消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统的制作方法
【专利摘要】一种消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，包括飞秒脉冲振荡源、主光栅展宽器、主放大器、及主光栅压缩器，其特点是该系统还包括辅展宽器、辅压缩器、前置放大器、第一反射镜和第二反射镜。本发明中，脉冲展宽压缩与系统材料色散补偿相分离，使得最终输出的光脉冲的残留高阶色散减少几个数量级，甚至有可能完全清除。输出激光脉冲的相位谱平坦，能够获得近变换极限的脉冲宽度，支撑15fs以下宽度的超强超短脉冲放大，并提升输出激光主脉冲前皮秒位置处的对比度。
【专利说明】消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光科学领域，特别涉及一种消除高阶色散的啁啾脉冲时域展宽压缩放大系统。
【背景技术】
[0002]超强超短激光科学以超强超短激光的发展，超强超短激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高【技术领域】中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域。其中可以输出高功率脉冲的小型化超短超强激光系统是超强超短激光科学领域研究的基本设备。这里的“超强超短”是指激光脉冲的时间宽度极窄(一般小于200飞秒，飞秒即10_15s，简称fs)，峰值功率极高(大于I太瓦，即IO12W,简称TW)。超短脉冲的时间宽度受到光谱的制约，光谱越宽，脉冲压缩理论上可能达到的脉冲宽度就越窄，但实际中会受不平坦的激光相位谱的影响，无法实现理想压缩。
[0003]超短超强激光系统采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,简写为CPA)为基本技术路线。典型方案如采用CPA技术的钛宝石激光系统:飞秒激光振荡源直接产生的强度较弱的超短脉冲，首先被送入光栅展宽器中，由光栅引入强烈的啁啾，脉冲时间宽度因而被展宽百万倍，成为纳秒(纳秒即10_9s，简称ns)量级的长脉冲。这样的长脉冲在钛宝石增益介质中，获得能量放大；最后利用光栅压缩器，消除激光脉冲中的啁啾，使纳秒长脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出。该激光脉冲具有宽光谱的特性，其光谱的付里叶变换极限决定了压缩可能达到的最窄脉冲宽度。
[0004]超强超短激光系统输出激光脉冲具有很高能量，容易造成系统自身的光学器件破坏。所以通常要求压缩器采用反射元件，结构越简单越好、损耗越小越好。最简单的结构莫过于由两对平行光栅镜构成的光栅压缩器，可产生负色散。除了与光自身的波长有关外，负色散量还取决于光栅的刻线密度、激光入射角以及平行光栅间距。CPA系统中，激光脉冲具有几十纳米的宽光谱带宽，色散谱可分解为中心波长处的一阶、二阶、三阶以及更高阶色散。其中，一阶色散代表激光脉冲的整体速度，与研究的问题无关；三、四阶色散量与二阶色散量的比值只与激光入射角有关；而当激光入射角确定时，二阶色散量只与光栅间距有关。
[0005]CPA系统的光栅展宽器，其本质是利用1:1的望远光学成象系统形成一个像光栅，而物光栅和像光栅之间彼此平行且“负”距离。光栅压缩器的色散公式完全可以用在理想展宽器上，所需的改动只是把光栅间距变成负值。也就是说在理论上，理想展宽器的色散与压缩器正相反，可以实现彼此的色散保真补偿。
[0006]在实际CPA系统中,激光在系统内要穿过各种各样的光学兀件,如激光放大介质、非线性晶体，透镜等。这些具有材料正色散的光学元件，会改变透射激光的啁啾量。因此对于实际的CPA系统而言，展宽器与压缩器之间的参数会有差别。
