專利名稱：產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短超強激光脈沖，特別是一種產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置和方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前國際上基于啁啾脈沖放大(以下簡稱為CPA)技術(shù)建成的超短超強臺式化激光裝置，大多以鈦寶石激光系統(tǒng)為主?；贑PA技術(shù)建立的超短超強鈦寶石激光裝置的技術(shù)已很成熟，其整體結(jié)構(gòu)已形成標(biāo)準(zhǔn)化由自鎖模激光振蕩器，法拉第(Faraday)光隔離器，激光脈沖展寬器，鈦寶石再生放大器(能輸出10Hz或高至百kHz級激光脈沖)，單脈沖選擇器，多程鈦寶石激光放大器鏈和輸出重復(fù)頻率10Hz、脈寬數(shù)納秒(ns)的多臺532nm抽運激光器，以及真空室中的光柵對脈沖壓縮器等主要部件組成，當(dāng)前它所輸出的超短超強激光脈沖的脈寬＞20飛秒(fs)，峰值功率已接近拍瓦(PW，1015W)，激光脈沖重復(fù)頻率大多為10赫茲(Hz)或單發(fā)(即每幾分鐘或幾十分鐘發(fā)射一個激光脈沖)；重復(fù)頻率千赫茲(kHz)級的小型化鈦寶石激光系統(tǒng)，自T.B.Norris 1992年獲得250-400kHz重復(fù)頻率激光脈沖以來，尚未有超過這個重復(fù)頻率的報道(Optics Letters，1992年，17卷，1009-1011頁)。至今1kHz級的激光脈沖的峰功率最高約為1太瓦(TW，1012W；V.Bagnoud et al.，Applied Physics B，2000年，70卷(Suppl.)，S165-S170頁)。這些超短超強激光，為人類提供了前所未有的全新的強場超快實驗手段與極端物理條件，并由此開創(chuàng)了強場激光物理這一嶄新的前沿研究領(lǐng)域。然而在一些應(yīng)用領(lǐng)域中，既需要高功率激光脈沖，又要求激光脈沖有很高的重復(fù)頻率，但至今尚未開發(fā)出重復(fù)頻率高達(dá)兆赫茲(MHz，106Hz)以上且每個激光脈沖峰值功率達(dá)到1TW的超短超強激光脈沖裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有的超短超強鈦寶石激光裝置，提出一種產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置和方法，該激光裝置應(yīng)能夠在有限時間段內(nèi)輸出重復(fù)頻率達(dá)100MHz、每個激光脈沖峰值功率為1TW、脈沖寬度為數(shù)十fs的超短脈沖列。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置，包括能夠產(chǎn)生～80兆赫茲、10-20飛秒、數(shù)納焦耳的鎖模脈沖列自鎖模鈦寶石激光振蕩器、法拉第光隔離器、無像差激光脈沖展寬器、鈦寶石再生放大器、激光脈沖數(shù)量選擇器、多程鈦寶石激光放大器鏈、輸出重復(fù)頻率、脈寬數(shù)納秒的多臺532nm抽運激光器和真空室中的光柵對脈沖壓縮器，所述的鈦寶石再生放大器由起偏振器、法拉第旋光器、檢偏振器、放大器泡克耳斯盒、第一全反射鏡、鈦寶石和第二全反射鏡構(gòu)成；所述的激光脈沖數(shù)量選擇器依次由起偏振器、選擇器泡克耳斯盒和檢偏振器構(gòu)成，