专利名称：高功率大能量超短激光脉冲展宽装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超强超短激光，是一种高功率大能量超短激光系统所用的啁啾脉冲展宽器，主要适用于高能量(200～2000焦耳)超短(10-15～10-12秒)超强(1012～1015瓦)激光系统的脉冲展宽和改善超短脉冲的光束质量。
背景技术：
啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)和光学参量啁啾脉冲放大(0ptical Parametric Chirped Pulse Amplification，简写为OPCPA)是目前获取超短、超强激光脉冲的经典方法，已被广泛的应用于建造多太瓦(即1012W，简写为TW)级激光系统和拍瓦(即1015W，简写为PW)级激光系统。它首先利用展宽器对飞秒或亚皮秒的激光脉中引入一定的啁啾量，使脉冲展宽，注入高增益的预放，当脉冲能量达到焦耳量级，再通过主放大器将能量提高到设计的水平，最后利用压缩器引入与展宽器相反的啁啾量，使脉冲宽度复原，从而获得高功率大能量的超短脉冲激光输出。其中展宽器是一个重要的器件，它的合理设计对提高整个系统性能是非常重要的。目前，英国卢瑟福实验室的Vulcan超强超短激光装置利用两个展宽器实现的对激光脉冲展宽的方案已经获得了激光输出能量651J，打靶的脉冲宽度为410fs，功率达到1.03PW，聚焦的功率密度达到了1.06×1021W·cm-2的实验结果(Workshop on Ultrahigh Density Plasma Production，Application and Theory forLaser Fusion Proceedings，2005，16-25)，该装置所使用的展宽器(J Collier，CHernandez-Gomez，“Double Decker Stretcher Design for the Petawatt Upgrade”.CLF Annual Report RAL-TR-2002-013，2001-2002pg 173)如图1所示，图中11、21-凹面反射镜，12、22-凸面反射镜，13-光栅，14、24-全反射镜。
该展宽装置和整个系统的工作过程是种子飞秒激光经过第一个展宽器(1)后，激光脉冲的宽度展到2.4ns，注入到OPA激光放大器中进行预放大，之后再进入第二个展宽器(2)进行第二级放大，激光脉冲宽度展宽到4.8ns，注入主放大器进行放大，最后进入压缩池对激光脉冲进行压缩，得到所需要的高功率大能量超短激光脉冲。
该展宽装置的特点为两个展宽器是层叠的，可以减少整个装置占用的空间；两个展宽器共用同一块光栅，减少了光栅的使用数量。其缺点也是很显然的，由于两个展宽器是层叠的，进行展宽比调谐时是相互影响的，需要两个展宽器同时同步进行，在这种情况下，这个系统的色散补偿的调谐任务实际上是在压缩器中完成的。这样务必会加大压缩器中大口径光栅的调节难度，特别是目前大口径光栅大多需要通过光栅拼接来获得，这样它的调节难度就更大。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，以提高展宽比，大大降低压缩器中大口径光栅的调节难度，最终获得高对比度高功率大能量的超短脉冲输出。
本实用新型的技术解决方案如下一种高功率大能量超短激光脉冲展宽的调节方法，该方法的核心是采用两个同样的展宽器分两级独立进行展宽，第一个展宽器放在种子光源之后，其展宽比固定；第二个展宽器放在光学参量放大(0ptical Parametric Amplification简称OPA)的预放大之后，具有连续调谐二阶以及高阶色散的功能，第二个展宽器的调节是先补偿二阶色散，再补偿高阶色散。
