专利名称：完全无像差的超短激光脉冲展宽方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种实现完全无像差的超短脉冲激光展宽的方法及其专用装置.
激光是本世纪最伟大的发明之一，在目前激光物理和技术的研究中，啁啾脉冲放大(CPA，Chirped-Pulse Amplification的首字缩写)是其中最为领先和热门的内容，其结构主要由振荡器(Oscillator)、脉冲展宽器(Stretcher)、放大器(Amplifier)和再压缩器(Compressor)四部分组成(
图1)；基本的工作过程是首先由振荡器产生飞秒(即fs，lfs＝10-15秒)量级脉宽的种子激光脉冲，然后利用具有正色散的展宽器将其展宽为数百皮秒(即ps，lps＝10-12秒)脉宽的啁啾脉冲，同时维持其光谱宽度不变，再次经过必要的放大后，最后利用与展宽器色散相反量的压缩器将其啁啾抵消，从而得到与种子脉宽相近的放大结果。由于展宽后的峰值功率已被大大降低，这样在随后的放大过程中啁啾激光脉冲可以得到充分放大而不会过早产生非线性效应和放大饱和效应。在CPA技术中，通用的压缩器是平行结构放置的光栅对，因此，寻求与这种标准压缩器具有完全相反色散量并有理想展宽率的展宽器，是CPA技术的关键所在。实际上，CPA技术中研究最多的是展宽器，每次重要进展都是因展宽器的改进而实现的。
八十年代中后期CPA技术问世时，所用的展宽器主要由文献11. D.Strickland，G.Mourou，Opt. Commun；Vol.56，219(1985)中所述的数公里长的单模光纤构成，由于损耗高、展宽率有限、色散与光栅对不匹配、使用不便等缺点，九十年代初便被结合透射式望远镜结构的反光栅对所取代(图2)，其结构原理如文献22. P.Maine et al；IEEE J.of Quantum Electron，Vol.QE-24，398(1988)中所述，理论上虽然可提供能为光栅压缩器完全补偿的正色散，但实际上由于透镜的材料色散等原因，采用这种展宽器的CPA不能获得小于100fs的放大结果。1994年前后，人们开始改用文献33. J.V.Rudd et al；Chirped-pulse amplification of 55fs pulses at al-kHz repetition rate in a TiAl2O3 regenerative amplifier(1kHz重复率，55飞秒啁啾脉冲放大的掺钛蓝宝石再生放大器)；Opt.Lett；Vol.18，2045(1993)所述的球面反射式望远镜结构的展宽器(图3)，从而使获得100fs以下的放大脉冲成为可能，尔后如文献4和文献54. J.Zhou et al；Generation of 21-fs millijoule-energy pulses by useof Tisapphre；Opt.Lett；Vol.19，126(1994)5. B.E.Lemoff and C.P.J.Barty；Quintic-phase-limited，spatiallyuniform expansion and recompression of ultrashort optical pulses；(超短光脉冲的空间均匀展宽再压缩)(Opt.Lett；Vol.18，1651(1993)所述又进一步改进为球面抛物镜和球面柱面镜望远镜结构，虽然两种方案都得到了放大脉冲小于30fs的纪录结果，但前者的展宽率极低(200)，后者八次通过光栅衍射，损耗较大。而且上述方案的空间尺寸都较长，与CPA技术的台面尺寸优点相抵触，并都存在着引起光脉冲空间啁啾及时间啁啾的光学像差。
1995年法国及美国科学家如文献6和7所述6. Cheriaux等；Aberration-free stretcher design for ultrashort pulseamplification(用于超短脉冲放大的无象差展宽器设计)；Opt.Lett；Vol.21，414(1996)7. Detao.Du et al；Terawatt Tisapphire laser with a spherical reflec-tive-optic pulse expander(采用球面反射光学展宽器的太瓦脉冲钛宝石激光)；Opt.Lett；Vol.20，2114(1995)先后独立提出了共心凹凸球面镜望远镜结构的展宽器，这种结构不仅使展宽器的体积大为减小(图4)，而且还能部分消除光学像差，是目前最为先进和实用的脉冲展宽器。但是这种所谓的“无”像差展宽器由于采用的是球面镜结构，因此一方面在偏离共心处仍然存在着像差，并对具有超宽频谱的窄脉冲有着不可忽略的四阶色散；另一方面由于在光栅的非衍射方向也存在光学变换，从而伴随有不必要的空间啁啾，这也正是用这种展宽器仍未能获得小于30fs放大结果的主要原因。