其特征在于所述的放大器泡克耳斯盒一個電極上施加由第一驅(qū)動器驅(qū)動的第一直流高壓電源的直流高壓電信號，該放大器泡克耳斯盒的另一個電極上施加由第二驅(qū)動器驅(qū)動的第二直流高壓電源輸出的直流高壓電信號，一同步信號通過第一同步延時器輸入第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器分別控制第一直流高壓電源和第二直流高壓電源的工作；所述的選擇器泡克耳斯盒的一個電極上施加由第三驅(qū)動器驅(qū)動的第三直流高壓電源的直流高壓電信號，該選擇器泡克耳斯盒的另一個電極上施加由第四驅(qū)動器驅(qū)動的第四直流高壓電源的直流高壓電信號，所述的同步信號通過第二同步延時器輸入第三驅(qū)動器和第四驅(qū)動器分別控制第三直流高壓電源和第四直流高壓電源的工作，提供一個開放時間寬度可調(diào)的時間門。
所述的鈦寶石再生放大器中第二全反射鏡具有移動機構(gòu)，以調(diào)節(jié)鈦寶石再生放大器的腔長控制激光系統(tǒng)輸出的激光脈沖列中相鄰啁啾激光脈沖的時間間隔ττ＝2L/c，其中L為鈦寶石再生放大器的有效光程長，c為光速。
所述的激光晶體增益介質(zhì)還可為摻鉻鎂橄欖石晶體、Cr:LiSAF、Cr:LiCAF、Yb:YAG或Nd:glass。
所述的激光裝置產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖序列的方法包括下列步驟由連續(xù)二極管激光器抽運的Nd:YVO4激光器的倍頻光，532nm抽運的自鎖模鈦寶石激光振蕩器產(chǎn)生～80兆赫茲、10-20飛秒、數(shù)納焦耳的鎖模激光脈沖列；該鎖模激光脈沖列通過法拉第光隔離器，進(jìn)入無像差的ffner激光脈沖展寬器，將10-20飛秒的激光脈沖展寬成幾百皮秒的啁啾激光脈沖；所述的鈦寶石再生放大器由重復(fù)頻率10赫茲、脈寬5-10納秒的532納米抽運激光器抽運，展寬后的啁啾激光脈沖被引向所述的鈦寶石再生放大器，其中一個啁啾激光脈沖在該鈦寶石再生放大器的腔內(nèi)多次往復(fù)被放大，獲得106的增益，單脈沖能量從納焦耳放大到毫焦耳量級；然后當(dāng)腔內(nèi)脈沖能量達(dá)到最大的時刻，按所需分出能量的比例，在放大器泡克耳斯盒上施加相應(yīng)的電壓使腔內(nèi)的啁啾激光脈沖分出一部分能量，向腔外輸出一個啁啾激光脈沖；而腔內(nèi)余下的啁啾激光脈沖繼續(xù)在腔中放大，往復(fù)一次就接連輸出一個啁啾激光脈沖，直至腔內(nèi)能量被消耗盡為止，這樣，鈦寶石再生放大器就以10赫茲的重復(fù)率運行，每次輸出時間間隔相等、強度接近的有限個數(shù)的一列啁啾激光脈沖，該輸出的啁啾激光脈沖列的脈沖間的間隔的重復(fù)頻率＞100赫茲；
該輸出的啁啾激光脈沖列通過后續(xù)的激光脈沖數(shù)量選擇器來選取所需啁啾激光脈沖的個數(shù)并提高信噪比，所選啁啾激光脈沖相繼經(jīng)過532nm激光器抽運的多程鈦寶石激光放大器鏈放大到所需的能量水平后，由真空室中的光柵對脈沖壓縮器壓縮啁啾激光脈沖寬度達(dá)到幾十飛秒，此時每個單脈沖峰值功率可達(dá)1TW以上。
