专利名称：飞秒激光脉冲宽度压缩装置的制作方法
技术领域：
本发明与超短超强激光脉冲压缩有关，特别是一种飞秒激光脉冲宽度压缩装置。
背景技术：
强场激光物理与技术的发展将人们对自然的认识推进到了更深的层次，同时也催生出许多新的有深远意义的应用，例如利用激光可控核聚变解决人类的能源消耗问题。当前，世界主要发达国家和地区纷纷投入巨资发展这一领域，比较有名的是欧盟的ELI计划和美国的国家点火装置。在激光的发展历程中，超强和超短这两项指标不仅不是相互独立的，而且在IO18 这个量级范围内是成反比例的。想要获得越来越短的脉冲宽度，就必须有越来越强的激光场，例如对于阿秒(10,秒)脉宽就需要IOw 1016W/cm2的光强，而若要得到更短的仄秒 (10_21秒)就需要1018W/cm2以上的光强。反之，对于一定能量的激光脉冲，若要得到更高的峰值功率和光强，将脉冲进行时域压缩是有效的途径，例如脉宽被压缩10倍时，即使能量损失了一半，峰值功率仍然提高了 5倍。同时，超短脉宽也有其独特应用需求。受到激光介质的增益窄化的影响，经过放大后的激光脉冲宽度最短也在20飞秒以上。当前拍瓦系统的输出在30飞秒左右，而能量却能达到上千焦耳，光束直径也在几十厘米的量级。要对这样的脉冲进行压缩所面临的首要困难是光束的横向调制不稳定性，即随着脉冲在介质中的传播，其横向会因为介质引发的自聚焦效应导致激光脉冲波面畸变从而诱发多丝的形成。通常这样的光束是在真空管中传输，最后经凹面镜聚焦使用。对于这种高能量的激光脉冲尚缺少有效的压缩方法。对于毫焦、亚毫焦量级的激光脉冲压缩而言，目前存在一种成熟的技术，即基于空心光纤的脉冲压缩技术。这种技术利用自相位调制效应，避免介质电离的发生，可以得到稳定的输出，其压缩后的脉冲具有单模分布和近单光周期的极端超短脉宽。此方法已经在阿秒物理和超快泵浦探测研究中发挥关键作用。鉴于这种技术的优越性，也有不少小组试图将这种技术移植到高能脉冲的压缩领域，利用复杂的电离效应与其它效应的平衡，从而压缩脉宽。尽管这些研究也都实现了脉宽压缩，但是脉冲能量仍然无法大大提高。
发明内容
本发明要解决的问题就是提供一种飞秒激光脉冲宽度压缩装置，该装置不受入射脉冲能量限制而能对高能量激光脉冲进行压缩。本发明的技术解决方案如下一种飞秒激光脉冲宽度压缩装置，其特点在于构成是在位于激光脉冲前进的光路上依次是聚焦镜、内置多孔空心光纤的充惰性气体管、凹面反射镜和啁啾镜组。所述的多孔空心光纤的空心孔径的大小相同，相邻孔之间的间隔相等。本发明飞秒激光脉冲宽度压缩装置的实质是通过设计一种多孔空心光纤结构，将入射的高能量激光脉冲分割成许多小尺寸的光束从而分别进行压缩，最终实现对整个激光脉冲的高效压缩。这种多孔空心光纤结构以紧凑的形式实现了大量普通空心光纤的并联。 一方面，这种结构保留了普通空心光纤压缩的优势，即空间啁啾小和超短脉宽；另一方面， 因为使用的是并联方式，所以不受入射脉冲能量的限制。对于更高脉冲能量的入射，可以将能量均勻分配给更多的空心，每个空心都可以看作是独立的普通空心光纤。最终，这种结构可以用于压缩能量远大于1毫焦的飞秒激光脉冲。本发明的一种具体技术解决方案示例是一种基于充惰性气体的多孔空心光纤的飞秒激光脉冲压缩装置，利用聚焦镜将入射脉冲耦合到多孔空心光纤中。多孔空心光纤放在充有惰性气体的钢管中，其各个空心直径相等，空心的排布为对称分布，相邻空心之间的光纤壁厚相同。激光光束在耦合到多孔空心光纤的过程中被多孔结构分割为许多小尺寸光束，之后每个空心作为独立的普通空心光纤对其中的光脉冲进行光谱展宽。耦合过程应确保每个有效空心孔中分布能量几乎相同， 从而保证这些孔中的光束经历了相同的动力学过程，具有近乎相同的参数。这里所说的“有效”空心孔是指空心中光强的径向分布均勻的孔。为了实现能量在不同有效空心孔的均勻分配，光纤入口处的脉冲光强的横向分布应接近平顶形，且脉冲中心接近平顶分布的部分覆盖的各个空心的孔径大小要相同。经过光纤后，各个空心的出射光先被准直，后由啁啾镜压缩可以实现超短的脉冲宽度。脉冲的能量则是所有有效空心中的能量之和，是普通空心光纤的许多倍。