本发明的目的是针对目前飞秒脉冲展宽器的不足和缺陷，提出了一种能完全排除光学象差和噪声“啁啾”的方法及展宽器的具体结构，从而使CPA技术经过最后的压缩阶段能获得与种子脉宽相近的高质量放大脉冲。
本发明提出的完全无像差的超短激光脉冲展宽器通过采用全息光栅及“共心”结构、放大率为1的凹凸抛物柱面反射镜组成的望远镜结构而实现。本发明具体包括1～2块全息衍射光栅、1～2块凹面抛物柱面全反镜、1块凸面抛物柱面全反镜、1～2块平面全反镜、一块屋脊反射镜，(附图5为各元件具体位置关系例图的主视图(a)和侧视图(b))。其中两凹面抛物柱面镜与凸面抛物柱面镜的相对位置为小角度结构，凸面抛物柱面反射镜的焦距为f，为保证“共心”结构及放大率为1的效果，凹面抛物柱面反射镜的焦距则相应的为-2f，与凸面抛物柱面反射镜间的距离应固定为2(|2f|-|f|)＝2|f|，各反射镜的柱面与柱面、抛物面与抛物面相互平行放置，凹面抛物柱面反射镜与凸面抛物柱面反射镜的反射面面对面放置；全息光栅的刻划线方向与反射镜柱面方向一致，在主视图面内呈倾角放置以适合衍射方向的要求所组成。当激光入射到光栅后，其将在平行于抛物面(主视面)的平面内发生色散衍射，全息光栅上该入射点与凹面抛物反射镜间的距离由这种展宽器所需要产生的展宽量而决定，系统中对屋脊反射镜、平面反射镜与光栅间的距离没有特殊要件，实际中根据情况视方便而定。屋脊反射镜安置在第二次衍射之后衍射光光路上，用于将展宽一次的激光脉冲沿平行原光路的方向再反射回展宽系统中，以得到光斑形状被恢复的二次展宽光脉冲。
本发明提供的完全无像差的超短激光脉冲展宽方法具有宽带光谱的待展宽飞秒光脉冲(001)首先入射到平面镜6上，经反射后入射到全息光栅4(002)进行色散衍射，衍射后其以发散形式到达凹面抛物柱面反射镜1(003)并由该镜再反射到凸面抛物柱面反射镜2(004)上，它将其再反射到凹面抛物柱面反射镜3(005)，由于凹面抛物柱面反射镜不存在任何像差，而凹面抛物柱面反射镜1及3与凸面抛物柱面反射镜2的这种结构组合等效于放大率为1的望远镜，因此由凹面抛物柱面反射镜3反射到全息光栅5(006)再次色散衍射后，其表现为具有正啁啾(色散)的宽束准直光(007)，并无任何光学像差和空间啁啾，完成一次脉冲展宽；为了将已得到一定展宽的宽束光斑复原为圆形光斑，本实施例进一步采用屋脊镜7，经其两次45度反射后，光脉冲又以平行于原方向的光路(008)再次入射到全息光栅5(009)，衍射后又到达凹面抛物柱面反射镜3(010)，由3再反射到凸面抛物柱面反射镜2(011)，由2再反射到凹面抛物柱面反射镜1(012)，最后入射到光栅4(013)进行色散衍射后，将得到光斑复原为圆形的二次展宽脉冲，并从平面反射镜6旁侧通过而离开展宽系统(014)。整个过程无任何光学像差。
和现有的技术相比，本发明具有如下的优点。
1.光学系统采用的是反射式结构，没有附加的材料色散，放大后的光脉冲易于压缩回原来种子脉冲的宽度。
2.由于采用了抛物面反射镜，因此完全避免了轴向和非轴向的光学像差，从而排除了压缩系统难以补偿的空间啁啾。
3.由于采用了柱面反射镜结构，故在光栅的非衍射面没有光学成象变换，避免了可能引起的光学畸变和空间啁啾4.由于采用了放大率为1的凹凸反射式望远镜结构，因此展宽器的长度被大大缩短，有利于做到更加紧凑的台面放大结构。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明如下图1为CPA技术的一般原理图。
图2为透射式望远镜结构的超短激光脉冲展宽器。两透镜(2、3)焦距相等，间距为焦距之和，光栅(1、4)位于焦平面之内，其与透镜的间距决定了展宽器的正色散量，即展宽率。01为入射的待展宽脉冲，02为展宽后的啁啾脉冲。
图3为反射式望远镜结构的超短激光脉冲展宽器。两球面镜共心放置，曲率半径相等，原理与透射式相同，其中1、2为等曲率的球面镜，3、4为光栅、5为屋脊反射镜，6、7为平面镜，01为待展宽光脉冲，02为展宽后的啁啾脉冲。
图4为凹凸球面镜组成的反射式望远镜结构的超短激光脉冲展宽器。其中1为凹面球面镜，2为凸面球面镜，凹面球面反射镜的曲率是凸面球面反射镜的两倍，3全息为光栅，屋脊棱镜4用于使脉冲再次通过展宽器，5为平面镜。
图5为本发明的超短激光脉冲展宽器结构示意图；(a)为主视图，(b)为侧视图。
图6(a)为由本发明的另一实施例的主视图，图6(b)为本发明的另一实施例的侧视图。
图7为本发明的另一实施例结构示意图。
图面说明如下1、3为凹面抛物柱面全反镜，2为凸面抛物柱面全反镜，4、5为全息光栅，6为平面全反镜，7为直角屋脊反射镜。
实施例1实施例1可通过图5而实现完全无像差的超短激光脉冲展宽器装置，图5(a)为主视图，图5(b)为侧视图，具体结构描述如下1、3为凹面抛物柱面反射镜，典型口径为a1×b1的长方形，其中抛物面方向的长度为a1，柱面方向的长度为b1，抛物面的方程为y2＝2p1x，作为典型值，一般可取a1≈200mm，b1≈50mm，p1≈1000mm.