[0007]在现有技术中，飞秒激光振荡源I生成超短脉冲，首先被送入光栅展宽器2中，宽度成为纳秒(纳秒即10_9S)量级的长脉冲。这样的长脉冲经过多级放大器3，获得能量放大；放大后的脉冲经过光栅压缩器4，使纳秒长脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出，如图3。其中，CPA系统的色散补偿遵循以下方法:通过调整压缩器的平行光栅距离，可以调节二阶色散量，以补偿展宽器和系统材料的二阶色散；通过调整压缩器的光栅入射角，以补偿展宽器和系统材料的三阶色散。
[0008]上述技术方案下，四阶甚至更高阶的色散将无法得到补偿。残留的高阶色散量非常大，主要由色散压缩器提供，相对于它，系统材料自带的高阶色散量可以忽略不计。光栅展宽器的展宽能力越大(即展宽后的长脉冲越宽)，则残留的高阶色散量越大。高阶色散会影响光脉冲压缩后所能达到的宽度，高阶色散量越大，则激光相位谱的平坦区越窄，压缩后的光脉冲也就越宽。图2为计算机模拟计算的结果，其中初始光脉冲具有高斯型，初始宽度15fs，光谱的半高全宽为60nm，二、三阶色散为O。如图2a，如果残留四阶色散为106fs4，则相位光谱平坦区(小于I弧度)宽度为50nm,半高全宽约60nm的高斯脉冲(对应15fs脉宽)只能压缩至49fs ;如图2b，当残余四阶色散量在105fs4时，相位光谱平坦区(小于I弧度)宽度为80nm，脉宽可以压缩至28fs。在实际中，大能量的超强超短激光系统残留色散通常超过105fs4，宽光谱输出脉冲只能支持30fs量极的输出。为了提高输出激光脉冲的峰值功率，有必要消除高阶色散，或至少降低到系统可接受的程度。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种消除高阶色散的啁啾脉冲时域展宽压缩放大系统，以此扩大激光输出脉冲相位谱的平坦区范围，并进一步降低输出脉冲宽度，提高激光峰值功率，从而能够支撑15fs以下宽度的超强超短脉冲放大；并且由于相位谱的平坦，为增加CPA系统的光谱带宽提供了实际意义；此外，它也会提升输出主脉冲的皮秒位置的对比度，满足相关物理实验的要求。
[0010]本发明的技术解决方案如下:
[0011]一种消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，包括飞秒脉冲振荡源、主光栅展宽器、主放大器、及主光栅压缩器，其特点是该系统还包括辅展宽器、辅压缩器、前置放大器、第一反射镜和第二反射镜，所述元器件的相对位置关系如下:
[0012]飞秒脉冲振荡源产生的飞秒级超短脉冲首先进入辅光栅展宽器，并展宽成短脉冲。短脉冲进入前置放大器，在前置放大器的增益作用下接受能量，实现初步放大。初步放大后的短脉冲进入辅压缩器被部分压缩回百飞秒级脉冲。百飞秒级脉冲在第一反射镜引导下进入主光栅展宽器展宽至长脉冲，接着在第二反射镜的引导下进入主放大器，在主放大器的增益作用下接受能量，实现能量放大。能量放大后的长脉冲进入主光栅压缩器，被压缩成为飞秒量级的超短脉冲。
[0013]所述的飞秒脉冲振荡源是钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、染料激光器或光纤锁模激
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[0014]所述的辅展宽器是光栅展宽器、光纤展宽器以及棱镜对等色散元件构成，为光脉冲提供相对较小的啁啾量，将飞秒光脉冲展宽到皮秒至百皮秒量级。
[0015]所述的辅压缩器由光栅压缩器、或光纤压缩`器、或棱镜对等色散元件构成，用以补偿辅展宽器和系统所有材料所导致的色散，能在不引入主光栅展宽器和主光栅压缩器的情况下，在主放大器的末端将短脉冲压缩展宽回飞秒量级超短脉冲。
[0016]所述的前置放大器，是基于激光介质，如钛宝石等，的激光放大技术，也可以是基于非线性晶体，如BBO晶体等，的光参量放大技术。
[0017]所述的主光栅展宽器是利用光栅为基础的，具有大展宽能力的展宽器。主光栅展宽器可以将光脉冲展宽至纳秒量级。
[0018]所述的主放大器，是基于激光介质，如钛宝石等，的激光放大技术，也可以是基于非线性晶体，如BBO晶体等的光参量放大技术。
[0019]所述的主光栅压缩器是利用光栅为基础的，具有大压缩能力的压缩器。主光栅压缩器用以补偿主展宽器所导致的脉冲啁啾，可以将纳秒量级光脉冲压缩回飞秒量级的极限脉宽。
