，产生足够大的正群速度色散，从而使脉冲得到展宽。为了消除因光栅色散引起的光束的像散，光的入射角应接近Littrow角。此外，光栅展宽器中的透镜引入的色差会引起三次频率相关相位，而球差会引起四次频率相关相位。光栅展宽/压缩器对光脉冲的透过率为70％左右，它们的结构比较复杂，调整也比较困难。另外，对高功率/能量的脉冲要用尺寸较大的光栅，价格比较昂贵，且不易保养，使用寿命相对较短。另外对机械部件要求也比较高。

二是传统的棱镜对-色散补偿器，如图2所示，当脉冲通过棱镜P1时，棱镜将不同波长的光按照不同的角度折射出去，再进入到第二个棱镜P2。由于短波长光比长波长光的折射角度大，这样光脉冲中不同波长的光对应着不同的行进光程，短波长成分光经过的光程更小，从而达到负的群速度色散目的。通过调节棱镜对***光束的深度，可以方便地控制所需的群速度色散。它工作在布儒斯特角，因而它的损耗也较小。但微弱的角度色散会导致要求两个棱镜顶点之间的距离很远，因而限制了传统棱镜装置所能产生的色散量。

传统的光栅/棱镜色散器，调整比较复杂，对失调也比较敏感。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种紧凑型脉冲色散器，该色散器由两个等腰直角棱镜组合构成，在光正入射条件下工作，仅依靠光学材料本身色散达到脉冲整形的目的，实现对超短脉冲的展宽/压缩。

本发明目的的实现由以下技术方案完成：

一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于该色散器由两个等腰直角棱镜构成，二者的斜面相对平行放置，且其中之一可沿其斜表面方向进行平行移动，以调节色散器的色散量。色散量与棱镜的斜表面间的空气间隙长度无关。

在两块棱镜中间可至少加入一块平板，使得色散量的调节更加方便。

各棱镜、或是各平板的材料可以互不相同，以更方便地调节高级色散量。

在棱镜的斜表面上、或者是平板的通光面上可镀有增透膜，以降低损耗。

如果确定了所需的色散量，在棱镜和棱镜之间、或者是棱镜与平板之间、或者是平板与平板之间可通过深化光胶胶合在一起，深化光胶的折射率分别与两侧的棱镜或平板的折射率匹配，以减少损耗。

本发明色散器在光正入射条件下工作。

本发明的优点在于：

1.整个装置引入的色散只有材料色散，没有角色散，因而对光路失调不敏感；

2.结构简单，稳定性好，易调整，成本低，对机械调整精度的要求也低；

3.可以通过调整两个棱镜之间的相对位移量达到调整色散量的目的，操作灵活性强；

4.损耗少。

5.由于没有角色散，两块棱镜可以使用不同的材料，这意味着多一个自由度去控制二阶和三阶色散；

6.如果需要，可以方便地在两块棱镜中间加入一块或者多块平板，平板的材料可以互不相同，从而使得色散量的调节更加方便；

7.在不镀增透膜时，改变入射波长时不需重新调整光路，其适用波长范围只受限于材料的吸收光谱特性；

8.本发明的设计尺寸不受入射光脉冲的谱宽限制。(对于光栅/棱镜对脉冲色散器来说，入射光脉冲的谱宽越宽，要求光栅/棱镜尺寸越大，所以具有谱宽限制)；

9.因为光是正入射，避免了像差的产生；

另一方面，在本发明中，由于光经过了多次反射，因此它的色散量要比传统的棱镜对-色散补偿器大很多。

附图概述

附图1光栅对-脉冲展宽器结构示意图；

附图2棱镜对-色散补偿器结构示意图；

附图3本发明结构示意图；

附图4本发明加入一块平板后的结构示意图；

附图5深化光胶的折射率递变图

附图6本发明加入n块平板后的结构示意图；

附图7本发明用于飞秒啁啾脉冲再生放大激光***示意图；

附图8高重复率飞秒啁啾脉冲再生放大激光***示意图；

附图9本发明用于飞秒啁啾脉冲参量放大激光***示意图。

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图3-9所示，标号1-4分别表示：棱镜1、棱镜2、平板3、入射光4、棱镜的直角边长度L、两个棱镜的顶点间的距离d、入射光到棱镜边缘的距离x。光脉冲从右侧正入射进入到左边的直角棱镜的斜表面后，经在两棱镜内部多次来回后从左边的直角棱镜的斜表面输出。

棱镜对产生的总体的材料色散为：

$\frac{d^2{\mathrm{\φ}}_m\left(\mathrm{\ω}\right)}{d{\mathrm{\ω}}^2}=\frac{{\mathrm{\λ}}^3}{{2\mathrm{\πc}}^2}\frac{d^{2}n\left(\mathrm{\λ}\right)}{d{\mathrm{\λ}}^2}N\left(2\sqrt{2}L\right)=\frac{\sqrt{2L}{\mathrm{\λ}}^3}{\mathrm{\π}{C}^2}\frac{d^{2}n\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{d\λ}}^2}N---\left(1\right)$

d和N受限于棱镜的斜边长度，其关系可由下式估算：

$N=\left[\frac{\sqrt{2}L/2-x}{d}\right]---\left(2\right)$

所以d越大，N越小，从式(1)可知引入的色散量就越小。

实施例：

本实施例由两个等腰直角棱镜1、2构成，二者的斜面相对交错放置，相对位移量为d，且其中一棱镜可沿另一棱镜斜表面方向和垂直于斜表面的水平方向移动。

使用时，如图3所示，光脉冲从棱镜1的一侧正入射，入射光中心4到棱镜1边缘的距离为x，经在棱镜1、2内部多次来回后从另一侧输出。通过调整两个棱镜之间的相对位移量d来调整光在两个棱镜之间的来回次数N，从而达到调整色散量的目的。

