專利名稱：用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光功率放大過程中的脈沖展寬技術(shù)，具體涉及一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法。
背景技術(shù)：
超快X光激光產(chǎn)生、超高次諧波產(chǎn)生、激光尾波場粒子加速、實驗室天體物理學及快點火等方面的研究對超快超強激光技術(shù)提出了更高的要求。啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)是產(chǎn)生大能量超短脈沖的重要手段。其主要思想就是先將超短光脈沖在放大之前進行時域上的展寬，然后經(jīng)增益介質(zhì)使其能量放大，最后用與展寬器色散特性相反的元件將脈沖壓縮。目的是在展寬過程中降低脈沖的峰值功率，從而在放大過程中避免出現(xiàn)增益飽和效應(yīng)、非線性效應(yīng)以及對系統(tǒng)元件的損傷。
為了獲得大的展寬比，以及將展寬后的脈沖成功壓縮回飛秒(fs)狀態(tài)，CPA技術(shù)的關(guān)鍵是色散展開和補償，也就是展寬器和壓縮器的合理設(shè)計和優(yōu)化配置。由于壓縮器的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對成熟，近年來，CPA技術(shù)的發(fā)展主要集中在展寬器的設(shè)計和創(chuàng)新上。
目前國際上較為典型的展寬器有傳統(tǒng)的4f系統(tǒng)(包括改進后的Martinez型)，增強象差展寬器(Barty型)和無象差展寬器(Offner型)。傳統(tǒng)的展寬器由于使用了透鏡及球面鏡，引起的色差及球差會導致高階色散，使展寬器和壓縮器的色散難以匹配。于是在象差的控制上，展寬器的設(shè)計出現(xiàn)了兩種極端增強象差型和無象差型。
對于Offner無象差展寬器而言，由于不引入象差，與壓縮器可以達到嚴格的共軛。且這類展寬器的展寬倍數(shù)很高，通頻帶寬寬，所以得到了廣泛應(yīng)用。但是，為了補償放大器中材料色散，壓縮器中的光柵的入射角就需要變動，展寬器和壓縮器的嚴格共軛被破壞，在壓縮后的色散端留下了高階色散。
象差是高階色散的來源，它的存在可以平衡放大器中的材料色散。因此，有意識地增加象差的Barty型展寬器開始出現(xiàn)。Barty型展寬器具有大的展寬比，兩個共心柱面鏡的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以有效消除空間不均勻性，但調(diào)節(jié)精度要求很高，比較難以推廣。于是，存在象差的Martinez型展寬器得到了重新利用。但是由于它展寬比和帶寬相對較小，對10fs以下的脈沖展寬并不十分適合；且是非共心結(jié)構(gòu)，存在難以調(diào)試的缺點。
綜上所述，雖然目前適合CPA系統(tǒng)的展寬器種類繁多，但存在各種缺陷，需要繼續(xù)改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬新方法，該方法在展寬過程中采用單光柵結(jié)構(gòu)、用凹面鏡和平面鏡對欲展寬激光實現(xiàn)全反射，構(gòu)成等效共心全反射結(jié)構(gòu)的啁啾脈沖展寬器，具有結(jié)構(gòu)簡單、無象差、展寬比大及低附加色散等特點。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法，其特征在于該方法采用如下的步驟首先根據(jù)理論計算得出欲展寬倍數(shù)所對應(yīng)的光柵與凹面鏡M5之間的距離S1，確定光柵上的入射角；其次在一個平臺上放置凹面鏡M5，在其軸線上距離S1處放置光柵；將欲展寬激光引入平臺，用凹面鏡M1以確定好的入射角度入射到光柵上，不同波長的光線展開后經(jīng)平面鏡M2和M3反射到凹面鏡M5上；從凹面鏡返回的光線束經(jīng)過光柵后將平行衍射而出，這時在平行光的出射方向上設(shè)置一個屋脊型爬高爬低架M4，將光束爬低后重新返回到光柵上進行二次展寬，以消除空間啁啾及提高展寬倍數(shù)。
上述的凹面鏡M5和凹面鏡M1的焦點重合，以保持光束的收斂性。
上述的平面鏡為平面高反鏡，且平面鏡M2與平面鏡M3平行設(shè)置，以保證光線入射點處的光柵成像在大凹面鏡的球心。
凹面鏡M1以利特羅角入射到光柵上。
