专利名称：同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，也就是一种复合激光装置，在该激光装置上可同时产生脉宽不同的两个十太瓦(10TW)级激光脉冲。
在先技术中，英国I.N.Ross等人(参见I.N.Ross等人，Applied Optics,39卷，2422-2427页，2000年)，提供一台光学参量啁啾脉冲放大器(英文是OpticalParametric Chirped Pulse Amplifiers，所以通常简称为OPCPA，本文以下为了叙述方便也用此简称)，它由信号种子光脉冲同步控制的普克尔盒电光开关，从一台调Q的掺钕钇铝石榴石(NdYAG)激光振荡器产生的约5ns(ns为纳秒)级单脉冲中削出一个宽度为600ps(ps为皮秒)的脉冲，然后进行放大、倍频，作为OPCPA的泵浦源。这种OPCPA的激光装置结构的缺点是1.由于它采用的普克尔盒电光开关的内在性能引起不可克服的时间抖动，因而时间同步精度低，装置较复杂，调整不方便；2.泵浦激光脉冲倍频后剩余的光能量(即基频光)没有充分利用；3.它的激光装置只能产生一个固定脉冲宽度的太瓦级激光脉冲。
本发明的目的是提供一种能产生精确可控制时间同步精度的两个不同激光脉冲宽度的10TW级激光装置。它能同时产生两个不同脉宽的10TW级激光脉冲。特别是这两个10TW的激光脉冲可调节相对延迟进行所需要的组合，以满足特殊的要求。
本发明的激光装置主要包括飞秒锁模激光器1，脉冲宽度展宽器2，分束器3，第一时间延时调节器4，第二时间延时调节器8，光学参量啁啾脉冲放大器5，第一脉宽压缩器6，第二脉宽压缩器9，泵浦激光脉冲放大链11，倍频器10和光束组合导引器7。
本发明的激光装置的具体结构是由飞秒锁模激光器1发射的激光束G0进入脉冲宽度展宽器2，由置于脉冲宽度展宽器2内的分束器3分成脉冲宽度不相等、能量相等的第一束激光束G1和第二束激光束G2。分成的第一束激光束G1依次经过第一时间延时调节器4，光学参量啁啾脉冲放大器5和第一脉宽压缩器6进入光束组合导引器7后输出。分成的第二束激光束G2经过泵浦激光脉冲放大链11进入倍频器10。由倍频器10输出的倍频光束G2ω进入光学参量啁啾脉冲放大器5。由倍频器10输出的基频光束Gj依次经过第二脉宽压缩器9和第二时间延时调节器8进入光束组合导引器7后输出。如图1所示。
所说的脉冲宽度展宽器2主要含有光栅201，有凹反射面与光栅201栅面相对的凹面全反射镜202，有凸反射面与凹面全反射镜202的凹反射面相对的凸面全反射镜203。有90度内反射面向着光栅201栅面置放的90度全反射镜204。如图2所示。
所说的分束器3是置于脉冲宽度展宽器2内的光栅201与90度全反射镜204之间。如图2所示，分束器3是表面镀有反射率50％，透过率50％介质膜的平行平板，或者是反射为50％透过为50％的分束棱镜。
所说的飞秒锁模激光器1是输出激光束脉冲宽度为10～150飞秒，能量大于1纳焦耳(nJ)波长λ从750～1100纳米(nm)可调的激光振荡器。
所说的第一时间延时调节器4主要含有两个90度反射面相对置放的第一90度全反射镜401和第二90度全反射镜402。两90度全反射镜401和402带有相对移动机构。所以两90度全反射镜401和402可以相对移动。如图3所示。
所说的第二时间延时调节器8的结构与第一时间延时调节器4的结构相同。
所说的光学参量啁啾脉冲放大器5是由n≥3级的通光口径逐级增大的非线性晶体构成。非线性晶体是三硼酸锂(LBO)晶体，或是β-偏硼酸钡(BBO)晶体，或是磷酸二氢钾(KDP)晶体，或是磷酸二氘钾(DKDP)晶体，或是钛氧磷酸钾(KTP)晶体。如图4所示的实施例中光学参量啁啾脉冲放大器5的结构，其中n=3，为3级501、502、503，3级的口径是逐级增大的。501和502都是由LBO晶体构成，503是由KDP晶体构成。
所说的第一脉宽压缩器6主要含有一对光栅，第一光栅601和第二光栅602，两光栅601和602的栅面相对半错开置放的。有反射面相对第一光栅601栅面置放的第一全反射镜603，有反射面相对第二光栅602栅面置放的第二全反射镜604。如图5所示。
所说的第二脉宽压缩器9的结构与第一脉宽压缩器6的结构相同。只是构成第二脉宽压缩器9的一对光栅的参数与第一脉宽压缩器6的一对光栅601和602的参数不同。
所说的泵浦激光脉冲放大链11主要含有光束在它内部多次往返放大的再生放大器1101和由n≥3级通光口径逐级增大的激光放大器构成的主放大器1102。如图6所示。
