本发明涉及涉及飞秒激光系统，特别是基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统。可以获得更高能量(数十毫焦耳量级)、短脉宽(少周期量级)且波长更长的激光脉冲。
背景技术：
近年来，高峰值功率的中红外脉冲源在超快物理方面得到越来越广泛的应用。比如，在激光诱导等离子体中非相干硬x射线的产生，亚飞秒电子发射，二维红外光谱诊断，分子结构的时间分辨成像，高效率thz波的产生。这些应用都需要载波包络相位(cep)稳定的，能量更高的，脉冲更短的中红外脉冲源，特别是数十毫焦耳，少周期量级，cep稳定的中红外脉冲。因此，如何获得高峰值功率的中红外脉冲是中红外脉冲领域的研究焦点。
目前实现数十毫焦耳，少周期量级，cep稳定的中红外脉冲的主要方法是大能量的光学参量啁啾脉冲放大(opcpa)技术。而且，提升opcpa输出能量的关键是opcpa高能泵浦源泵浦能力的提高。由于高平均功率皮秒泵浦源今些年的快速发展，限制opcpa能量输出的关键是opcpa过程中非线性晶体口径和长度及opcpa中压缩器所用光栅的损伤阈值。利用多路opcpa同时放大种子光，再进行相干光束叠加技术可以为将opcpa输出能量进一步提高数倍提供更加可行的方法。将现有的opcpa高能量、短脉宽激光系统与空间相干组束技术相结合无疑是提高opcpa输出能量的有效方法。但是，传统的空间相干组束法是将分束后的脉冲分别放大压缩(经过不同的放大过程和压缩器)，再进行聚焦合束，但是空间相干组束法对单光束的光束质量和光束间的同步性要求极高。因此，需要用可编程的色散控制系统(如aopdf)对每一路输出光的色散进行精密的控制，包括二阶、三阶、四阶色散的精准控制。但是，在中红外波段，目前没有商品化的类似于aopdf的色散控制系统，这都对传统空间相干组束法高峰值功率激光系统的光束质量控制带来极高的难度。
但是，即使对各路opcpa输出光进行精确完美的色散控制和时间重合，也只能得到大能量、亚百飞秒量级的红外脉冲输出。这里提出一种新颖的方法，即在亚百飞秒空间相干组束后，经过对延时的控制，再将该中红外脉冲输入到充满一定气压的空芯光纤系统进行进一步压缩，可以得到少周期甚至近单周期的中红外脉冲输出。
技术实现要素：
本发明的特点是提出一种基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统。该系统提出了多路opcpa放大、压缩方法，形成了多路空间相干组束模式，又结合空芯光纤压缩技术对多路光束同时进行组束和进一步压缩。该系统利用opcpa单程增益高和无热效应等优点，使不同光束经过同样的放大链路进行放大，大大提高了整个opcpa系统的输出能量。再将多路opcpa压缩后的光束同时聚焦注入空芯光纤压缩系统中，进行多路光束的脉冲压缩和光束合成。大大降低了opcpa放大中相位变化不确定性的影响和控制不同光束间同步性的难度，不但可以提高超强激光系统的空间相干组束效果，还可以进一步对相干合成后的中红外脉冲进行时间域的脉冲宽度压缩，实现更高能量、脉宽更短的激光脉冲输出。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于该系统包括：cep稳定种子源、展宽器、opcpa高能泵浦源、第一信号光分束镜、第二信号光分束镜、第三信号光分束镜、……、第n-1信号光分束镜；第一泵浦光分束镜、第二泵浦光分束镜、第三泵浦光分束镜、……、第n-1泵浦光分束镜；第一路opcpa放大系统、第二路opcpa放大系统、第三路opcpa放大系统、……、第n路opcpa放大系统；第一合束镜、第二合束镜、……、第n-1合束镜；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、聚焦系统、空芯光纤压缩系统、啁啾补偿系统和准直系统；
所述的cep稳定种子源出射的种子光经展宽器展宽后，入射到所述的第一信号光分束镜，经该第一信号光分束镜分束为第一信号反射光束和第一信号透射光束，该第一信号透射光束经所述的第二信号光分束镜分束为第二信号反射光束和第二信号透射光束，该第二信号透射光束经所述的第三信号光分束镜分束为第三信号反射光束和第三信号透射光束，以此类推……，该第n-2信号透射光束经第n-1信号光分束镜分束为第n-1信号反射光束和第n-1信号透射光束，该第n-1信号透射光束经第一反射镜后的第n信号反射光束入射到所述的第n路opcpa放大系统；
所述的opcpa高能泵浦源发出的泵浦光经过第一泵浦光分束镜分束为第一泵浦反射光束和第一泵浦透射光束，该第一泵浦透射光束经所述的第二泵浦光分束镜分束为第二泵浦反射光束和第二泵浦透射光束，该第二泵浦透射光束经所述的第三泵浦光分束镜分束为第三泵浦反射光束和第三泵浦透射光束，以此类推……，该第n-2泵浦透射光束经第n-1泵浦光分束镜分束为第n-1泵浦反射光束和第n-1泵浦透射光束，该第n-1泵浦透射光束经第二反射镜后的第n泵浦反射光束入射到所述的第n路opcpa放大系统；