[0020]本发明具有以下创新点:
[0021]本发明消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，创新地采用两套展宽压缩器:一套主展宽压缩器仅用于将飞秒超短脉冲展宽为纳秒级长脉冲，并在激光脉冲能量放大完成后，将纳秒级长脉冲保真地压缩回飞秒超短脉冲，主展宽压缩器不负责系统内材料色散的补偿；另一套辅展宽压缩器则主要用于系统内材料色散的补偿，此外，在需要脉冲净化提升脉冲对比度的情况下，也可用于非线性脉冲净化技术。
[0022]本发明具有以下技术效果:
[0023]本发明的脉冲展宽压缩与系统材料色散补偿相分离的创新特点，使得残留的高阶色散减少几个数量级，甚至有可能完全清除。CPA输出的激光脉冲相位谱平坦，能够获得近变换极限的脉冲宽度，可以支撑15fs以下宽度的超短超强脉冲放大，并提升输出激光主脉冲前皮秒位置的对比度。应用了本发明的30fs量级输出的超短超强激光系统，可在现有输出能力基础上，获得输出峰值功率的进一步提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为超强超短激光放大系统的常用结构示意图
[0025]图2是四阶色散对激光脉冲压缩的影响
[0026]图3是本发明消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]图3所示，为本发明消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统的具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统包括飞秒脉冲振荡源5、辅展宽器6、前置放大器7、辅压缩器8、第一反射镜9、主光栅展宽器10、第二反射镜11、主放大器12、主光栅压缩器13构成。
[0028]其中飞秒脉冲振荡源5输出的光脉冲具有脉冲宽度极窄、光谱宽度较宽的特点。在本发明中，该飞秒脉冲振荡源5作为种子源，其可为钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、染料激光器、光纤锁模激光器等锁模脉冲激光器。在本实施例中，飞秒脉冲振荡源5选用钛宝石飞秒锁模脉冲激光器，光脉冲的中心波长800nm，光谱带宽lOOnm，脉冲宽度10fs。
[0029]其中辅展宽器6的特点是能够将飞秒光脉冲展宽到皮秒至百皮秒量级。在本发明中，可以是光栅展宽器、光纤展宽器以及棱镜对等色散元件构成。在本实施例中，辅展宽器6米用光栅展宽器，光栅为1200线/mm,光脉冲入射角43° ,在中心波长衍射光方向上,物像光栅总间距80cm。凹面镜的半径为IOOcm,凸面镜的半径为50cm,带通lOOnm。[0030]其中前置放大器7的特点是为脉冲提供初步放大。在本发明可以是基于激光介质，如钛宝石等，的激光放大技术，也可以是基于非线性晶体，如BBO晶体等，的光参量放大技术。在本实施例中，前置放大器7采用钛宝石激光放大技术。
[0031]其中辅压缩器8的特点是能够补偿辅展宽器和系统所有材料所导致的色散。在本发明中，可以由光栅压缩器、或光纤压缩器、或棱镜对等色散元件构成。在本实施例中，辅压缩器8米用光栅压缩器,光栅为1200线/mm,光脉冲入射角约45° ,在中心波长衍射光方向上，平行光栅总间距约81cm。带通lOOnm。
[0032]其中，第一反射镜9和第二反射镜11的特点是引导光束进入主展宽器。在本实施例中，第一反射镜9和第二反射镜11都采用银镜，可以支持IOOnm以上的带宽。
[0033]其中主光栅展宽器10的特点是具有大的展宽能力，可以将光脉冲展宽至纳秒量级。在本实施例中，主光栅展宽器10采用为1400线/mm光栅，光脉冲入射角50 °，在中心波长衍射光方向上，物像光栅总间距160cm。。凹面镜的半径为120cm,凸面镜的半径为60cm,带通lOOnm。能够展宽到2ns
[0034]其中主放大器12的特点是为脉冲提供能量放大。在本发明可以是基于激光介质，如钛宝石等，的激光放大技术，也可以是基于非线性晶体，如BBO晶体等，的光参量放大技术。在本实施例中，能量放大器12采用钛宝石激光放大技术。