一种高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于由第一展宽器和第二展宽器)组成，第一个展宽器放在种子光源之后，其展宽比固定，第二个展宽器放在OPA预放大之后，具有连续调谐二阶以及高阶色散的功能所述的第一展宽器由第一柱型凹面反射镜、第一柱型凸面反射镜、第一光栅和第一全反射镜组成；所述的第一柱型凹面反射镜、第一柱型凸面反射镜、第一光栅和第一全反射镜分别置于各自的调整架上，所述的第一柱型凹面反射镜、第一柱型凸面反射镜和第一全反射镜均镀有工作波长的介质增反膜，该第一展宽器的出射光束垂直于所述的第一全反射镜的反射平面；所述的第二展宽器由展宽部分、二阶色散微调部分和高阶色散微调部分组成所述的展宽部分依次由第二柱型凹面反射镜、第二柱型凸面反射镜、第二光栅和第二全反射镜组成，所述的第二柱型凹面反射镜和第二柱型凸面反射镜分别放在各自的五维调整架上，第二光栅放在四维调整架上，第二全反射镜放在三维调整架上，所述的第二柱型凹面反射镜和第二柱型凸面反射镜的中心旋转轴在同一直线上，所述的第二柱型凹面反射镜、第二柱型凸面反射镜以及第二全反射镜均镀有工作波长的介质增反膜，；所述的二阶色散微调部分由所述的第二柱型凹面反射镜和第二柱型凸面反射镜的两个五维调整架组成；所述的高阶色散微调部分由平凹透镜和双凸透镜组成并置于所述的第二光栅和第二全反射镜之间，该平凹透镜放在五维调整架上，该双凸透镜放在四维调整架上，所述的平凹透镜和双凸透镜的旋转轴在同一直线上，所有透镜镀有工作波长的介质增透膜；所述的第二展宽器的出射光束与所述的平凹透镜和双凸透镜共光轴并垂直于第二全反射镜)的反射平面。
所述第一展宽器的展宽比固定，所述的第二展宽器的展宽比和高阶色散是可连续调谐的。
所述的第一柱型凸面反射镜的曲率半径为第一柱型凹面反射镜曲率半径的一半，两者之间的距离为第一柱型凸面反射镜的曲率半径值，第一柱型凹面反射镜与第一光栅之间的距离为第一柱型凹面反射镜的曲率半径值的0.6～0.7倍。
所述的第二柱型凸面反射镜的曲率半径为第二柱型凹面反射镜曲率半径的一半，两者之间的距离为第二柱型凸面反射镜的曲率半径值，第二柱型凹面反射镜与第二光栅)之间的距离为第二柱型凹面反射镜的曲率半径值的0.6～0.7倍。
所述的第一光栅和第二光栅的光栅刻线为1200线/mm～1800线/mm。
所述的平凹透镜的中心厚度为1.1～2.5cm，曲率半径为25～30cm，透镜材料为SSK4玻璃；双凸透镜的中心厚度为2.0～3.5cm，第一个面的曲率半径为30～35cm，第二个面的曲率半径为41～45cm，透镜材料为ZF10玻璃。
本实用新型的技术效果在于1、可以实现高功率大能量超强超短激光系统中对激光脉冲进行大展宽比展宽的要求；2、利用两级对激光脉冲进行展宽，符合整个大能量高功率系统大展宽比的要求。
3、本实用新型的最大特点在于第一个展宽器的展宽比固定，而第二个展宽器具有二阶色散和高阶色散的可连续调谐性，从而可以大大降低压缩器中大口径光栅的调节难度，让压缩器中的大部分调节任务由第二个展宽器来实现，甚至可以让压缩器第一次调整好后就不再进行调节，完全固定，调节任务全部由第二个展宽器的调节来实现。
4、由于本实用新型可以有效的补偿高阶色散，从而大大提升整个系统的性能，最终获得高对比度高功率大能量的超短脉中输出。
图1为已有的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置示意图。
图2为本实用新型的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置示意图。
图中1-第一展宽器 2-第二展宽器 11-第一柱型凹面反射镜 21-第二柱型凹面反射镜 12-第一柱型凸面反射镜 22-第二柱型凸面反射镜 13第一光栅 23-第二光栅 14第一全反射镜 24-第二全反射镜 25-平凹透镜 26-双凸透镜 31、32、33、43、46-四维调整架 41，42、45-五维调整架 34、44-三维调整架具体实施方式
