专利名称：Cpa与opcpa混合式超高功率飞秒激光系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率激光系统，特别是一种CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，所述的CPA为啁啾脉冲放大的缩写，所述的OPCPA为光参量啁啾脉冲放大的缩写，所述的超高功率是指激光的聚焦峰值功率达到PW (IO15W)以上。
背景技术：
自从80年代CPA技术发明以来，立即成为提高激光系统输出峰值功率的主要技术途径，国内外多个激光实验室相继开展了相关的研究工作，超快高功率激光的输出峰值功率得到迅猛发展，从而推动了强场超快科学研究的不断深入，90年代初期，科学家又提出了OPCPA技术，因其可以支持较宽的放大带宽，较高的单程增益以及无热效应等优点，很快成为激光科学又一个研究热点，现今已经成为获得超短、超强激光的又一主流技术。基于CPA或OPCPA技术的超高功率高能激光为人类创造出前所未有的极端物理条件，随着激光聚焦功率密度的提升，其研究领域和研究深度都在不断提升。当聚焦功率密度超过1018W/cm2，激光与物质的相互作用，将主要由相对论电子的行为所决定，此时激光与物质相互作用将会伴随一系列的现象，诸如x射线的产生、r射线的产生、相对论自聚焦、高能电子和质子加速、中子和正电子的产生等等。这些新现象在揭示微观规律以及未来能源、国防等方面都具有潜在的意义。当可聚焦峰值功率密度达到1023W/cm2的超相对论光强时，强场科学将进一步推进到超强场的全新范畴，开拓一系列强场超快科学的新前沿新方向，特别是强场高能量密度物理、探索小型化超高梯度粒子加速新原理、台式化高亮度X射线等超强激光场与物质相互作用的相关战略高技术领域涉及的若干基础科学问题。当激光输出峰值功率达到5-10PW量级时，聚焦功率密度才可以达到1023W/cm2，满足上述科学研究的需求。经过20多年的快速发展，CPA技术已经相对成熟，它具有工作稳定、转换效率高等优点，随着钛宝石晶体生长技术及相关支撑技术的发展，基于CPA技术的钛宝石激光系统在SOOnm中心波段附近已经获得超过峰值功率1PW、脉冲宽度30fs量级的输出，但要想获得5-10PW量级乃至更高功率的输出，就需要通光口径在200mm左右乃至更大的钛宝石晶体作为放大介质，基于如此大尺寸的钛宝石，由于晶体横向尺寸是通光厚度的数倍以上，寄生振荡抑制成为一个关键难题，常规的钛宝石包边技术很难非常有效地抑制高能量泵浦下晶体中的寄生振荡，从而成为抑制更高能量CPA放大输出的主要瓶颈，此外，当晶体口径太大时，在较高重复频率下晶体的制冷也变得相对复杂。与CPA技术相比，OPCPA技术的工作介质是非线性光学晶体，具有单程增益高，可支持放大带宽大等优点，在基于大口径非线性晶体放大过程中，不存在寄生振荡效应，在较高工作频率下，也不存在热效应，只要晶体尺寸可以满足要求，就可实现高能量的输出，实施起来相对紧凑。因此，基于OPCPA技术的输出能量不受制约。但是，基于纯OPCPA的激光系统对激光光束指向性和稳定性以及延时的精确调节性要求高，光路调节较为复杂， 稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是提出一种CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，该系统充分结合了 CPA的高稳定性、高转换效率与OPCPA的单程增益高、无热效应、无寄生振荡的优点，可以实现稳定、高效的IOPW级高功率输出，甚至EW (IO18W)级的激光输出。本发明的技术解决方案如下一种CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，特征在于该系统由钛宝石飞秒锁模振荡器、可编程声光调制器、展宽器、CPA放大链、Nd: YAG泵浦源、CPA放大链高能泵浦源、OPCPA终端放大级、OPCPA放大级高能泵浦源、真空滤波器和压缩器组成，所述的CPA放大链依次由再生放大器、第一多通放大器、第二多通放大器和第三多通放大器组成，所述的OPCPA终端放大级依次由第一双色镜、非线性晶体和第二双色镜组成，所述的第一双色镜对泵浦光高反，对信号光宽带高透，所述的第二双色镜对泵浦光高透，对信号光宽带高反；上述元部件的位置关系如下所述的可编程声光调制器置于钛宝石飞秒锁模振荡器和脉冲展宽器之间，由钛宝石飞秒锁模振荡器产生的飞秒脉冲激光经所述的可编程声光调制器调制后，经所述的脉冲展宽器展宽成半高全宽为500ps 1. 