所述的鈦寶石再生放大器的工作流程為從t0時刻開始，532nm激光抽運鈦寶石再生放大器，同時在放大器泡克耳斯盒的電極上施加上電壓V1＝Vλ/4，其中Vλ為放大器泡克耳斯盒對應(yīng)于鈦寶石激光波長800nm的全波電壓值，此時放大器泡克耳斯盒相當(dāng)于一1/4波片，使得鈦寶石再生放大器腔內(nèi)不能形成激光自由振蕩和放大；當(dāng)被挑選的一個種子啁啾激光脈沖通起偏振器、法拉第旋光器、檢偏器注入到鈦寶石再生放大器中，通過放大器泡克耳斯盒并且被第一全反射鏡反射再次通過放大器泡克耳斯盒后，激光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的此時刻定為t1，立即使放大器泡克耳斯盒上的電壓退為0；該種子啁啾激光脈沖被檢偏器全反射，被鈦寶石放大，由第二全反射鏡反射后又再一次通過鈦寶石放大，該種子啁啾激光脈沖又被檢偏器全反射，又通過放大器泡克耳斯盒兩次，由于放大器泡克耳斯盒上已沒有電壓，種子啁啾激光脈沖的偏振方向沒有改變，這樣，再生放大器腔所俘獲的種子啁啾激光脈沖在腔內(nèi)來回振蕩得到多次放大，該種子啁啾激光脈沖被放大到到最大增益的t2時刻，在放大器泡克耳斯盒電極上加上V2＝-Vλ/8，使得放大后的激光脈沖在來回通過放大器泡克耳斯盒兩次以后偏振方向發(fā)生了變化，不再是線偏振光，而變?yōu)閳A偏振光，此圓偏振光射在檢偏器時分成兩個偏振分量s1與p1，其中p1分量通過檢偏器被導(dǎo)出腔外，s1分量被反射繼續(xù)滯留在腔內(nèi)經(jīng)鈦寶石放大兩次又得到增益，s1脈沖再次通過泡克耳斯盒兩次后又變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光的p2分量又被導(dǎo)出腔外，s2分量繼續(xù)滯留在腔內(nèi)放大，這樣反復(fù)多次，該鈦寶石再生放大器可以輸出一列強度遞減、時間間隔相等的啁啾激光脈沖(P1，P2……Pn)，直至再生放大器腔內(nèi)的能量被耗盡，該輸出的啁啾激光脈沖列經(jīng)過法拉第旋光器，由起偏器偏離原來入射光的方向輸出。
本發(fā)明的技術(shù)效果試驗表明，利用本發(fā)明的裝置和方法可以輸出重復(fù)頻率＞100MHz、幾十fs、功率TW級的有限個數(shù)的激光脈沖列。若激光脈沖數(shù)量選擇器提供的時間門僅選擇鈦寶石再生放大器輸出的一個啁啾激光脈沖時，激光裝置又恢復(fù)成每運行一次輸出一個超短超強激光脈沖的狀態(tài)。本發(fā)明使激光裝置可以在輸出單脈沖操作與輸出高重復(fù)頻率多脈沖操作之間切換，既可增加激光裝置的功能，又提升性能。


圖1為本發(fā)明高重復(fù)頻率超短超強鈦寶石激光裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2為本發(fā)明裝置的鈦寶石再生放大器結(jié)構(gòu)框圖。
圖3在放大器泡克耳斯盒兩個電極上施加電壓脈沖信號的電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為在放大器泡克耳斯盒兩個電極上所施加的電壓脈沖信號示意圖。
圖5為本發(fā)明的激光脈沖數(shù)量選擇器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖6在選擇器的泡克耳斯盒兩個電極上施加電壓脈沖信號的電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖7施加在選擇器泡克耳斯盒兩個電極上的電壓信號示意圖。
圖8由激光脈沖數(shù)量選擇器選出5個遞增—遞減型的啁啾激光脈沖，經(jīng)兩級多程鈦寶石激光放大器放大，由光柵對脈沖壓縮器壓縮后輸出的激光脈沖列波形和激光脈沖對應(yīng)的46fs脈沖寬度的自相關(guān)曲線。
