一种高能脉冲激光分离压缩方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及强场激光技术领域，具体是一种高能脉冲激光的压缩方法，特别是采用脉冲分离/合成装置降低单个脉冲能量在低损伤阈值脉冲压缩装置中实现高能脉冲输出的方法。本发明还涉及用于高能脉冲激光分离压缩的装置。
【背景技术】
[0002]高能量的超短激光脉冲在激光快点火、激光诱导等离子体光谱测量、精密加工、材料表面处理等科研和工业领域都有着广泛的需求。随着激光技术的不断发展，当前我国升级后的神光II激光装置能实现脉冲能量3kJ的纳秒脉冲和能量IkJ的皮秒脉冲输出，对应的激光聚焦功率密度约为102°W/cm2，该装置产生的强电场、强磁场的极端实验条件为高能物理在万焦耳级平台的实验研宄提供了保障。
[0003]现阶段为实现高能量超短脉冲的输出，主要采用啁啾脉冲放大技术的激光系统，其中，基于光栅的脉冲压缩装置作为系统最终输出端的色散补偿单元，作用十分重要。由于脉冲压缩装置紧跟功率主放大器，处在系统的末端，使得脉冲压缩装置中激光脉冲的峰值功率很高，对光栅等器件的抗损伤阈值要求高。为降低单位面积上的能量密度，保证光栅在高能脉冲激光场合的正常使用，光栅的发展过程在尺寸上由小到大，在类型上由镀金全息光栅到多层介质膜光栅。然而，受限于光栅材料的损伤阈值，在高能激光场合还需要对光束口径扩束。为避免高能激光在空气中的传输损耗，更好的保护光栅，在10-100TW的系统中，还需要将整个脉冲脉冲压缩装置建立在真空室中，一方面对光束的空间整形和系统的真空维护提出了要求，增加了系统的复杂度，另一方面也对大尺寸高抗损伤阈值光栅的加工技术提出了要求，增加了系统的成本。如何在现有光栅的抗损伤阈值条件下，实现更高能量的激光脉冲输出，成为当前亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种新型的脉冲分离压缩方法来克服光栅等脉冲压缩装置件的抗损伤阈值，在现有器件及材料的基础上，通过改进系统结构，结合分离脉冲技术，实现高能量窄脉宽的激光输出。本发明提供了一种高能脉冲激光分离压缩方法及装置。
[0005]本发明方法的技术方案为:
[0006]一种高能脉冲激光分离压缩方法，包括:
[0007]步骤1、对输入的脉冲激光进行偏振选择，得到所需偏振方向的线偏振激光脉冲；
[0008]步骤I1、将所述线偏振激光脉冲在时域上进行N级分离；每级分离时，先将入射激光分离为偏振方向彼此垂直两束激光，此时一个脉冲被分为一对偏振方向彼此垂直的子脉冲；再对其中一束激光引入延时，使每对所述偏振方向彼此垂直的子脉冲在时域上分离；将分离后的两束激光汇聚为一束，该束激光脉冲数量加倍；经过N级分离后，得到一束包含2N个子脉冲的脉冲激光；
[0009]步骤II1、将2N个子脉冲进行压缩；
[0010]步骤IV、将压缩后的2N个子脉冲合成为一个高能激光脉冲；
[0011 ] 步骤V、输出压缩后的高能脉冲激光。
[0012]优选的，步骤III中，所述子脉冲进行压缩时，子脉冲先通过压缩装置进行第一次压缩，将出射的子脉冲光路反转，使其沿原光路反向入射至压缩装置中进行第二次压缩。
[0013]优选的，步骤IV中，所述子脉冲合成为子脉冲分离的逆向过程，子脉冲合成时，将压缩后的各子脉冲偏振方向均旋转90度并沿原脉冲分离光路反向入射至用于脉冲分离的光学单元，出射时全部子脉冲合成为一个高峰值功率激光脉冲。
[0014]本发明装置的技术方案为:
[0015]一种高能脉冲激光分离压缩装置，包括光路中顺序设置的脉冲激光光源、偏振选择装置、脉冲分离/合成装置、脉冲压缩装置和偏振反转装置，其中:
[0016]脉冲激光自所述脉冲激光光源出射，经偏振选择装置得到线偏振光，该线偏振脉冲入射脉冲分离/合成装置；所述脉冲分离/合成装置为多级结构，包括多级分离单元，入射激光逐级依次入射分离单元，每级分离单元光轴均与入射光路存在固定的夹角；通过将每级分离单元整体相对前一级绕入射光路旋转一定角度或在每级分离单元间加入1/2波片，调节光轴与入射脉冲偏振方向的夹角，使入射每级分离单元的每个脉冲均可分解为一对偏振方向相互垂直的脉冲分量，形成一对子脉冲；分离单元对其中一个子脉冲弓I入延时，使偏振方向相互垂直的成对子脉冲在时域上分离，分离单元引入的延时量随级数增加而逐渐增大；自脉冲分离/合成装置出射的脉冲光束入射脉冲压缩装置，脉冲压缩装置出射的脉冲光束入射偏振反转装置后各个脉冲偏振方向旋转90度，同时脉冲光束沿原出射光路逆向传播形成反转光路；偏振选择装置将沿反转光路入射的脉冲光束输出。