5ns的啁啾脉冲,然后依次通过CPA放大链的再生放大器、第一多通放大器、第二多通放大器和第三多通放大器放大，再经所述的OPCPA终端放大级放大，放大后的激光脉冲经过真空滤波器扩束像传递后，由所述的压缩器压缩后输出，所述的Nd: YAG泵浦源对所述的再生放大器和第一多通放大器进行泵浦，所述的CPA放大链高能泵浦源对第二多通放大器和第三多通放大器进行泵浦，所述的OPCPA放大级高能泵浦源通过第一双色镜 导入到非线性晶体上，对所述的OPCPA终端放大级进行泵浦。所述的非线性晶体为口径为IOcm 15cm的三硼酸锂(LiB3O5,以下简称为LB0)、三硼酸氧钙钇(YCa4O (BO3)3,以下简称为YC0B)或磷酸二氘钾(以下简称为DKDP)晶体，晶体的切割角由泵浦光和信号光的波长在晶体内满足相位匹配的条件(ξ = ，其中kp=2 πηρ/λ p, ks=2 31 ns/ λ s, ki=2 31 IIi/λ J, λ p和np是分别泵浦光的波长和折射率，λ s和ns分别是信号光的波长和折射率，λ i和Iii分别为闲频光的波长和折射率，满足I/ λ ρ=1/ λ +I/ λ j)决定的，晶体固定在六维精密调整架上。所述的第一双色镜具有旋转和俯仰调整机构。所述的CPA放大链高能泵浦源为脉宽为20ns的钕玻璃激光系统，依次由1053nm单纵模连续激光种子源、普克尔盒、再生放大器、钕玻璃放大链、倍频器、20% :80%分光镜、50% 50%分光镜、高反镜和电信号同步延时控制器组成，普克尔盒将1053nm单纵模连续激光种子源产生的连续激光削波成脉宽为20ns的激光脉冲，激光脉冲经过再生放大器和钕玻璃放大链放大后，再经过倍频器倍频，输出波长为527nm单脉冲能量为IlOJ 150J的高能激光脉冲，激光脉冲再经过20% 80%分光镜分光后20%的脉冲能量被反射，再经过50% 50%分光镜分成两束，从双端泵浦第二多通放大器，80%的脉冲能量被透射，再经过50% 50%分光镜分成两束，从双端泵浦第三多通放大器，电信号同步延时控制器在时间上精密控制泵浦光脉冲与信号光脉冲的同步。所述的OPCPA放大级高能泵浦源为短脉宽2 3ns的钕玻璃激光系统，该系统包括单纵模连续激光种子源、光纤强度调制器、再生放大器、钕玻璃放大链、倍频器和电信号同步延时控制器，光纤强度调制器将1053nm单纵模连续激光种子源产生的连续激光削波成脉宽为2ns 3ns的激光脉冲，激光脉冲经过再生放大器和钕玻璃放大链放大后，再经过倍频器倍频，输出波长为527nm单脉冲能量为1500J-2500J的高能激光脉冲，电信号同步延时控制器控制泵浦光脉冲与信号光脉冲在时间上的精密同步。本发明具有以下技术效果本发明基于CPA与OPCPA混合式5_10拍瓦级超高功率飞秒激光系统，以CPA放大链为前端放大级、OPCPA放大器为终端放大级，克服了原有的基于钛宝石CPA技术的高功率激光系统由于寄生振荡导致能量不能进一步放大的技术瓶颈问题等和基于纯OPCPA技术激光系统对光束指向性和稳定性以及延时的稳定性的苛刻要求，本发明充分结合了 CPA的高稳定性、高转换效率与OPCPA的单程增益高、无热效应、无寄生振荡的优点，不仅可以实现300J-500J的放大输出，而且较好地保持注入光束的光谱特性。最终注入压缩器后，以60%的压缩效率计算，压缩后可以获得150J-300J、脉宽25fs-30fs的超强激光脉冲，对应峰值功率为5-10PW。整个系统具有结构紧凑，稳定性高的优点，可以应用于具有重要科学意义和战略高技术创新的重要领域。本发明的技术方案可以适用于不同工作波段，只须根据需要选择不同工作介质即可。本发明的技术方案不仅适用于5-10PW的激光系统，也适用于更高量级乃至EW的输出。·
图1为CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统的结构示意2为CPA放大链高能泵浦源的结构示意3为OPCPA放大级高能泵浦源的结构示意图
具体实施例方式图1为本发明CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统的结构示意图，由图可见，本发明CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统包括钛宝石飞秒锁模振荡器1、可编程声光调制器2、展宽器3、CPA放大链4、Nd:YAG泵浦源5、CPA放大链高能泵浦源6、0PCPA终端放大级7、OPCPA放大级高能泵浦源8、真空滤波器12和压缩器13，其中所述的CPA放大链4包括一个再生放大器14、第一多通放大器15、第二多通放大器16和第三多通放大器17，所述的OPCPA终端放大级7包括第一双色镜9、非线性晶体10和第二双色镜11，所述的第一双色镜9对泵浦光高反，对信号光宽带高透，所述的第二双色镜11对泵浦光高透，对信号光宽带高反；上述元部件的位置关系如下所述的可编程声光调制器2置于钛宝石飞秒锁模振荡器I和脉冲展宽器3之间，脉冲激光经过所述的脉冲展宽器3展宽后依次通过CPA放大链4和OPCPA终端放大级4放大，放大后的激光脉冲经过真空滤波器12像传递后，由所述的压缩器13压缩后输出，所述的Nd: YAG泵浦源5对所述的再生放大器14和第一多通放大器15进行泵浦，所述的CPA放大链高能泵浦源6对第二多通放大器16和第三多通放大器17进行泵浦，所述的OPCPA放大级高能泵浦源8通过第一双色镜9导入到非线性晶体10上，对所述的OPCPA终端放大级7进行泵浦；所述的钛宝石锁模脉冲振荡器I为商业钛宝石飞秒振荡器，输出中心波段为800nm的10fs_12fs的超短脉冲序列；所述的展宽器3为通用的Offner结构展宽器(Offner展宽器曲面镜误差对输出脉冲对比度的影响，光学学报，vol. 28，1584-1589)；所述的CPA放大链4由一个再生放大器14、第一多通放大器15、第二多通放大器16和第三多通放大器17组成，工作介质均为钛宝石晶体。激光脉冲经所述的再生放大器14放大后输出的单脉冲能量为5-8mJ，重复频率10Hz，经后续第一多通放大器15、第二多通放大器16和第三多通放大器17放大后可以输出50J-60J的激光脉冲，最终的重复频率由所述的高能CPA泵浦源6决定。当钛宝石晶体横向直径明显大于纵向厚度时，需要采用寄生振荡抑制技术专利ZL200710039733. 6，以保证高效率的放大输出，同时高重复频率工作的放大器晶体需采用相关的制冷技术专利ZL01237826. 7；所述的再生放大器14和第一多通放大器15是由两台Nd =YAG泵浦源5提供泵浦，每台Nd :YAG泵浦源输出单脉冲能量IJ左右，脉宽约9ns，重复频率为IOHz ；所述的CPA放大链高能泵浦源6为脉宽在20ns左右的钕玻璃激光系统，依次由1053nm单纵模连续激光种子源18、普克尔盒19、再生放大器20、钕玻璃放大链21、倍频器22,20% 80%分光镜23、50% 50%分光镜24、高反镜25和电信号同步延时控制器26组成，普克尔盒19将1053nm单纵模连续激光种子源18产生的连续激光削波成脉宽为20ns的激光脉冲，激光脉冲经过再生放大器20和钕玻璃放大链21放大后，再经过倍频器22倍频，输出波长为527nm单脉冲能量为110J-150J的高能激光脉冲，激光脉冲再经过20% 80%分光镜23分光后20%的脉冲能量被反射，再经过50% 50%分光镜24分成两束，从双端泵浦第二多通放大器16，80%的脉冲能量被透射，再经过50% 50%分光镜24分成两束，从双端泵浦第三多通放大器17,电信号同步延时控制器26在时间上精密控制泵浦光脉冲与信号光脉冲的同步；所述的OPCPA终端放大级7依次由第一双色镜9、非线性晶体10和第二双色镜11组成，第一双色镜9对泵浦光高反，对信号光宽带高透，第二双色镜11对泵浦光高透，对信号光宽带高反，通过调节第一双色镜9的偏转角度就可以调节泵浦光和信号光在晶体内的夹角；根据权利要求1所述的CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，其特征在于所述的非线性晶体(10)为口径为IOcm 15cm的LBCKLiB3O5三硼酸锂)、YCOB(YCa4O(BO3) 3三硼酸氧钙钇)或DKDP (磷酸二氘钾)晶体，晶体的切割角由泵浦光和信号光的波长在晶体内满足相位匹配的条件
权利要求
1.一种CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，特征在于该系统由钛宝石飞秒锁模振荡器(I)、可编程声光调制器(2)、展宽器(3)、CPA放大链(4)、Nd:YAG泵浦源(5)、CPA放大链高能泵浦源(6)、OPCPA终端放大级(7)、OPCPA放大级高能泵浦源(8)、真空滤波器(12)和压缩器(13)组成，所述的CPA放大链(4)依次由再生放大器(14)、第一多通放大器(15)、第二多通放大器(16)和第三多通放大器(17)组成，所述的OPCPA终端放大级(7)依次由第一双色镜(9 )、非线性晶体(10 )和第二双色镜(11)组成，所述的第一双色镜(9 )对泵浦光高反，对信号光宽带高透，所述的第二双色镜(11)对泵浦光高透，对信号光宽带高反；上述元部件的位置关系如下 所述的可编程声光调制器(2)置于钛宝石飞秒锁模振荡器(I)和脉冲展宽器(3)之间，由钛宝石飞秒锁模振荡器(I)产生的飞秒脉冲激光经所述的可编程声光调制器(2)调制后，经所述的脉冲展宽器(3)展宽成半高全宽为500ps 1. 