图2为本实用新型高功率大能量超短激光脉冲展宽装置示意图，由图可见，本实用新型高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，由第一展宽器1和第二展宽器2组成，第一个展宽器1放在种子光源之后，其展宽比固定，第二个展宽器2放在OPA预放大之后，具有连续调谐二阶以及高阶色散的功能所述的第一展宽器1由第一柱型凹面反射镜11、第一柱型凸面反射镜12、第一光栅13和第一全反射镜14组成；所述的第一柱型凹面反射镜11、第一柱型凸面反射镜12、第一光栅13和第一全反射镜14分别置于各自的四维调整架31、32、33上，所述的第一柱型凹面反射镜11、第一柱型凸面反射镜12和第一全反射镜14均镀有工作波长的介质增反膜，该第一展宽器的出射光束垂直于所述的第一全反射镜14的反射平面；所述的第二展宽器2由展宽部分、二阶色散微调部分和高阶色散微调部分组成所述的展宽部分依次由第二柱型凹面反射镜21、第二柱型凸面反射镜22、第二光栅23和第二全反射镜24组成，所述的第二柱型凹面反射镜21和第二柱型凸面反射镜22分别放在各自的五维调整架41、42上，第二光栅23放在四维调整架43上，第二全反射镜24放在三维调整架44上，所述的第二柱型凹面反射镜21和第二柱型凸面反射镜22的中心旋转轴在同一直线上，所述的第二柱型凹面反射镜21、第二柱型凸面反射镜22以及第二全反射镜24均镀有工作波长的介质增反膜，；所述的二阶色散微调部分由所述的第二柱型凹面反射镜21和第二柱型凸面反射镜22的两个五维调整架41、42组成；所述的高阶色散微调部分由平凹透镜25和双凸透镜26组成并置于所述的第二光栅23和第二全反射镜24之间，该平凹透镜25放在五维调整架45上，该双凸透镜26放在四维调整架46上，所述的平凹透镜25和双凸透镜26的旋转轴在同一直线上，所有透镜镀有工作波长的介质增透膜；所述的第二展宽器的出射光束与所述的平凹透镜25和双凸透镜26共光轴并垂直于第二全反射镜24的反射平面。
所述第一展宽器1的展宽比固定，调试好后，就不需要再调节。第二展宽器2的展宽比和高阶色散是可连续调谐的。
所述的第一柱型凹面反射镜11的曲率半径为500～1000cm，第一柱型凸面反射镜12的曲率半径为第一柱型凹面反射镜11曲率半径的一半，两者之间的距离为第一柱型凸面反射镜12的曲率半径值。第一柱型凹面反射镜11与第一光栅13之间的距离为第一柱型凹面反射镜11的曲率半径值的0.6～0.7倍。
所述的第二柱型凹面反射镜21的曲率半径为700～1200cm，第二柱型凸面反射镜22的曲率半径为第二柱型凹面反射镜21曲率半径的一半，两者之间的距离为第二柱型凸面反射镜22的曲率半径值。第二柱型凹面反射镜21与第二光栅23之间的距离为第二柱型凹面反射镜21的曲率半径值的0.6～0.7倍。
所述的第一光栅13和第二光栅23的光栅刻线为1200线/mm～1800线/mm。
所述的平凹透镜25的中心厚度为1.1～2.5cm，曲率半径为25～30cm，透镜材料为SSK4玻璃；双凸透镜26的中心厚度为2.0～3.5cm，第一个面的曲率半径为30～35cm，第二个面的曲率半径为41～45cm，透镜材料为ZF10玻璃。
所述的第二全反射镜24离双凸透镜26的距离为6～10cm。
所述的第一展宽器1中的第一柱型凹面反射镜(11)、第一柱型凸面反射镜(12)以及第二展宽器2中的双凸透镜26的四维调整架31、32、46具有三维的角度调节和上下的升降调节。
所述的第一光栅13和第二光栅23的四维调整架33、43具有三维的角度调节和上下的升降调节。
所述的第一全反射镜14和第二全反射24的三维调整架34、44具有二维的角度调节和上下的升降调节。
所述的第二展宽器2中的第二柱型凹面镜21和第二柱型凸面镜22的五维调整架41、42具有三维的角度调节、上下的升降调节以及沿X方向的水平调节。
所述的平凹透镜25的五维调整架45具有三维的角度调节、上下的升降调节以及沿X方向的水平调节。
与其它的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置相比，本实用新型高功率大能量超短激光脉冲展宽装置具有以下不同点1、采用两个独立的展宽器分两级对激光脉冲进行展宽，达到大展宽比的目的；2、第一展宽器1的展宽比固定，而第二展宽器2具有连续独立调节二阶色散和高阶色散的能力，从而一方面能够大大降低压缩器中大口径光栅的调节难度，将压缩器的部分或全部调节任务前移，由第二展宽器2的调节来实现，另一方面能够使整个系统的二阶色散和高阶色散得到很好的补偿，从而获得高对比度高功率大能量的超短激光脉冲输出。