[0017]优选的，所述偏振选择模块为偏振分束晶体或光纤式偏振分束器。
[0018]优选的，所述脉冲压缩装置为偏振不敏感的压缩单元，对偏振方向相互垂直的激光均能实现压缩作用；压缩单元为光栅对、棱镜对、色散补偿光纤或光子晶体光纤。同时，压缩单元可以是补偿二阶色散的线性脉冲压缩装置，也可以是基于惰性气体的非线性脉冲脉冲压缩装置。
[0019]优选的，所述偏振反转装置为法拉第旋转反射镜，包括前端的法拉第旋转器和后端的全反射镜。
[0020]优选的，所述脉冲分离/合成装置的分离单元由两块厚度相同的双折射晶体平板重叠拼合而成，两平板光轴相对拼合界面镜像对称，脉冲激光入射与出射均垂直平板表面；平板厚度随分离单元级数倍增，其向子脉冲引入的延时量线性增加；每级分离单元整体相对上一级围绕入射光路旋转45度。
[0021]另一优选的，所述脉冲分离/合成装置的分离单元由偏振分束晶体、两个1/4波片和一对全反射镜组成，偏振分束晶体置于入射光路中，入射光分束垂直于入射方向；一对全反射镜分别位于偏振分束晶体分束光路两端，全反射镜前分别设置1/4波片；一对全反射镜之间的距离随分离单元级数倍增，其向子脉冲引入的延时量线性增加；每级分离单元整体相对上一级围绕入射光路旋转45度。
[0022]另一优选的，所述脉冲分离/合成装置的分离单元由两个光纤式偏振分束器和两段单模保偏光纤构成，前端的光纤式偏振分束器将入射光分成两路分别親合入两段单模保偏光纤，后端的光纤式偏振分束器将两段单模保偏光纤中的光合成为一路；两段单模保偏光纤的长度差随分离单元级数倍增，其向子脉冲引入的延时量线性增加；每级的单模保偏光纤熔接时，将其慢轴相对前级呈45度熔接。
[0023]脉冲分离/合成模块原理为，按照相互垂直的偏振态，引入不同的延时，将脉冲在时域上分成多个子脉冲，或者将多个子脉冲合成一个脉冲。
[0024]本发明高能脉冲分离压缩由激光输入、偏振选择、脉冲分离/合成、脉冲压缩、偏振反转光路反射及高能激光输出共六个部分组成。所述的脉冲脉冲压缩装置处在脉冲分离/合成模块和偏振反转光路反射模块之间，入射激光脉冲两次经过脉冲压缩装置，两次进入脉冲压缩装置时偏振态相互垂直。激光输入后，经过偏振选择模块，得到线偏振态的激光脉冲，然后经过脉冲分离模块，在时域上按照偏振态彼此垂直的方式，分成2的整数次方个子脉冲，对应的脉冲能量降低，再进入脉冲压缩装置，进行脉冲宽度的第一次压缩。第一次压缩后，脉冲入射到偏振反转光路反射模块，偏振态旋转90度，传播方向与之前相反，再次经过脉冲压缩装置，进行脉冲宽度的第二次压缩，第二次压缩后的脉冲经过脉冲合成模块，多个子脉冲合成为一个，单脉冲能量增加，最后再经过偏振选择模块，从高能激光输出模块出射。
[0025]本发明技术方案具有以下优点:
[0026]1.将脉冲分离技术与脉冲压缩技术结合，降低脉冲压缩装置中激光的单脉冲能量，在现有脉冲压缩装置的材料和损伤阈值条件下，实现更高能量的超短激光脉冲输出；
[0027]2.入射脉冲两次经过脉冲压缩装置，进行了两次压缩，色散补偿量增大，总的补偿量是单次经过脉冲压缩装置的两倍；
[0028]3.采用色散补偿光纤或光子晶体光纤作为压缩元件，能在全光纤结构的激光系统中实现高能超短脉冲输出。
【附图说明】
[0029]图1为本发明方法原理示意图；
[0030]图2为本发明实施例1使用双折射晶体和棱镜的压缩装置结构示意图；
[0031]图3为本发明实施例2使用偏振分束晶体和光栅的压缩装置结构示意图；
[0032]图4为本发明实施例3全光纤式压缩方法的结构示意图。
[0033]其中:
[0034]1.脉冲激光光源；2.偏振选择装置；
[0035]211.1/2波片；212.偏振分束晶体
[0036]231.光纤式偏振控制器；232.光纤式偏振分束器；
[0037]3