[0035]其中主光栅压缩器13的特点是以光栅为基础的，具有大压缩能力的压缩器，可以补偿主展宽器所导致的脉冲啁啾，将纳秒量级光脉冲压缩回飞秒量级的极限脉宽。在本实施例中，辅压缩器8采用光栅压缩器，光栅为1480线/mm，光脉冲入射角50°，在中心波长衍射光方向上，平行光栅总间距160cm，带通lOOnm。
[0036]本实施例的工作过程如下:
[0037](I)飞秒脉冲振荡源5产生SOOnm波段，单个脉冲宽度达到IOfs的超短锁模脉冲光束；
[0038](2)该超短脉冲光束进入辅展宽器6，展宽到20ps，展宽后的短脉冲进入前置放大器7。前置放大器7运转，能量放大到微焦耳量级后，光脉冲进入辅压缩器8。
[0039](3)光脉冲经过辅压缩器8后直接进入主放大器12。在主放大器12 (不需要运转)后测量光脉冲宽度。以该测量的结果为依据，调节辅压缩器8的入射角和光栅间距，达到脉冲宽度最短，实现系统色散补偿。
[0040](4)将第一反射镜9插入主放大器12之前的光路内，将光束引向主光栅展宽器10。在光栅展宽器10的作用下，脉冲被展宽至2ns。2ns的长脉冲激光由第二反射镜11引回主放大器12。
[0041](5)主放大器12运转，光脉冲的能量放大至>1焦耳以上的能量。
[0042](6)放大后的脉冲进入主压缩器13。在主压缩器13后测量光脉冲宽度。以该测量的结果为依据，调节主压缩器13的入射角和光栅间距，达到脉冲宽度最短，实现主展宽器色散的补偿。
[0043]这样的装置经过细致地调试，能够获得近变换极限的脉冲宽度输出，可以产生15fs以下的超强超短光脉冲。
【权利要求】
1.一种消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，包括飞秒脉冲振荡源、主光栅展宽器、主放大器和主光栅压缩器，其特征在于该系统还包括辅展宽器、辅压缩器、前置放大器、第一反射镜和第二反射镜，所述元器件的相对位置关系如下: 飞秒脉冲振荡源产生的飞秒级超短脉冲经所述的辅光栅展宽器展宽成短脉冲，该短脉冲进入所述的前置放大器初步放大后的短脉冲进入所述的辅压缩器被部分压缩回百飞秒级脉冲，该百飞秒级脉冲在第一反射镜引导下进入所述的主光栅展宽器展宽至长脉冲，在第二反射镜的引导下进入所述的主放大器实现能量放大，该能量放大后的长脉冲进入所述的主光栅压缩器，被压缩成为飞秒量级的超短脉冲。
2.根据权利要求1所述的消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，其特征在于所述的飞秒脉冲振荡源是钛宝石飞秒锁模脉冲激光器、染料激光器或光纤锁模激光器等。
3.根据权利要求1所述的消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，其特征在于所述的辅展宽器和主光栅展宽器是光栅展宽器、光纤展宽器以及棱镜对色散元件构成。
4.根据权利要求1所述的消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，其特征在于所述的辅压缩器由光栅压缩器、或光纤压缩器、或棱镜对等色散元件构成。
5.根据权利要求1所述的消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，其特征在于所述的前置放大器和主放大器是基于激光介质的激光放大器，或是基于非线性晶体的光参量放大器。
6.根据权利要求1所述的消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，其特征在于所述的主光栅压缩器是利用光栅为基础的，具有大压缩能力的压缩器。
【文档编号】H01S3/10GK103872568SQ201410083576
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】王乘, 冷雨欣, 许毅, 陆效明, 刘彥祺, 韩冬佳, 李儒新, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所