圖中1-自鎖模鈦寶石激光振蕩器 2-法拉第光隔離器 3-ffner無像差激光脈沖展寬器 4-鈦寶石再生放大器 5-激光脈沖數(shù)量選擇器 6-多程鈦寶石激光放大器鏈 7-多臺532nm抽運激光器 8-真空室中的光柵對脈沖壓縮器 9-超短超強激光脈沖輸出41-起偏振器 42-法拉第旋光器 43-檢偏振器 44-放大器泡克耳斯盒45-第一全反射鏡 46-鈦寶石 47-第二全反射鏡48-改變腔長時第二全反射鏡(47)移動的方向指示49-在有限時間段內(nèi)輸出的高重復(fù)頻率的啁啾激光脈沖列441-同步信號 442-第一同步延時器 443-第一驅(qū)動器 444-第一直流高壓電源 446-電阻(100-200kΩ) 447-電容(47-100pF) 448-第二直流高壓電源 449-第二驅(qū)動器4401-加在放大器泡克耳斯盒一個電極上的電壓信號4402-加在放大器泡克耳斯盒另一個電極上的電壓信號4403-組合后實際上加在放大器泡克耳斯盒上的電壓信號51-選擇器泡克耳斯盒 511-起偏振器 512-檢偏振器 513-激光脈沖的傳播方向441-同步信號52-第二同步延時器 53-第三驅(qū)動器 54-第三直流高壓電源 55-第二電容(47-100pF) 56-第二電阻(100-200kΩ) 57-第四直流高壓電源58-第四驅(qū)動器514-加在選擇器泡克耳斯盒一個電極上的電壓信號515-加在選擇器泡克耳斯盒另一個電極上的電壓信號
516-組合后實際上加在選擇器泡克耳斯盒上的電壓信號91-壓縮后輸出的激光脈沖列波形92-測得的激光脈沖的脈沖寬度自相關(guān)曲線具體實施方式
請參考圖1，圖1為本發(fā)明的超短超強鈦寶石激光裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。由圖可見本發(fā)明產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置的結(jié)構(gòu)為一種產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置，包括能夠產(chǎn)生～80兆赫茲、10-20飛秒、數(shù)納焦耳的鎖模脈沖列自鎖模鈦寶石激光振蕩器1、法拉第光隔離器2、無像差激光脈沖展寬器3、鈦寶石再生放大器4、激光脈沖數(shù)量選擇器5、多程鈦寶石激光放大器鏈6、輸出重復(fù)頻率10Hz、脈寬數(shù)納秒的多臺532nm抽運激光器7和真空室中的光柵對脈沖壓縮器8，所述的鈦寶石再生放大器4由起偏振器41、法拉第旋光器42、檢偏振器43、放大器泡克耳斯盒44、第一全反射鏡45、鈦寶石46和第二全反射鏡47構(gòu)成；所述的激光脈沖數(shù)量選擇器5依次由起偏振器511、選擇器泡克耳斯盒51和檢偏振器512構(gòu)成，其特征在于所述的放大器泡克耳斯盒44一個電極上施加由第一驅(qū)動器443驅(qū)動的第一直流高壓電源444的直流高壓電信號，該放大器泡克耳斯盒44的另一個電極上施加由第二驅(qū)動器449驅(qū)動的第二直流高壓電源448輸出的直流高壓電信號，一同步信號441通過第一同步延時器442輸入第一驅(qū)動器443和第二驅(qū)動器449分別控制第一直流高壓電源444和第二直流高壓電源448的工作；所述的選擇器泡克耳斯盒51的一個電極上施加由第三驅(qū)動器53驅(qū)動的第三直流高壓電源54的直流高壓電信號，該選擇器泡克耳斯盒51的另一個電極上施加由第四驅(qū)動器58驅(qū)動的第四直流高壓電源57的直流高壓電信號，所述的同步信號441通過第二同步延時器52輸入第三驅(qū)動器53和第四驅(qū)動器58分別控制第三直流高壓電源54和第四直流高壓電源57的工作，提供一個開放時間寬度可調(diào)的時間門。