为了减小损耗，可在棱镜1、2的斜表面镀增透膜，如果两棱镜1、2的斜表面镀增透膜，光在色散器里边来回10次，损耗只有约2％。本实施例既使没有镀膜，损耗也只有由菲涅洱反射所引起的4％左右，而光栅展宽/压缩器的损耗约30％左右。

为了减小损耗，如果确定了所需的色散量，还可用深化光胶(见图5)将两透镜1、2胶合在一起，深化光胶的两侧折射率分别等于两侧的棱镜的折射率，从而达到光传播时介质折射率的递变。

由于没有角色散，棱镜1、2可以使用不同的材料，这意味着多一个自由度去控制二阶和三阶色散。而对传统的棱镜对-色散补偿器来说，为了准直色散光束，两个棱镜必须是同一材料制成；

本实施例中如果需要，如图4、6所示，可以在两块棱镜1、2中间加入一块或者多块光学玻璃平板3，当加入多块平板3时，各块平板的材料可以互不相同，从而使得色散量的调节更加方便。在进行色散补偿时，除补偿群速度色散外，最好是尽可能补偿高介色散，不同材料的群速度色散与其高级色散的比值是不同的，所以用多种材料可以同时进行多介色散的补偿。

总之本实施例包括两个等腰直角棱镜，根据需要，可以利用不同材料棱镜的组合或在两棱镜之间***不同材料的光学玻璃平板和光栅对脉冲压缩器配合达到脉冲宽度最小化。为减少损耗，在两棱镜的斜表面(或***不同材料的光学玻璃平板表面)可镀增透膜，或者如果确定了所需的色散量，在棱镜和棱镜之间、或者是棱镜与平板之间、或者是平板与平板之间用折射率匹配的光胶连接，即深化光胶的折射率分别与两侧的棱镜或平板的折射率匹配。

本实施例两个等腰直角棱镜的斜面相对交错放置，光脉冲正入射到一个棱镜表面后，在两个棱镜间经多次反射后，从另一个棱镜表面出射(如图3所示)，由于棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，在棱镜对中的多次反射使得不同波长的光在传播过程中产生了群速度色散，从而实现了脉冲的展宽。

本实施例应用在飞秒啁啾脉冲再生放大激光***(见图7)中：输入一个飞秒级的脉冲种子光，用本实施例产品将之展宽为200皮秒左右，再进入钛宝石再生放大器进行放大，最后在输出端利用光栅对压缩，获得超短超强输出强激光。

本方案采用的方法是，用棱镜1、2取代原再生放大装置中的光栅展宽器，用它对入射的飞秒激光进行展宽，调整量小，损耗少，结构紧凑，同时节省了费用。利用多种棱镜的组合和光栅对脉冲压缩器配合达到脉冲宽度最小化。

对于高重复率的飞秒啁啾脉冲再生放大激光***(如文献Opt.Lett.，29(22)，2665(2004)所描述)，也可用传统的棱镜对脉冲展宽器产生负啁啾，本尖施例的脉冲色散器作为压缩器(见图8)。

本方案采用的方法是，用棱镜对取代原OPCPA装置中的展宽器，对入射的飞秒激光进行展宽，调整量小，损耗少，且避免了像差的产生，它产生的色散量为 $\frac{\sqrt{2}L{\mathrm{\λ}}^3}{\mathrm{\π}{c}^2}\frac{d^{2}n\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{d\λ}}^2}N,$ 其中，λ为入射光的波长，n(λ)为介质中波长为λ的光的折射率，c为真空中的光速，N是光通过棱镜对的次数。

本实施例应用在飞秒光参量啁啾脉冲再生放大激光***中应用于OPCPA的主要原理如图9所示。先将10飞秒超短脉冲信号光用本展宽器展宽成0.5纳秒啁啾脉冲，再以1纳秒的Nd:YAG激光的倍频光作为光学参量放大器的泵浦源，利用LBO或BBO、KDP等非线性晶体进行光学参量放大，最后在输出端利用光栅对压缩，获得超短超强激光输出。

Claims (8)

1、一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于该色散器由两个等腰直角棱镜构成，二者的斜面相对平行放置，且其中之一可沿其斜表面方向进行平移。

2、根据权利要求1所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于所述的棱镜的斜表面上可镀有增透膜，以降低损耗。

3、根据权利要求1所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于所述的两透镜可通过深化光胶胶合在一起，深化光胶的两侧折射率分别与两侧的棱镜的折射率匹配。

4、根据权利要求1所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于所述的两块棱镜中间可至少加入一块平板，从而使得色散量的调节更加方便。

5、根据权利要求1或4所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于当所述的各棱镜、或者是各平板的材料可以互不相同，以更方便地调节高级色散量。

6、根据权利要求4所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于所述平板的通光面上可镀有增透膜，以降低损耗。

7、根据权利要求4所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于所述的棱镜与平板之间、或者是平板与平板之间可通过深化光胶胶合在一起，深化光胶的折射率分别与两侧的棱镜或平板的折射率匹配。

8、根据权利要求1所述的一种紧凑型脉冲色散器，其特征在于所述的色散器在光正入射条件下工作。

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