2为凸面抛物柱面反射镜，典型口径为a2×b2的长方形结构，其中抛物面方向为a2，柱面方向为b2，抛物面方程为y2＝-p1x，其与1和3的顶点距离d均固定为p1/2。作为典型值，可取a2≈120mm，b2≈20mm，凹凸镜间距d＝(p1/2)≈500mm.
4、5为全息光栅，近Littow角入射。
6为普通平面全反镜，实际使用中可加工为直径20～30mm的圆形或半圆形镜片。
7为屋脊反射镜。
在实际制做本实施例的结构中用两块凹面抛物柱面镜1、3与凸面抛物柱面镜2的相对位置为小角度结构，两凹面抛物柱面镜1、3与凸面抛物柱面镜2间的距离固定为2|f|，其中凹面抛物柱面镜1、3的焦距为-2f，凸面抛物柱面镜的焦距为f，各反射镜的柱面与柱面、抛物面与抛物面相互平行放置，凹面抛物柱面反射镜1、3与凸面抛物柱面反射镜2面对面放置，全息光栅4、5的刻划线方向与反射镜柱面方向一致，在主视图面内呈倾角放置以适合衍射方向的要求，调节全息光栅4、5与凹面抛物柱面反射镜1、3间的距离，则可以对光脉冲实现不同的啁啾色散。
实现完全无像差的超短激光脉冲展宽的方法结合图5说明如下具有宽带光谱的待展宽飞秒光脉冲(001)首先入射到平面镜6上，经反射后入射到全息光栅4(002)进行色散衍射，衍射后其以发散形式到达凹面抛物柱面反射镜1(003)并由该镜再反射到凸面抛物柱面反射镜2(004)上，它将其再反射到凹面抛物柱面反射镜3(005)，由于凹面抛物柱面反射镜不存在任何像差，而凹面抛物柱面反射镜1及3与凸面抛物柱面反射镜2的这种结构组合等效于放大率为1的望远镜，因此由凹面抛物柱面反射镜3反射到全息光栅5(006)再次色散衍射后，其表现为具有正啁啾(色散)的宽束准直光(007)，并无任何光学像差和空间啁啾，完成一次脉冲展宽；为了将已得到一定展宽的宽束光斑复原为圆形光斑，本实施例进一步采用屋脊镜7，经其两次45度反射后，光脉冲又以平行于原方向的光路(008)再次入射到全息光栅5(009)，衍射后又到达凹面抛物柱面反射镜3(010)，由3再反射到凸面抛物柱面反射镜2(011)，由2再反射到凹面抛物柱面反射镜1(012)，最后入射到光栅4(013)进行色散衍射后，将得到光斑复原为圆形的二次展宽脉冲，并从平面反射镜6旁侧通过而离开展宽系统(014)。整个过程无任何光学像差。
实施例2图6为对实施例1稍作修改后采用单个凹面抛物柱面镜及单个衍射光栅的紧凑经济型装置结构，图6(a)为主视图，图6(b)为侧视图，其中1为抛物柱面凹面抛物柱面反射镜、2为抛物柱面凸面抛物柱面反射镜、3为高效率全息衍射光栅、4为平面反射镜或屋脊反射镜(采用平面镜可做到更小的夹角)、5为宽带平面全反镜，各元件的参数位置与实施例1基本相同，即凹面抛物柱面镜与凸面抛物柱面镜间的距离固定为2|f|，凹面抛物柱面镜的焦距为-2f，凸面抛物柱面镜的焦距为f；凹面抛物柱面反射镜与凸面抛物柱面反射镜面对面放置，光栅的刻划线方向与反射镜柱面方向一致，在主视图面内呈倾角放置以适合衍射方向的要求。其实现展宽的方法如图6所示，当待展宽的入射光脉冲(01)通过本实施例经过一次展宽后，由平面镜或屋脊反射镜4将其以沿倾斜于原光路的方向再反射回展宽系统中，最后将得到光斑形状复原了的二次展宽激光脉冲(02)，这种结构中凹凸抛物柱面反射镜的柱面方向及光栅的刻线方向相互平行，光脉冲的来回反射以两镜的轴线为对称，与实施例一中正入射情况不同的是本实施例中光在该面内(侧视面)的反射具有一定的小角度，但由于是柱面结构，因此不存在任何像差，这正是本发明的优点之一。