综上所述，本发明的优点归纳如下本发明是一种能够压缩高能量飞秒激光脉冲宽度的压缩装置，适用于能量远大于 1毫焦的飞秒激光脉冲的压缩，可以输出能量远大于1毫焦的飞秒激光脉冲，同时脉冲的宽度可以短至小于10飞秒，甚至接近单个光周期(工作波长为800纳米，单个光周期为2. 7 飞秒)。本发明的核心器件是多孔空心光纤。这种光纤的特征是所有空心孔径大小相等， 相邻孔之间的间隔相同。其功能在于按照这种多孔分布去分割高能量的飞秒激光光束，从而实现不同孔中光束的独立传播。因为不同有效空心中的激光脉冲的各个参数非常相近， 所以经过传播后，各个有效空心的出射脉冲参数也非常相近，从而实现对分割后的激光光束的均勻压缩。本发明以紧凑的形式实现了大量普通空心光纤压缩的并联，所以输出能量是普通空心光纤的许多倍，同时保留了普通空心光纤压缩脉冲的优势，如压缩脉宽短，稳定性高， 空间啁啾小等。
图1为本发明飞秒激光脉冲宽度压缩装置的示意图。图2为本发明多孔空心光纤的截面图。图3为使用本发明装置对入射高能量飞秒激光脉冲进行光谱展宽后，各有效空心孔输出的光谱图。图4为使用本发明装置对入射高能量飞秒激光脉冲进行光谱展宽并压缩后，各有效空心孔对应的出射脉冲强度包络。
具体实施例方式图1显示了本发明飞秒激光脉冲宽度压缩装置的示意图，由图可见本发明飞秒激光脉冲宽度压缩装置的构成是在位于激光脉冲前进的光路上依次是聚焦镜1、内置多孔空心光纤的充惰性气体管2、凹面反射镜3和啁啾镜组4。为了便于详细说明并分析本发明的原理和使用方法，此处特别选定本发明核心器件多孔空心光纤的横截面如图2所示，6是空心孔，直径为500微米；5是相邻孔的间隔厚度，为125微米。对于普通空心光纤和本发明多孔空心光纤，将聚焦光束的焦斑设定在光纤入口处是达到最佳耦合的必要条件之一。另一个考虑因素则是焦斑的大小。对于普通空心光纤， 当焦斑强度分布为高斯分布，且其Ι/e2半径是空心半径的0. 65倍时，光束耦合到空心光纤基模的能量比例最高，达到98%。而对于多孔空心光纤，则希望脉冲能量均勻分布到各个有效空心孔上。为了让不同有效空心孔接受到的能量尽可能相同且均勻分布，焦斑的强度为平顶分布时最理想。实际中的焦斑横向分布可以表示为I = eXp(-2r27Wl2n)，其中r是横向坐标，W1表征光束横向尺寸。当η = 4时，分布为较理想的超高斯分布，这个分布作为下面分析的基础。同时，为了避免光纤入口处出现显著的气体介质电离从而破坏耦合效果，焦点的峰值强度应该在1 X IO13 5Χ 1013W/cm2之间。假定入射脉冲中心波长800纳米，能量 10毫焦，脉冲宽度40飞秒(半高全宽)。对应此入射脉冲参数可知焦斑半径在400 890 微米(半高强度)之间。进一步的理论计算表明，当焦斑半径为890微米，位于光束轴线上的中心孔接受到的能量占总脉冲能量比例为8%，紧邻中心孔的6个孔的分布具有对称性， 分别接受到的能量比例都为7. 2%，如图2所示的最中间的一个孔和包围它的6个周围孔。 这时，有效空心孔一共有7个，因为相邻的再远一些的孔的能量接受比例都小于0. 009，可以忽略。所以，多孔空心光纤的总的能量接受效率为7个有效空心孔的总和，即51%。各个有效空心中的光束能量将进一步分配到不同的光纤波导模式上。对于中心孔，能量耦合到不同波导模式的效率n由下式计算
权利要求
1.一种飞秒激光脉冲宽度压缩装置，其特征在于构成是在位于激光脉冲前进的光路上依次的聚焦镜(1)、内置多孔空心光纤的充惰性气体管O)、凹面反射镜C3)和啁啾镜组 ⑷。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，其特征在于所述的多孔空心光纤的空心孔径的大小相同，相邻孔之间的间隔相等。
全文摘要
一种飞秒激光脉冲宽度压缩装置，其构成是在位于激光脉冲行进的光路上依次的聚焦镜、内置多孔空心光纤的充惰性气体管、凹面反射镜和啁啾镜组。本发明该装置不受入射脉冲能量限制而能对高能量激光脉冲进行压缩。
文档编号G02B6/032GK102207658SQ201110129419
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者冷雨欣, 徐至展, 王丁 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所