本發(fā)明產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置的結(jié)構(gòu)的操作過程如下由連續(xù)二極管激光器抽運的Nd:YVO4激光器的倍頻光(532nm、連續(xù)輸出幾瓦)抽運的自鎖模鈦寶石激光振蕩器1產(chǎn)生約80MHz、10-20fs、數(shù)納焦耳(nJ)的鎖模激光脈沖列。該鎖模激光脈沖列通過法拉第光隔離器2，進(jìn)入無像差的ffner激光脈沖展寬器3，將10-20fs激光脈沖展寬成幾百皮秒(ps)的啁啾激光脈沖。鈦寶石再生放大器4由重復(fù)頻率10Hz、脈寬5-10ns的532nm抽運激光器7抽運。展寬后的啁啾激光脈沖被引向所述的鈦寶石再生放大器4，其中一個啁啾激光脈沖在該鈦寶石再生放大器4的腔內(nèi)多次往復(fù)被放大，獲得約106的增益，單脈沖能量從nJ放大到mJ量級；然后當(dāng)腔內(nèi)脈沖能量達(dá)到最大的時刻，按所需分出能量的比例，在泡克耳斯盒44上施加相應(yīng)的電壓使腔內(nèi)的啁啾激光脈沖分出一部分能量，向腔外輸出一個啁啾激光脈沖；而腔內(nèi)余下的啁啾激光脈沖繼續(xù)在腔中放大，往復(fù)一次就接連輸出一個啁啾激光脈沖，直至腔內(nèi)能量被消耗盡為止。這樣，所述的鈦寶石再生放大器4就以10Hz的重復(fù)率運行，每次輸出時間間隔相等、強度接近的有限個數(shù)的一列啁啾激光脈沖。輸出啁啾激光列脈沖間的間隔(也即是重復(fù)頻率)由鈦寶石再生放大器4的腔長確定，重復(fù)頻率＞100MHz。接著該啁啾激光脈沖列利用后續(xù)的激光脈沖數(shù)量選擇器5來選取所需啁啾激光脈沖的個數(shù)和提高信噪比。所選啁啾激光脈沖相繼經(jīng)過532nm激光器7抽運的多程鈦寶石激光放大器鏈6放大到所需的能量水平后，由真空室中的光柵對脈沖壓縮器8壓縮啁啾激光脈沖寬度達(dá)到幾十fs，此時每個單脈沖峰值功率可達(dá)1TW以上。
上述的激光系統(tǒng)于是輸出重復(fù)頻率達(dá)到＞100MHz、幾十fs、功率TW級的有限個數(shù)的脈沖列。
請參加圖2、圖3和圖4，圖2示出本發(fā)明的鈦寶石放大器4的結(jié)構(gòu)，圖3示出產(chǎn)生施加于再生放大器內(nèi)泡克耳斯盒44上的電壓波形的電路方框圖。圖4示出在放大器泡克耳斯盒44上所施加的電壓信號和運行方式。
所述的鈦寶石再生放大器4的工作流程是從t0時刻開始，532nm激光抽運鈦寶石，同時在放大器泡克耳斯盒44的一個電極上施加上1/4全波電壓，V1＝Vλ/4，Vλ為該泡克耳斯盒對應(yīng)于鈦寶石激光波長800nm的全波電壓值，此時放大器泡克耳斯盒相當(dāng)于一塊1/4波片，使得鈦寶石再生放大器4腔內(nèi)不能形成激光自由振蕩和放大。當(dāng)被挑選的一個啁啾激光脈沖通起偏振器41、法拉第旋光器42、檢偏振器43注入到鈦寶石再生放大器中，通過放大器泡克耳斯盒44并且被第一全反射鏡45反射再次通過泡克耳斯盒44后，激光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，此時刻定為t1，立即使放大器泡克耳斯盒44上的電壓退為0。該種子啁啾激光脈沖41被檢偏振器43全反射，被鈦寶石46放大，由第二全反射鏡47反射后又再一次通過鈦寶石46放大。