所说的光束组合导引器7包括第一1/2波长片702和第二1/2波长片701，透过第一1/2波长片702的光束经过全反射镜703和偏振片705至旋光片704后输出。透过第二1/2波长片701的光束透过偏振片705至旋光片704后输出。如图7所示。
下面再进一步具体说明本发明激光装置中各部分的构成及其作用。
图1中的飞秒锁模激光器1的参数如上所述，它能输出脉冲宽度为飞秒量级、光谱带宽可达几十到几百纳米(nm)的激光脉冲，作为整个激光装置的信号源。
图2中脉冲宽度展宽器2的构成主要含有一块光栅201、凹面全反射镜202、凸面全反射镜203和90度全反射镜204，当进入脉冲宽度展宽器2内的飞秒激光脉冲多次在光栅201和凹面全反射镜202之间经过，也就是激光束多次经受光栅衍射的群速度色散作用，使组成激光脉冲的光谱分量产生啁啾，从而使激光脉冲的时间宽度展宽。
分束器3是镀有反射和透过各为50％的介质膜(T～R～50％)的反射镜，它安放在脉冲宽度展宽器2内的光路中，如图2所示。它将脉冲展宽后的啁啾激光脉冲分成等能量的脉冲宽度不相等的两个脉冲，分别作为光学参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)5的种子信号光和泵浦激光脉冲放大链11的脉冲信号光。
第一时间延时调节器4如图3所示。它主要含有两个可以相对移动的90度全反射镜401,402，相对平行移动401和402时，可以使入射到光学参量啁啾脉冲放大器5上的种子信号光获得需要的时间延迟量，使种子信号光能够与倍频器10输出的倍频光束作为泵浦光束同步地到达光学参量啁啾脉冲放大器5内，从而实现放大作用。
光学参量啁啾脉冲放大器5如图4所示。它按照激光参量放大器所确定的匹配角度切成n≥3级的通光口径逐级增大的非线性晶体构成。如图4中LBO晶体501和502，以及KDP晶体503，由分束器3分出的第一束激光束G1经过第一时间延时调节器4射出的作为光学参量啁啾脉冲放大器5的种子信号光和倍频光进行共线同步泵浦，使种子信号光作无光谱畸变放大、从而获得所需要的增益和放大信号。
第一脉宽压缩器6和第二脉宽压缩器9结构相同，均含有两个栅面相对而半错开放置的两光删601和602，以及全反射镜603与604，如图5所示。两光栅使入射的啁啾激光脉冲获得色散补偿，从而使脉冲宽度压缩。
光束组合导引器7如图7所示。它包括第一1/2波长片702和第二1/2波长片701、偏振片705、全反射镜703和45度石英晶体的旋光片704。偏振片705是有多层介质膜的偏振片。当两束激光束分别进入光束组合导引器7内第一1/2波长片702和第二1/2波长片701后，再由两1/2波长片702和701分别将两束入射光束的偏振状态校正到相互垂直(称为“正交”)，由第一1/2波长片702射出的光束经全反射镜703反射后，以接近布儒斯特角射到偏振片705上，再由偏振片705反射。由第二1/2波长片701射出的光束透过偏振片705，此时两束光光轴已重合在一起。但两光脉冲在时间上不一定重合，如需要重合，可以调节第二时间延时调节器8。由偏振片705射出的两束光都通过一块45度石英晶体的旋光片704，则此后两束光的偏振方向便达到一致。本发明中的光束组合导引器7可使两束偏振光的全部能量(或功率)不受损失地叠加到一起。
倍频器10主要是由倍频晶体构成，如磷酸二氢钾(KDP)晶体，β-偏硼酸钡(BBO)晶体，磷酸二氘钾(DKDP)晶体等。它能以一定的转换效率将入射的激光脉冲(基频ω)进行倍频，产生倍频(2ω)光束G2ω和剩余的基频光束Gj。
泵浦激光脉冲放大链11如图6所示。它由一台光脉冲在它内部多次往返放大的再生放大器1101和由n≥3级的通光口径逐级增大的激光放大器构成的主放大器1102组成。再生放大器可将能量只有1nJ的泵浦光源脉冲信号放大到几mJ量级，然后再由主放大器把激光脉冲的能量进一步放大到需要的水平，例如几十J量级。泵浦激光脉冲放大链11能使被放大的脉冲信号的光谱保持一定的宽度。