所述的第一信号反射光束和第一泵浦反射光束同时注入到第一路opcpa放大系统，经所述的第一路opcpa放大系统放大的第一放大光束再经第三反射镜反射后入射到所述的第一合束镜；所述的第二信号反射光束和第二泵浦反射光束同时注入到第二路opcpa放大系统，经第二路opcpa放大系统放大的第二放大光束入射到所述的第一合束镜；所述的第三信号反射光束和第三泵浦反射光束同时注入到第三路opcpa放大系统，经第三路opcpa放大系统放大的第三放大光束入射到所述的第二合束镜，以此类推……，所述的第n信号反射光束和第n泵浦反射光束同时注入到第n路opcpa放大系统，经第n路opcpa放大系统放大的第n放大光束入射到所述的第n-1合束镜；
入射到所述的第一合束镜的第一放大光束和第二放大光束经所述的第一合束镜合束后与入射到第二合束镜的第二放大光束经所述的第二合束镜再次合束，以此类推……，经所述的第n-2合束镜合束后的合束光和所述的第n放大光束经所述的第n-1合束镜合束成一束光，依次经所述的第四反射镜、聚焦系统、空芯光纤压缩系统、啁啾补偿系统和准直系统输出；
所述的第一信号光分束镜、第二信号光分束镜、第三信号光分束镜、……、和第n-1信号光分束镜的分束比为透射:反射＝n-1:1,n-2:1,n-3:1,……,1:1；
所述的第一泵浦光分束镜、第二泵浦光分束镜、第三泵浦光分束镜、……、和第n-1泵浦光分束镜的分束比为透射:反射＝n-1:1,n-2:1,n-3:1,……,1:1；
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于，所述的第一信号反射光束、第二信号反射光束、第三信号反射光束、……、第n-1信号反射光束和第n信号反射光束的能量相等。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于，所述的第一泵浦反射光束、第二泵浦反射光束、第三泵浦反射光束、……、第n-1泵浦反射光束和第n泵浦反射光束的能量相等。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的空芯光纤压缩系统是由一根空芯光纤、真空泵以及可改变压气体压强的充放气系统组成，入射的高能量激光脉冲与空芯光纤中一定气压的气体发生光与物质相互作用产生激光光谱的展宽，该光谱展宽后的激光脉冲在随后的啁啾补偿系统中进行啁啾补偿，从而完成高能量少周期脉冲的压缩。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的空芯光纤根据入射脉冲的能量和脉宽，选择不同结构和尺寸。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的啁啾补偿系统可以用固体材料进行啁啾补偿，也可用啁啾镜对脉冲进行啁啾补偿。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的opcpa放大系统为共线匹配类型或非共线匹配类型。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的opcpa放大系统为非共线匹配类型时，包括第一延时器、非线性晶体、压缩器、第二延时器、余光收集器、泵浦光收集器；信号光经所述的第一延时器入射到非线性晶体和入射到非线性晶体的泵浦光在空间和时间上重合，并满足相位匹配条件后，信号光被放大，同时产生闲置光；经非线性晶体输出的剩余泵浦光被泵浦光收集器吸收；需要的信号光或闲置光依次经所述的压缩器和第二延时器输出，不需要的闲置光或信号光被所述的余光收集器吸收。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的opcpa放大系统为一级opa放大，或者是多级opa级联放大。
所述的基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，其特征在于所述的n路opcpa放大系统输出的n束放大后的激光的合束后的延时相同，其具体数值由每路opcpa放大系统中的第二延时器控制。
本发明的原理如下：
本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统，以cep稳定种子源为前端、n路opcpa放大放大器为终端放大级。将cep稳定种子源经过展宽器后的种子光脉冲分为能量相等的n束，同时将opcpa高能泵浦源输出的泵浦光脉冲也分为能量相等的n束，n束种子光和n束泵浦光经过n个相同的opcpa放大系统进行放大、再分别经过n个相同的压缩器进行放大后脉冲压缩，通过n个相同的延时系统对压缩后脉冲进行精确的延时调节，使压缩后的n路脉冲经合束镜后在时间上和空间上均重合；合成后的脉冲经过聚焦系统耦合进一条充满惰性气体的空芯光纤中进行光束进一步合成和脉冲的进一步压缩，从而实现了光束的相干叠加及少周期大能量脉冲的输出。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1.本系统既克服了单光束opcpa放大过程中非线性晶体口径对放大能量的限制，又克服了opcpa压缩过程中高输出能量对压缩器中光栅的损伤阈值的限制，又充分利用了opcpa放大过程中的高增益、无热效应的优点。