本实用新型高功率大能量超短激光脉冲展宽装置具体的工作过程是激光脉冲分两级进行展宽，第一级展宽为种子激光入射到第一展宽器1的第一光栅13上，激光脉冲中的不同波长成分在第一光栅13的衍射面上展开，衍射光线传播到第一柱型凹面反射镜11上，经过第一柱型凹面反射镜11反射后传播到第一柱型凸面反射镜12上，再经过第一柱型凸面反射镜12反射后再次传播到第一柱型凹面反射镜11上，由第一柱型凹面反射镜11反射后传播到第一光栅13上，经过第一光栅13再次衍射后，经过第一全反射镜14的反射后，光线沿原光路返回，在入射光线处输出，到此完成了第一级展宽。
从第一级展宽出来的激光脉冲进入OPA预放大，之后进入第二级展宽。
第二级展宽为从OPA预放大出来的激光脉冲，入射到第二展宽器2的第二光栅23上，激光脉冲中的不同波长成分在第二光栅23的衍射面上展开，衍射光线传播到第二柱型凹面反射镜21上，再经过第二柱型凹面反射镜21反射后传播到第二柱型凸面反射镜22上，再经过第二柱型凸面反射镜22反射后再次传播到第二柱型凹面反射镜21上，由第二柱型凹面反射镜21反射后传播到第二光栅23上，经过第二光栅23再次衍射后，垂直进入高阶色散微调平凹透镜25和双凸透镜26器，经平凹透镜25和双凸透镜26出射的光线经第二全反射镜24的反射后，沿原路返回，至此完成第二级的展宽。
为了将系统中残留的二阶和高阶色散完全补偿掉，在设计过程中，要求先让展宽器和压缩器的二阶和高阶色散匹配到最好，从而可以在整个系统的初步调试过程中将系统的二阶和高阶色散匹配到最佳状态，剩下微量的残留二阶和高阶色散由以下调节机构来完成。原则为先补偿二阶色散，再补偿高阶色散。
为了将啁啾脉冲中残留的二阶色散完全补偿掉，通过调节第二展宽器2中的五维调整架41、42同时沿X正方向或X负方向移动，从而改变第二展宽器2的“等效”光栅对的距离，即可以使二阶色散发生改变，而不会影响其它光路，达到独立连续调谐二阶色散的作用，进而把系统中残留的二阶色散完全补偿掉。
为了将啁啾脉冲中残留的高阶色散完全补偿掉，通过调节第二展宽器2中的五维调整架45和四维调整架46来实现，让五维调整架45和四维调整架46作垂直于旋转轴的相对运动，即相对的上下升降，可以使平凹透镜25和双凸透镜26组成的组合透镜产生微量的纵向的像差，这部分像差可以用来补偿三阶色散，而不影响其它的色散，从而达到独立连续调谐三阶色散的作用，进而把系统残留的三阶色散完全补偿掉；通过让五维调整架45沿旋转轴作相对双凸透镜26的运动，即水平移动，可以使平凹透镜25和双凸透镜26组成的组合透镜产生微量横向的像差，这部分像差可以用来补偿四阶色散，而不影响其它的色散，从而达到独立连续调谐四阶色散的作用，进而把系统残留的四阶色散完全补偿掉。这样既达到了大的展宽比，又将各阶色散彻底的补偿掉了。
实验表明本实用新型的特点在于实现高功率大能量超短激光脉冲的大展宽比的展宽，激光脉冲宽度从50～200fs展宽到2～5ns；由于第二个展宽器的可连续调谐性，可以大大降低压缩器中大口径光栅的调节难度，让压缩器中的大部分调节任务由第二个展宽器来实现，甚至可以让压缩器第一次调整好后就不再进行调节，完全固定，调节任务全部可由第二个展宽器的调节来实现。
权利要求1.一种高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于由第一展宽器(1)和第二展宽器(2)组成，第一个展宽器(1)放在种子光源之后，其展宽比固定，第二个展宽器(2)放在OPA预放大之后，具有连续调谐二阶以及高阶色散的功能所述的第一展宽器(1)由第一柱型凹面反射镜(11)、第一柱型凸面反射镜(12)、第一光栅(13)和第一全反射镜(14)组成；所述的第一柱型凹面反射镜(11)、第一柱型凸面反射镜(12)、第一光栅(13)和第一全反射镜(14)分别置于各自的调整架上，所述的第一柱型凹面反射镜(11)、第一柱型凸面反射镜(12)和第一全反射镜(14)均镀有工作波长的介质增反膜，该第一展宽器的出射光束垂直于所述的第一全反射镜(14)的反射平面；所述的第二展宽器(2)由展宽部分、二阶色散微调部分和高阶色散微调部分组成所述的展宽部分依次由第二柱型凹面反射镜(21)、