本发明的激光装置的运行过程是由同一台飞秒锁模激光器1输出的激光脉冲经脉冲宽度展宽器2将脉冲展宽，由分束器3将展宽到300ps时的激光脉冲分成能量相等的两束光，此时输出第一束激光束光G1作为光学参量啁啾脉冲放大器5的种子信号光，首先进入第一时间延时调节器4，再进入光学参量啁啾脉冲放大器5放大到所需要的能量水平后，进入第一脉宽压缩器6对脉冲宽度进行压缩，达到10TW/～100fs(fs为飞秒)的功率水平。由分束器3分出的第二束激光束G2被展宽器2继续展宽到600ps，作为泵浦光源脉冲信号，送进泵浦激光脉冲放大链11放大达到所需要的能量水平，再经过倍频器10倍频。由倍频器10输出的倍频光束G2ω被导引至光学参量啁啾脉冲放大器5作为泵浦光束，而倍频后剩余的激光脉冲即基频光束Gj被送进第二脉宽压缩器9进行脉宽压缩，达到10TW/～1ps的水平后，再通过第二时间延时调节器8进入光束组合导引器7。两束被压缩后的10TW激光脉冲光束进入光束组合导引器7，就可以按照需要进行时间延迟或强度组合，最后输出使用。
本发明的优点是
1．作为泵浦光源脉冲信号的第二束激光束G2与作为光学参量啁啾脉冲放大器5的种子信号光的第一束激光束G1，都是出自同一个锁模激光脉冲，因此，两个脉冲信号相互之间、或经过放大器放大后的两个高功率激光脉冲，可以用简单的时间延时调节器4和8达到精确的同步，其同步精度可达到10飞秒以下(仅受监测仪器分辨率的限制)，而且不产生抖动。
2．作为泵浦光源脉冲信号的第二束激光束G2放大后经倍频器10倍频后剩余的基频光束Gj的能量可以充分利用。由于该激光束Gj的泵浦光源脉冲信号具有飞秒脉冲的带宽，而且在放大时又是保持在一定带宽，固此倍频后剩余的光脉冲可以用第二脉宽压缩器9进行脉宽压缩，达到～1皮秒量级，而且能产生10TW/～1ps的激光脉冲。
3．由光学参量啁啾脉冲放大器5输出的光脉冲，经过第一脉宽压缩器6压缩后，可以产生10TW/～100fs的激光脉冲。这个脉冲与上述的泵浦光源脉冲信号倍频后剩余的光脉冲Gj经压缩后具有相同的功率，而脉冲宽度不同。在实际应用中，可以灵活运用各自的脉冲进行相关的工作，或者以精确可控的时间同步精度使两个10TW级激光脉冲，用光束组合导引器7进行组合，从而满足不同的要求。
图1为本发明的激光装置结构示意2为本发明的激光装置中脉冲宽度展宽器2与分束器3的结构排布示意3为本发明的激光装置中第一时间延迟调节器4的光路示意4为本发明的激光装置中光学参量啁啾脉冲放大器5的结构示意5为本发明的激光装置中第一脉宽压缩器6的结构示意6为本发明的激光装置中泵浦激光脉冲放大链11的结构示意7为本发明的激光装置中光束组合导引器7的结构示意图下面结合
本发明的实施例。
实施例如图1所示的结构。飞秒锁模激光器1是一台克尔透镜自锁模方式的飞秒锁模钛宝石激光器，输出一列脉宽为100fs的波长为1064nm的锁模脉冲，单脉冲能量～3nJ，进入脉冲宽度展宽器2后，当激光脉宽展宽到300ps时，由分束器3分出50％能量的光作为光学参量啁啾脉冲放大器5的种子信号光的第一束激光束G1，能量约1纳焦耳(1nJ)，而余下50％能量的光脉冲被继续展宽到600ps，作为泵浦光源脉冲信号的第二束激光束G2，能量约1纳焦耳。将第一束激光束G1送至第一时间延时调节器4，调节适当时间延迟后，送进已由倍频器10输出倍频光束G2ω作为泵浦光与其同步泵浦的光学参量啁啾脉冲放大器5内进行放大。本实施例中光学参量啁啾脉冲放大器5为n=3级，是由两块LBO晶体作为第一放大级501、第二放大级502和一块KDP晶体作为第三放大级503，如图4所示。由光学参量啁啾脉冲放大器5输出的光脉冲再经第一脉宽压缩器6压缩成10TW/～200fs(能量约2J)的高功率激光脉冲；第二束激光束G2被送至泵浦激光脉冲放大链11(本实施例中泵浦激光脉冲放大链11主要是钕玻璃再生放大器和n=7级钕玻璃放大器构成的主放大器)放大到30J的水平，经倍频器10倍频后，得到15J的532nm/500ps绿光，被送至光学参量啁啾脉冲放大器5作泵浦光。倍频余下的15J的1064nm/600ps激光脉冲，进入第二脉宽压缩器9，压缩成10TW/～800fs(能量约8J)的光脉冲。两个压缩后的光脉冲由第二时间延时调节器8和光束组合导引器7进行各种时间延迟和组合，最后输出使用。
权利要求
1．一种同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，包括飞秒锁模激光器(1)，脉冲宽度展宽器(2)，分束器(3)，时间延时调节器(4,8)，光学参量啁啾脉冲放大器(5)，脉宽压缩器(6,9)和倍频器(10)，其特征在于具体结构是<1>飞秒锁模激光器(1)发射的激光束(G0)进入脉冲宽度展宽器(2)，由置于脉冲宽度展宽器(2)内的分束器(3)分成脉冲宽度不相等，能量相等的第一束激光束(G1)和第二束激光束(G2)；<2>分成的第一束激光束(G1)依次经过第一时间延时调节器(4)，光学参量啁啾脉冲放大器(5)和第一脉宽压缩器(6)进入光束组合导引器(7)后输出；<3>分成的第二束激光束(G2)经过泵浦激光脉冲放大链(11)进入倍频器(10)；<4>由倍频器(10)输出的倍频光束(G2ω)进入光学参量啁啾脉冲放大器(5)，由倍频器(10)输出的基频光束(Gj)经过第二脉宽压缩器(9)和第二时间延时调节器(8)进入光束组合导引器(7)后输出。