該種子啁啾激光脈沖又被檢偏振器43全反射，又通過放大器泡克耳斯盒44兩次。由于放大器泡克耳斯盒44上已沒有電壓，種子啁啾激光脈沖的偏振方向沒有改變。這樣，該鈦寶石再生放大器腔俘獲的種子啁啾激光脈沖在腔內(nèi)來回振蕩得到多次放大。在種子啁啾激光脈沖被放大到到最大增益的t2時刻，在泡克耳斯盒44電極上加上-1/8全波電壓，V2＝-Vλ/8，使得放大后的激光脈沖在來回通過泡克耳斯盒44兩次以后偏振方向發(fā)生了變化，不再是線偏振光，而變?yōu)閳A偏振光。此圓偏振光射在檢偏振器43時被分成兩個偏振分量s1與p1，其中p1分量通過檢偏振器43被導(dǎo)出腔外，s1分量被反射繼續(xù)滯留在腔內(nèi)經(jīng)鈦寶石46放大兩次又得到增益。s1脈沖再次通過放大器泡克耳斯盒44兩次后又變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光的p2分量又被導(dǎo)出腔外，s2分量繼續(xù)滯留在腔內(nèi)放大。這樣反復(fù)多次，再生放大器可以輸出一列強度遞減、時間間隔相等的啁啾激光脈沖(p1，p2，p3，p4，……)，直至再生放大器腔內(nèi)的能量被耗盡。輸出的啁啾激光脈沖列經(jīng)過法拉第旋光器42，由起偏振器41偏離原來入射光的方向輸出。輸出的啁啾激光脈沖列中的相鄰激光脈沖間的時間間隔由激光脈沖在腔內(nèi)往返一次所用的時間所決定，即可以按照所示的雙箭頭的方向48沿光軸線移動第二全反射鏡47的位置來改變鈦寶石再生放大器44的腔長，以便控制重復(fù)頻率(計算式時間間隔τ＝2L/c，L為腔的光程長，c為光速)。上述的情況輸出啁啾激光脈沖列的形狀是遞減型。若是t2選在種子啁啾激光脈沖被放大到最大增益之前某一時刻，則輸出啁啾激光脈沖列的形狀是接近遞增—遞減型。即輸出啁啾激光脈沖列的形狀和脈沖個數(shù)由t2所定的時刻和施于泡克耳斯盒44上的第二步電壓V2所決定(V2≠±V1，0＜|V2|＜Vλ/4)。由t0時刻開始到t3時刻結(jié)束，時間寬度＜2微秒(μs)為宜。
由鈦寶石再生放大器4在有限時間段內(nèi)輸出的高重復(fù)頻率啁啾激光脈沖列49通過一個激光脈沖數(shù)量選擇器5來控制脈沖的個數(shù)及提高脈沖列的信噪比，它是一個開放時間寬度可以調(diào)節(jié)的泡克耳斯盒電光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由正交的起偏器511和檢偏器512與泡克耳斯盒51所組成。圖6示出產(chǎn)生施加于選擇器泡克耳斯盒51上的電壓波形的電路方框圖。圖7示出在選擇器泡克耳斯盒51上所施加的電壓信號和運行方式。T1到T2的時間寬度可以調(diào)節(jié)(根據(jù)所要選取的脈沖個數(shù)而定)。選出的啁啾激光脈沖列經(jīng)擴束后進(jìn)入多程鈦寶石激光放大器鏈6放大到所需的能量水平后，由真空室中的光柵對脈沖壓縮器8壓縮啁啾脈沖寬度達(dá)到幾十fs，最后在有限時間段內(nèi)輸出的激光脈沖9的脈沖重復(fù)頻率為＞100MHz(對應(yīng)于鈦寶石再生放大器4的腔長L＝1.4米，重復(fù)頻率為107MHz)，每個脈沖的峰值功率可達(dá)1TW。
在上述的超短超強激光裝置中，若激光脈沖數(shù)量選擇器提供的時間門僅選擇鈦寶石再生放大器4輸出的一個啁啾激光脈沖時，激光裝置又恢復(fù)成每運行一次輸出一個超短超強激光脈沖的狀態(tài)。本發(fā)明使激光裝置可以在輸出單脈沖操作與輸出高重復(fù)頻率多脈沖操作之間切換，既可增加激光裝置的功能，又提升性能。