第二柱型凸面反射镜(22)、第二光栅(23)和第二全反射镜(24)组成，所述的第二柱型凹面反射镜(21)和第二柱型凸面反射镜(22)分别放在各自的五维调整架(41、42)上，第二光栅(23)放在四维调整架(43)上，第二全反射镜(24)放在三维调整架(44)上，所述的第二柱型凹面反射镜(21)和第二柱型凸面反射镜(22)的中心旋转轴在同一直线上，所述的第二柱型凹面反射镜(21)、第二柱型凸面反射镜(22)以及第二全反射镜(24)均镀有工作波长的介质增反膜，；所述的二阶色散微调部分由所述的第二柱型凹面反射镜(21)和第二柱型凸面反射镜(22)的两个五维调整架(41、42)组成；所述的高阶色散微调部分由平凹透镜(25)和双凸透镜(26)组成并置于所述的第二光栅(23)和第二全反射镜(24)之间，该平凹透镜(25)放在五维调整架(45)上，该双凸透镜(26)放在四维调整架(46)上，所述的平凹透镜(25)和双凸透镜(26)的旋转轴在同一直线上，所有透镜镀有工作波长的介质增透膜；所述的第二展宽器的出射光束与所述的平凹透镜(25)和双凸透镜(26)共光轴并垂直于第二全反射镜(24)的反射平面。
2.根据权利要求1所述的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于所述第一展宽器(1)的展宽比固定，所述的第二展宽器(2)的展宽比和高阶色散是可连续调谐的。
3.根据权利要求1所述的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于所述的第一柱型凸面反射镜(12)的曲率半径为第一柱型凹面反射镜(11)曲率半径的一半，两者之间的距离为第一柱型凸面反射镜(12)的曲率半径值，第一柱型凹面反射镜(11)与第一光栅(13)之间的距离为第一柱型凹面反射镜(11)的曲率半径值的0.6～0.7倍。
4.根据权利要求1所述的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于所述的第二柱型凸面反射镜(22)的曲率半径为第二柱型凹面反射镜(21)曲率半径的一半，两者之间的距离为第二柱型凸面反射镜(22)的曲率半径值，第二柱型凹面反射镜(21)与第二光栅(2 3)之间的距离为第二柱型凹面反射镜(21)的曲率半径值的0.6～0.7倍。
5.根据权利要求1所述的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于所述的第一光栅(13)和第二光栅(23)的光栅刻线为1200线/mm～1800线/mm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的高功率大能量超短激光脉冲展宽装置，其特征在于所述的平凹透镜(25)的中心厚度为1.1～2.5cm，曲率半径为25～30cm，透镜材料为SSK4玻璃；双凸透镜(26)的中心厚度为2.0～3.5cm，第一个面的曲率半径为30～35cm，第二个面的曲率半径为41～45cm，透镜材料为ZF10玻璃。
专利摘要一种高功率大能量超短激光脉冲展宽装置及其调节方法，该脉冲展宽装置由两个展宽器组成，第一个展宽器放在种子激光之后，展宽比固定。第二个展宽器放在OPA预放大之后，不仅可以对二阶色散进行连续调谐，还可以对三阶和四阶色散进行连续调谐。本实用新型的特点在于实现高功率大能量超短激光脉冲的大展宽比的展宽，激光脉冲宽度从50～200fs展宽到2～5ns；同时由于第二个展宽器的可连续调谐性，可以大大降低压缩器中大口径光栅的调节难度，让压缩器中的大部分调节任务由第二个展宽器来实现，甚至可以让压缩器第一次调整好后就不再进行调节，完全固定，调节任务全部由第二个展宽器的调节来实现。
文档编号H01S3/10GK2922216SQ200620043909
公开日2007年7月11日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者杨庆伟, 郭爱林, 谢兴龙 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所