实施例3图7同样为对实施例1稍作修改后采用单个凹面抛物柱面镜及单个衍射光栅的紧凑经济型结构，图7(a)为主视图，图7(b)为侧视图，各元件的参数位置与实施例2基本相同，所在区别是本实施结构中凹凸抛物柱面反射镜的柱面方向及光栅的刻线方向相互也以小夹角放置，光脉冲的来回反射不再以两镜的轴线为对称，这样结构的优点是光栅3的宽度不要求很宽，因此成本可以得到进一步降低。
权利要求
1.一种完全无像差的超短激光脉冲展宽器，包括1-2个全息光栅、1个平面反射镜、1个屋脊反射镜，其特征还在于包括1-2个凹面抛物柱面反射镜和1个凸面抛物柱面反射镜；其中各反射镜的柱面与柱面、抛物面与抛物面相互平行放置，凹面抛物柱面反射镜与凸面抛物柱面反射镜面对面放置；全息光栅的刻划线方向与反射镜的柱面方向一致，在平行于抛物面内根据衍射要求呈倾角放置组成，
2.按权利要求1所述的完全无像差的超短激光脉冲展宽器，其特征在于1个凹面抛物柱面反射镜和1个凸面抛物柱面反射镜的柱面方向及全息光栅的刻线方向相互平行安置，光脉冲在柱面方向及光栅刻线方向以一定的小角度反射，经凸面抛物柱面反射镜前后反射的光脉冲以其轴线为对称位置；屋脊反射镜安置在第二次衍射之后衍射光光路上。
3.按权利要求1所述的完全无像差的超短激光脉冲展宽器，其特征在于凹面抛物柱面反射镜及凸面抛物柱面反射镜的柱面方向及全息光栅的刻线方向相互以小夹角放置，屋脊反射镜安置在第二次衍射之后衍射光光路上。
4.根据权利要求1-3所述的完全无相差的超短激光脉冲展宽器其特征在于凸面抛物柱面反射镜的焦距根据设计进行选取凹面抛物柱面镜的焦距为20cm、40cm或100cm，且两者之间的距离也为20cm、50cm或100cm
5.根据权利要求1-3所述的完全无相差的超短激光脉冲展宽器其特征在于全息光栅的光栅常数可根据展宽量进行选取，600线/mm、1200线/mm、1800线/mm或2000线/mm。
6.一种用权利要求1的完全无像差的超短激光脉冲展宽器的展宽方法，其特征在于具有宽带光谱的待展宽飞秒光脉冲(001)首先入射到平面镜6上，经反射后入射到全息光栅4(002)进行色散衍射，衍射后其以发散形式到达凹面抛物柱面反射镜1(003)并由该镜再反射到凸面抛物柱面反射镜2(004)上，它将其再反射到凹面抛物柱面反射镜3(005)，由凹面抛物柱面反射镜3反射到全息光栅5(006)再次色散衍射后，采用屋脊反射镜7，经其两次45度反射后，光脉冲又以平行于原方向的光路(008)再次入射到全息光栅5(009)，衍射后又到达凹面抛物柱面反射镜3(010)，由凹面抛物柱面反射镜3再反射到凸面抛物柱面反射镜2(011)，由2再反射到凹面抛物柱面反射镜1(012)，最后入射到光栅4(013)进行色散衍射后，将得到光斑复原为圆形的二次展宽脉冲，并从平面反射镜6旁侧通过而离开展宽系统(014)。
全文摘要
本发明涉及一种实现完全无相差的超短脉冲激发展宽的方法及装置。包括1—2相全息光栅、1个平面反射镜、1个屋脊反射镜、1—2个凹面抛物柱面反射镜和1个凸面抛物柱面反射镜;其中各反射镜的柱面与柱面抛物面与抛物面相互平行放置,凹面抛物柱面反射镜与凸面柱面反射镜面对面放置,全息光栅的刻线方向与反射镜的柱面方面一致,在平行于抛物面内根据衍射要求呈倾角放置组成。其展宽方法:当激光入射到平面镜经反射到全息光栅,并将在平行与抛物面的平面内发生色散衍射,再次反射到凹面柱面反射镜。整个展宽过程无任何光学相差。
文档编号H01S3/10GK1244057SQ9810352
公开日2000年2月9日 申请日期1998年7月31日 优先权日1998年7月31日
发明者魏志义, 张 杰 申请人:中国科学院物理研究所