下面是本發(fā)明的一個實施例的具體參數(shù)利用本發(fā)明的方法，在一臺如圖1所示結(jié)構(gòu)的10TW級的CPA超短超強鈦寶石激光裝置進(jìn)行產(chǎn)生高重復(fù)頻率激光脈沖列的試驗。
設(shè)定鈦寶石再生放大器4的腔長為1.4米，放大器泡克耳斯盒44由KD*P晶體制成，在該放大器泡克耳斯盒44上按照圖4所示施加電壓脈沖信號Vλ/4-0--Vλ/8(Vλ＝9.6kV)，采用遞增—遞減型的輸出方式；激光脈沖數(shù)量選擇器5的時間門可選出5個脈沖。按常規(guī)方式運行這臺激光裝置。這樣，鈦寶石再生放大器4連續(xù)輸出10個啁啾激光脈沖，重復(fù)頻率為107MHz。經(jīng)過激光脈沖數(shù)量選擇器5選出5個激光脈沖，再由兩級多程鈦寶石激光放大器6進(jìn)行放大，然后進(jìn)入真空室中的光柵對脈沖壓縮器8壓縮啁啾激光脈沖，最后輸出重復(fù)頻率107MHz的超短超強激光脈沖列(見圖8之91)，脈沖寬度46fs(見圖8之92)，平均每個脈沖的功率＞1TW。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置，包括能夠產(chǎn)生～80兆赫茲、10-20飛秒、數(shù)納焦耳的鎖模脈沖列自鎖模鈦寶石激光振蕩器(1)、法拉第光隔離器(2)、無像差激光脈沖展寬器(3)、鈦寶石再生放大器(4)、激光脈沖數(shù)量選擇器(5)、多程鈦寶石激光放大器鏈(6)、輸出重復(fù)頻率10Hz、脈寬數(shù)納秒的多臺532nm抽運激光器(7)和真空室中的光柵對脈沖壓縮器(8)，所述的鈦寶石再生放大器(4)由起偏振器(41)、法拉第旋光器(42)、檢偏振器(43)、放大器泡克耳斯盒(44)、第一全反射鏡(45)、鈦寶石(46)和第二全反射鏡(47)構(gòu)成；所述的激光脈沖數(shù)量選擇器(5)依次由起偏振器(511)、選擇器泡克耳斯盒(51)和檢偏振器(512)構(gòu)成，其特征在于所述的放大器泡克耳斯盒(44)一個電極上施加由第一驅(qū)動器(443)驅(qū)動的第一直流高壓電源(444)的直流高壓電信號，該放大器泡克耳斯盒(44)的另一個電極上施加由第二驅(qū)動器(449)驅(qū)動的第二直流高壓電源(448)輸出的直流高壓電信號，一同步信號(441)通過第一同步延時器(442)輸入第一驅(qū)動器(443)和第二驅(qū)動器(449)分別控制第一直流高壓電源(444)和第二直流高壓電源(448)的工作；所述的選擇器泡克耳斯盒(51)的一個電極上施加由第三驅(qū)動器(53)驅(qū)動的第三直流高壓電源(54)的直流高壓電信號，該選擇器泡克耳斯盒(51)的另一個電極上施加由第四驅(qū)動器(58)驅(qū)動的第四直流高壓電源(57)的直流高壓電信號，所述的同步信號(441)通過第二同步延時器(52)輸入第三驅(qū)動器(53)和第四驅(qū)動器(58)分別控制第三直流高壓電源(54)和第四直流高壓電源(57)的工作，提供一個開放時間寬度可調(diào)的時間門。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的激光裝置，其特征在于所述的鈦寶石再生放大器(4)中第二全反射鏡(47)具有移動機構(gòu)，以調(diào)節(jié)鈦寶石再生放大器(4)的腔長控制激光系統(tǒng)輸出的激光脈沖列中相鄰啁啾激光脈沖的時間間隔ττ＝2L/c，其中L為鈦寶石再生放大器(4)的有效光程長，c為光速。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的激光裝置，其特征在于所述的激光晶體增益介質(zhì)還可為摻鉻鎂橄欖石晶體、Cr:LiSAF、Cr:LiCAF、Yb:YAG或Nd:glass。