本發(fā)明通過平面鏡反射使光束入射時所形成的衍射點與展寬后的還原點均在凹面鏡的球心(即所謂的共心結(jié)構(gòu))，凹面鏡不存在其他同類方法中的成像問題，展寬函數(shù)中不需要涉及凹面鏡的焦距和離軸量；并且運用平面鏡將雙光柵等效為單光柵結(jié)構(gòu)，所以本發(fā)明具有無象差、寬頻帶、大展寬比、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整精度高等優(yōu)點，可以應(yīng)用于高功率超快激光領(lǐng)域，適合10fs以下脈沖展寬。
附圖概述附

圖1為本發(fā)明原理圖；附圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；附圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視圖)；附圖4為本發(fā)明展寬后的脈沖寬度隨光柵位置變化模擬圖；具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解如圖1-4所示，圖中標號分別表示小凹面鏡M1、平面高反鏡M2、M3、屋脊型爬高爬低架M4、大凹面鏡M5、光柵G、光柵1、光柵2。
實施例本實施例步驟是(1)根據(jù)理論計算得出欲展寬倍數(shù)所對應(yīng)的光柵與大凹面鏡M5之間的距離S1，確定光柵上的入射角，確定各光學元器件的大小和品質(zhì)參數(shù)；(2)在一個平臺上放置好大凹面鏡M5，在其軸線上S1處放上光柵G；(3)將欲展寬激光引入平臺，用一個小凹面鏡M1以利特羅角入射到光柵G上，不同波長的光線展開后經(jīng)平面高反鏡M2和M3反射到大凹面鏡M5上，在調(diào)整過程中必須使M2和M3嚴格平行，即保證光線入射點處的光柵等效在大凹面鏡的球心；(4)從大凹面鏡M5返回的光線束經(jīng)過光柵G后將平行衍射而出，這時在平行光的出射方向上設(shè)置一個屋脊型爬高爬低架M4，將光束爬低后重新返回到光柵上進行二次展寬。
本實施例可將中心波長是800nm、脈寬為10fs、譜寬為100nm的種子脈沖展寬到300ps。首先理論計算得出欲將10fs的飛秒脈沖展寬到300ps所對應(yīng)的光柵G與大凹面鏡M5之間的距離S1為320mm，光柵上的入射角為59.7°。各光學元器件的參數(shù)如下所示光柵G為1200grooves/mm，大小為220mm*110mm*30mm，衍射效率大于91.53％，鍍金；大凹面鏡M5的口徑為300mm，曲率半徑R為1000mm，厚43.3mm，鍍金；小凹面鏡M1的口徑為50mm，曲率半徑R為2000mm，鍍800nm高反介質(zhì)膜；各平面高反鏡的大小分別是M2為50mm*50mm*15mm，M3為100mm*25mm*15mm，M4為150mm*50mm*15mm，鍍800nm高反介質(zhì)膜，反射率大于99.69％。所有的光學支架均自行研制。該展寬器的能量轉(zhuǎn)換效率為66.7％。展寬后的脈沖經(jīng)配套的放大器(TSA-25中的再生放大器，spectra-physics)和壓縮器，成功壓縮回34fs。
如圖1所示的原理圖中，大凹面鏡M5的球心與光柵1的入射點重合，若光柵1上不同波長分量的衍射光越過光柵2到達凹面鏡M5后原路返回被收斂為與入射光平行的光束，這時，出射光處的短波分量被延遲，成為一個展寬器。
本實施例采用單光柵結(jié)構(gòu)，即通過光線的反射，使用一個光柵實現(xiàn)了上述原理，既減少了成本，還避免了平行光柵對難以嚴格平行的尷尬局面。
不同波長之間的延時量決定于它們在展寬器中經(jīng)歷的相移。假設(shè)中心波長處的衍射光方向總是處于凹面鏡M5的軸線上，取光柵2與軸線交點垂直于衍射光的平面作為參考平面。采用光線追跡法得出波長為λ的光線經(jīng)過一次展寬的光程P(λ)為P(λ)=2R-bcosθ+b(tanθ0-tanθ)sinγ]]>其中R為球面鏡的曲率半徑，γ是光柵的入射角，θ為衍射角，θ0為中心波長處的衍射角，b為光柵對之間的垂直距離。則由該光程引起的相移為φ(λ)=2πP(λ)λ=2πλ[2R-bcosθ+b(tanθ0-tanθ)sinγ]]]>由此推出基于該相移產(chǎn)生的各階色散量為φ2=λ3b2πc2d2cos3θ]]>φ3=-φ23λπc(1+λSinθdCos2θ)]]>
φ4=φ23λ24π2c2{4+3λdsinθcos2θ+λ2d2[1+tan2θ(6+tan2θ)]}]]>其中φ2為群速度色散，對脈沖寬度起主要作用；φ3、φ4分別為三階色散和四階色散，影響著脈沖的保真度。