2．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的光束组合导引器(7)包括第一1/2波长片(702)和第二1/2波长片(701)，透过第一1/2波长片(702)的光束经过全反射镜(703)和偏振片(705)至旋光片(704)后输出，透过第二1/2波长片(701)的光束经过偏振片(705)至旋光片(704)后输出。
3．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的脉冲宽度展宽器(2)含有光栅(201)，有凹反射面与光栅(201)栅面相对的凹面全反射镜(202)，有凸反射面与凹面全反射镜(202)的凹反射面相对的凸面全反射镜(203)，有90度内反射面向着光栅(201)栅面置放的90度全反射镜(204)；所说的分束器(3)是置于脉冲宽度展宽器(2)内的光栅(201)与90度全反射镜(204)之间。
4．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的飞秒锁模激光器(1)是输出激光束脉冲宽度为10～150飞秒，能量大于1纳焦耳，波长从750～1100纳米可调的激光振荡器。
5．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的第一时间延时调节器(4)主要含有两个90度反射面相对置放的第一90度全反射镜(401)和第二90度全反射镜(402)，两90度全反射镜(401,402)带有相对移动机构，所说的第二时间延时调节器(8)的结构与第一时间延时调节器(4)的结构相同。
6．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的光学参量啁啾脉冲放大器(5)是由n≥3级的通光口径逐级增大的非线性三硼酸锂晶体，或是β-偏硼酸钡晶体，或是磷酸二氢钾晶体，或是磷酸二氘钾晶体，或是钛氧磷酸钾晶体构成。
7．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的泵浦激光脉冲放大链(11)主要含有再生放大器(1101)和由n≥3级通光口径逐级增大的激光放大器构成的主放大器(1102)。
8．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的第一脉冲压缩器(6)主要含有一对栅面相对半错开置放的第一光栅(601)和第二光栅(602)，有反射面相对第一光栅(601)栅面置放的第一全反射镜(603)，有反射面相对第二光栅(602)栅面置放的第二全反射镜(604)；所说的第二脉宽压缩器(9)的结构与第一脉宽压缩器(6)的结构相同。
9．根据权利要求1所述的同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置，其特征在于所说的分束器(3)是表面镀有反射率50％和透过率50％介质膜的平行平板，或是反射为50％透过为50％的分束棱镜。
全文摘要
一种同步输出十太瓦级不同脉宽的双脉冲激光装置,包括由飞秒锁模激光器发射的激光束经脉冲宽度展宽器和分束器,分出两束能量相等,脉宽不等的光束,一束经时间延时调节器,光学参量啁啾脉冲放大器和脉宽压缩器进入光束组合导引器。另一束经泵浦激光脉冲放大链进入倍频器。倍频光束泵浦光学参量啁啾脉冲放大器,余下的基频光经脉宽压缩器和时间延时调节器进入光束组合导引器。由光束组合导引器输出十太瓦级不同脉宽的两个光脉冲。
文档编号G02F1/35GK1297268SQ0012783
公开日2001年5月30日 申请日期2000年12月8日 优先权日2000年12月8日
发明者徐至展, 林礼煌, 李儒新, 杨晓东, 张正泉, 金石琦, 陆海鹤, 冷雨欣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所