5ns的啁啾脉冲，然后依次通过CPA放大链(4)的再生放大器(14)、第一多通放大器(15)、第二多通放大器(16)和第三多通放大器(17)放大，再经所述的OPCPA终端放大级(7)放大，放大后的激光脉冲经过真空滤波器(12)扩束像传递后，由所述的压缩器(13)压缩后输出，所述的Nd:YAG泵浦源(5)对所述的再生放大器(14)和第一多通放大器(15)进行泵浦，所述的CPA放大链高能泵浦源(6)对第二多通放大器(16)和第三多通放大器(17)进行泵浦，所述的OPCPA放大级高能泵浦源(8)通过第一双色镜(9)导入到非线性晶体(10)上，对所述的OPCPA终端放大级(7)进行泵浦。
2.根据权利要求1所述的CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，其特征在于所述的非线性晶体(10)为口径为IOcm 15cm的三硼酸锂、三硼酸氧钙钇或磷酸二氘钾晶体，晶体的切割角由泵浦光和信号光的波长在晶体内满足相位匹配的条
3.根据权利要求1所述的CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，其特征在于所述的第一双色镜(9)具有旋转和俯仰调整机构。
4.根据权利要求1所述的CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，其特征在于所述的CPA放大链高能泵浦源(6)为脉宽为20ns的钕玻璃激光系统，依次由1053nm单纵模连续激光种子源(18)、普克尔盒(19)、再生放大器(20)、钕玻璃放大链(21)、倍频器(22)、20% :80%分光镜(23 )、50% : 50%分光镜(24 )、三块高反镜(25 )和电信号同步延时控制器(26)组成，普克尔盒(19)将1053nm单纵模连续激光种子源(18)产生的连续激光削波成脉宽为20ns的激光脉冲，激光脉冲经过再生放大器(20)和钕玻璃放大链(21)放大后，再经过倍频器(22)倍频，输出波长为527nm单脉冲能量为IlOJ 150J的高能激光脉冲，激光脉冲再经过20% 80%分光镜(23)分光后20%的脉冲能量被反射，再经过50% 50%分光镜(24)分成两束，从双端泵浦第二多通放大器(16)，80%的脉冲能量被透射，再经过50% :50%分光镜(24)分成两束，从双端泵浦第三多通放大器(17)，电信号同步延时控制器(26)在时间上精密控制泵浦光脉冲与信号光脉冲的同步。
5.根据权利要求1至4任一项所述的CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，其特征在于所述的OPCPA放大级高能泵浦源(8)为短脉宽2 3ns的钕玻璃激光系统，该系统包括单纵模连续激光种子源(18)、光纤强度调制器(27)、再生放大器(20)、钕玻璃放大链(21 )、倍频器(22)和电信号同步延时控制器(26)，光纤强度调制器(27)将1053nm单纵模连续激光种子源(18)产生的连续激光削波成脉宽为2ns 3ns的激光脉冲，激光脉冲经过再生放大器(20 )和钕玻璃放大链(21)放大后，再经过倍频器(22 )倍频，输出波长为527nm单脉冲能量为1500J-2500J的高能激光脉冲，电信号同步延时控制器(26)控制泵浦光脉冲与信号光脉冲在时间上的精密同步。
全文摘要
一种CPA与OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统，包括钛宝石飞秒锁模脉冲振荡器、可编程声光调制器、脉冲展宽器、CPA放大链、OPCPA终端放大级、NdYAG泵浦源、CPA放大链高能泵浦源、OPCPA终端放大级高能泵浦源、真空管和压缩器，脉冲激光经过所述的脉冲展宽器展宽后依次通过CPA放大链和OPCPA终端放大级，放大后的激光脉冲经过真空管像传递后，由所述的压缩器压缩。本发明具有高稳定性、高转换效率、单程增益高、无热效应和无寄生振荡的优点，有望实现稳定、高效的10PW级高功率输出，甚至EW(1018W)级的激光输出。
文档编号H01S3/108GK103066484SQ20121058009
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者李儒新, 梁晓燕, 冷雨欣, 於亮红, 许毅, 陆效明, 俆至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所