2.本系统利用了空芯光纤压缩系统的同时，对多路opcpa出射光进行光束合成和压缩，大大减少了合束过程中光束间的差异和对色散的控制，大大降低了合束难度的同时，又对合成的光束进行进一步在时间域上的脉冲压缩。
3.本系统单光路可以实现原有超强峰值功率系统的输出质保，加之空间相干组束结构和空芯光纤后压缩系统，可以实现中红外脉冲峰值功率的大幅度提升。
4.本系统对于中红外波段大能量的激光脉冲压缩有比较明显的优势。对不同波段的脉冲放大，可以在opcpa放大过程中根据需要选择不同非线性晶体和合适的泵浦源。对不同波段的脉冲压缩，可以在空芯光纤压缩系统中选取不同结构或不同尺寸的光纤，配合不同气压的气体和啁啾补偿材料，进行不同波段的脉冲压缩。
5.本系统不仅适用于毫焦耳数十毫焦耳量级的激光系统，也适用于更高量级乃至数百毫焦耳量级的激光系统。只需要在空芯光纤压缩系统中选取不同结构或不同尺寸的光纤，配合不同气压的气体和啁啾补偿材料，进行不同波段的脉冲压缩。
附图说明
图1为本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统结构示意图
图2为本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统中opcpa放大系统结构示意图
图3为本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统以4路opcpa放大结构为例的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
请先参阅图1，图1为本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统结构示意图，如图所示，该系统包括：cep稳定种子源1、展宽器2、opcpa高能泵浦源3、第一信号光分束镜11、第二信号光分束镜12、第三信号光分束镜13、……、第n-1信号光分束镜；第一泵浦光分束镜21、第二泵浦光分束镜22、第三泵浦光分束镜23、……、第n-1泵浦光分束镜；第一路opcpa放大系统31、第二路opcpa放大系统32、第三路opcpa放大系统33、……、第n路opcpa放大系统3n；第一合束镜41、第二合束镜42、……、第n-1合束镜；第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、聚焦系统8、空芯光纤压缩系统9、啁啾补偿系统10和准直系统101；
所述的cep稳定种子源1出射的种子光经展宽器2展宽后，入射到所述的第一信号光分束镜11，经该第一信号光分束镜11分束为第一信号反射光束和第一信号透射光束，该第一信号透射光束经所述的第二信号光分束镜12分束为第二信号反射光束和第二信号透射光束，该第二信号透射光束经所述的第三信号光分束镜13分束为第三信号反射光束和第三信号透射光束，以此类推……，该第n-2信号透射光束经第n-1信号光分束镜分束为第n-1信号反射光束和第n-1信号透射光束，该第n-1信号透射光束经第一反射镜4后的第n信号反射光束入射到所述的第n路opcpa放大系统3n；
所述的opcpa高能泵浦源3发出的泵浦光经过第一泵浦光分束镜21分束为第一泵浦反射光束和第一泵浦透射光束，该第一泵浦透射光束经所述的第二泵浦光分束镜22分束为第二泵浦反射光束和第二泵浦透射光束，该第二泵浦透射光束经所述的第三泵浦光分束镜23分束为第三泵浦反射光束和第三泵浦透射光束，以此类推……，该第n-2泵浦透射光束经第n-1泵浦光分束镜分束为第n-1泵浦反射光束和第n-1泵浦透射光束，该第n-1泵浦透射光束经第二反射镜5后的第n泵浦反射光束入射到所述的第n路opcpa放大系统3n；
所述的第一信号反射光束和第一泵浦反射光束同时注入到第一路opcpa放大系统31，经所述的第一路opcpa放大系统31放大的第一放大光束再经第三反射镜6反射后入射到所述的第一合束镜41；所述的第二信号反射光束和第二泵浦反射光束同时注入到第二路opcpa放大系统32，经第二路opcpa放大系统32放大的第二放大光束入射到所述的第一合束镜41；所述的第三信号反射光束和第三泵浦反射光束同时注入到第三路opcpa放大系统33，经第三路opcpa放大系统33放大的第三放大光束入射到所述的第二合束镜42，以此类推……，所述的第n信号反射光束和第n泵浦反射光束同时注入到第n路opcpa放大系统3n，经第n路opcpa放大系统3n放大的第n放大光束入射到所述的第n-1合束镜；