初始脈沖寬度為τ0、初始啁啾為c的飛秒高斯脈沖激光經(jīng)過本發(fā)明所述的共心全反射式展寬器展寬后的脈沖寬度τ為τ0[(1+cφ2/τ02)2+](φ2/τ02)2]1/2,]]>得φ2φ2=λ03b2πc2d2[1-(λ0/d-sinγ)2]32,]]>得bS2=b[1-(λ0/d-sinγ)2]12,]]>得S2S1＝R-S2入射角γ的選擇，原則上取飛秒激光中心波長處的利特羅角，但在保證光柵衍射效率和展寬器帶寬的前提下，取偏離中心波長、較長波長處的利特羅角，對于中心波長為800nm的種子脈沖光，其利特羅角為28.69°，但是為了保證光柵衍射效率和展寬器帶寬160nm，取入射角為59.7°，利特羅角與飛秒脈沖光的中心波長μ0和光柵常數(shù)d有關(guān)。
其計算公式為γ=arcsinλ02d]]>如圖2所示，光線經(jīng)一個凹面鏡M1入射到光柵G，不同波長的光線開始展開。再經(jīng)平面高反鏡M2和M3反射到大凹面鏡M5上，而M2和M3的適當放置，將光線入射點處的光柵等效在大凹面鏡M5的球心，即所謂的共心全反射式結(jié)構(gòu)。這樣從凹面鏡M5返回的光線將原路返回到光柵G上，衍射光將沿著平行于入射光線的方向，且長波部分將早于短波部分射出。這時的激光在時間和空間上同時進行了色散展開，即同時具有時間啁啾和空間啁啾。時間啁啾是我們所希望的，而空間啁啾由于嚴重影響光斑質(zhì)量，需要消除。為了消除空間啁啾及提高展寬倍數(shù)，我們設(shè)置了一個屋脊型爬高爬低架M4，讓激光爬低后原路返回進行二次展寬。
以上設(shè)計是針對理想光束而言。實際的光束總有一定的大小，這樣的光束通過凹面鏡時會先聚集然后發(fā)散。為了保持光束的收斂性，最好是用望遠鏡系統(tǒng)代替單一的球面鏡。因此將展寬器中的入射鏡M1選擇為口徑50mm的小凹面鏡，先將具有一定寬度的光線會聚在焦點后再發(fā)散，其焦點和大凹面鏡M5的焦點剛好重合。從大凹面鏡M5出射的光線將又恢復到平行光，經(jīng)光柵G兩次展寬后光線再次回到小凹面鏡M1上以平行光離開展寬器。
需要特別指出的是，由于布局原因該展寬器在安裝過程中需要有適當?shù)墓饴穬A斜以保證光線的正常前進。光線的傾斜角應(yīng)盡量小保持在5°以內(nèi)，防止引起強烈的像差和光斑畸變。
本實施例適用于10fs以下的飛秒脈沖展寬，展寬比達110,000倍(可將10fs的激光脈沖展寬到1.1ns)如圖4所示(其中θ＝59.7°，τ0＝10fs，c＝1.1，d＝1/1200grooves/mm)，通頻帶寬高達160nm，轉(zhuǎn)換能量預(yù)計達到55％。
權(quán)利要求
1.一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法，其特征在于該方法采用如下的步驟首先根據(jù)理論計算得出欲展寬倍數(shù)所對應(yīng)的光柵與大凹面鏡之間的距離(S1)，確定光柵上的入射角；其次在一個平臺上放置凹面鏡(M5)，在其軸線上距離(S1)處放置光柵；將欲展寬激光引入平臺，用凹面鏡(M1)，以確定好的入射角度入射到光柵上，不同波長的光線展開后經(jīng)平面鏡(M2)和(M3)反射到凹面鏡(M5)上；從凹面鏡(M5)返回的光線束經(jīng)過光柵后將平行衍射而出，這時在平行光的出射方向上設(shè)置一個屋脊型爬高爬低架(M4)，將光束爬低后重新返回到光柵上進行二次展寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法，其特征在于所述的凹面鏡(M5)和凹面鏡(M1)的焦點重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法，其特征在于所述的平面鏡為平面高反鏡，且平面鏡(M2)與平面鏡(M3)平行設(shè)置，以保證光線入射點處的光柵成像在凹面鏡(M5)的球心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法，其特征在于凹面鏡(M1)以利特羅角入射到光柵上。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光功率放大過程中的脈沖展寬技術(shù)，具體涉及一種用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的共心全反射式展寬方法，該方法在展寬過程中采用單光柵結(jié)構(gòu)、用凹面鏡和平面鏡對欲展寬激光實現(xiàn)全反射，構(gòu)成等效共心全反射結(jié)構(gòu)的啁啾脈沖展寬器，具有結(jié)構(gòu)簡單、無象差、展寬比大及低附加色散等特點。
文檔編號G02F1/35GK1804712SQ200610023460
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者胡婉約, 李文雪, 丁良恩 申請人:華東師范大學