入射到所述的第一合束镜41的第一放大光束和第二放大光束经所述的第一合束镜41合束后与入射到第二合束镜42的第二放大光束经所述的第二合束镜42再次合束，以此类推……，经所述的第n-2合束镜合束后的合束光和所述的第n放大光束经所述的第n-1合束镜合束成一束光，依次经所述的第四反射镜7、聚焦系统8、空芯光纤压缩系统9、啁啾补偿系统10和准直系统101输出；
所述的第一信号光分束镜11、第二信号光分束镜12、第三信号光分束镜13、……、和第n-1信号光分束镜的分束比为透射:反射＝n-1:1,n-2:1,n-3:1,……,1:1；
所述的第一泵浦光分束镜21、第二泵浦光分束镜22、第三泵浦光分束镜23、……、和第n-1泵浦光分束镜的分束比为透射:反射＝n-1:1,n-2:1,n-3:1,……,1:1
图2为本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统中opcpa放大系统结构示意图。当该opcpa放大系统为非共线匹配类型时，该系统包括：第一延时器51、非线性晶体52、压缩器53、第二延时器54、余光收集器55、泵浦光收集器56；
信号光经所述的第一延时器51入射到非线性晶体52和入射到非线性晶体52的泵浦光在空间和时间上重合，并满足相位匹配条件后，信号光被放大，同时产生闲置光；经非线性晶体52输出的剩余泵浦光被泵浦光收集器56吸收；需要的信号光或闲置光依次经所述的压缩器53和第二延时器54输出，不需要的闲置光或信号光被所述的余光收集器55吸收。
实施例：以n＝4为例，对本发明作进一步说明。
图3为本发明基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统以4路opcpa放大结构为例的结构示意图，由图可见，基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统包括：
cep稳定种子源1、展宽器2、opcpa高能泵浦源3、第一信号光分束镜11、第二信号光分束镜12、第三信号光分束镜13；第一泵浦光分束镜21、第二泵浦光分束镜22、第三泵浦光分束镜23；第一路opcpa放大系统31、第二路opcpa放大系统32、第三路opcpa放大系统33、第四路opcpa放大系统34；第一合束镜41、第二合束镜42、第三合束镜43；第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、聚焦系统8、空芯光纤压缩系统9、啁啾补偿系统10和准直系统101；
4路opcpa放大系统均包括：第一延时器51、非线性晶体52、、压缩器53、第二延时器54、余光收集器55、泵浦光收集器56。该opcpa放大系统可以使用共线匹配类型也可以使用非共线匹配类型。
飞秒级cep稳定种子源前端1(80fs/4μm)经过展宽器2展宽成长脉冲的信号光(50ps/4μm)；
该信号光经过第一信号光分束镜11、第二信号光分束镜12、第三信号光分束镜13后分成能量相等的4束信号光(每束信号光20μj/50ps)；同时，opcpa高能泵浦源3发出的泵浦光(能量1j，脉宽50ps，中心波长1064nm)经过第一泵浦光分束镜21、第二泵浦光分束镜22、第三泵浦光分束镜23后分成能量相等的4束泵浦光(每束泵浦光250mj/50ps)；
该4束信号光与4束泵浦光同时注入到4路opcpa放大系统中(第一路opcpa放大系统31、第二路opcpa放大系统32、第三路opcpa放大系统33、第4路opcpa放大系统34)，通过分别调节4路放大系统中的第一路延时器51，实现泵浦光和信号光脉冲在非线性晶体52中在时间上的重合；通过调节第一泵浦光分束镜21、第二泵浦光分束镜22、第三泵浦光分束镜23、第二反射镜5实现泵浦光和信号光脉冲在非线性晶体52中空间上的重合；分别调节4路放大系统中的非线性晶体52，使得信号光和泵浦光在非线性晶体52中满足相位匹配条件；4束信号光得分别到有效的放大，同时分别得到放大后的闲置光；剩余的泵浦光泵浦光收集器57吸收。这里，我们可以根据实际需求选取输出放大后的信号光和闲置光，我们以信号光为例(信号光20mj/50ps/4um)。放大后的信号光注入压缩器，对信号光进行脉冲压缩到100fs左右。
压缩后的4路信号光(10mj/100fs/4um)分别经过4路opcpa放大系统中的第二延时器55调节其延时，使4路由opcpa放大系统出射的信号光经过第三反射镜6、第一合束镜41、第二合束镜42、第三合束镜43后合成为一束光时的延时相近，误差小于50fs。该合成光束(40mj/200fs)又经第四反射镜7入射到聚焦系统8中，聚焦后的光束注入空芯光纤压缩系统9中,经过对空芯光纤系统中所充惰性气体的类型和气压大小的精确控制，该光束会得到足够的光谱展宽；光谱展宽后的光束经过啁啾补偿系统10进行激光的脉冲压缩得到少周期脉冲(20mj/<50fs)，最后通过准直系统101输出准直后的大能量少周期的中红外脉冲(20mj/<50fs/4μm)。