4.利用權(quán)利要求1所述的激光裝置產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖序列的方法，其特征在于該方法包括下列步驟由連續(xù)二極管激光器抽運的Nd:YVO4激光器的倍頻光，532nm抽運的自鎖模鈦寶石激光振蕩器(1)產(chǎn)生～80兆赫茲、10-20飛秒、數(shù)納焦耳的鎖模激光脈沖列；該鎖模激光脈沖列通過法拉第光隔離器(2)，進(jìn)入無像差的ffner激光脈沖展寬器(3)，將10-20飛秒的激光脈沖展寬成幾百皮秒的啁啾激光脈沖；所述的鈦寶石再生放大器(4)由重復(fù)頻率10赫茲、脈寬5-10納秒的532納米抽運激光器(7)抽運，展寬后的啁啾激光脈沖被引向所述的鈦寶石再生放大器(4)，其中一個啁啾激光脈沖在該鈦寶石再生放大器(4)的腔內(nèi)多次往復(fù)被放大，獲得106的增益，單脈沖能量從納焦耳放大到毫焦耳量級；然后當(dāng)腔內(nèi)脈沖能量達(dá)到最大的時刻，按所需分出能量的比例，在放大器泡克耳斯盒(44)上施加相應(yīng)的電壓使腔內(nèi)的啁啾激光脈沖分出一部分能量，向腔外輸出一個啁啾激光脈沖；而腔內(nèi)余下的啁啾激光脈沖繼續(xù)在腔中放大，往復(fù)一次就接連輸出一個啁啾激光脈沖，直至腔內(nèi)能量被消耗盡為止，這樣，鈦寶石再生放大器(4)就以10赫茲的重復(fù)率運行，每次輸出時間間隔相等、強度接近的有限個數(shù)的一列啁啾激光脈沖，該輸出的啁啾激光脈沖列的脈沖間的間隔的重復(fù)頻率＞100赫茲；該輸出的啁啾激光脈沖列通過后續(xù)的激光脈沖數(shù)量選擇器(5)來選取所需啁啾激光脈沖的個數(shù)并提高信噪比，所選啁啾激光脈沖相繼經(jīng)過532nm激光器(7)抽運的多程鈦寶石激光放大器鏈(6)放大到所需的能量水平后，由真空室中的光柵對脈沖壓縮器(8)壓縮啁啾激光脈沖寬度達(dá)到幾十飛秒，此時每個單脈沖峰值功率可達(dá)1TW以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的鈦寶石再生放大器(4)的工作流程為從t0時刻開始，532nm激光抽運鈦寶石再生放大器(4)，同時在放大器泡克耳斯盒(44)的電極上施加上電壓V1＝Vλ/4，其中Vλ為放大器泡克耳斯盒(44)對應(yīng)于鈦寶石激光波長800nm的全波電壓值，此時放大器泡克耳斯盒(44)相當(dāng)于一1/4波片，使得鈦寶石再生放大器(4)腔內(nèi)不能形成激光自由振蕩和放大；當(dāng)被挑選的一個種子啁啾激光脈沖通起偏振器(41)、法拉第旋光器(42)、檢偏器(43)注入到鈦寶石再生放大器中，通過放大器泡克耳斯盒(44)并且被第一全反射鏡(45)反射再次通過放大器泡克耳斯盒(44)后，激光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的此時刻定為t1，立即使放大器泡克耳斯盒(44)上的電壓退為0；該種子啁啾激光脈沖被檢偏器(43)全反射，被鈦寶石(46)放大，由第二全反射鏡(47)反射后又再一次通過鈦寶石(46)放大，該種子啁啾激光脈沖又被檢偏器(43)全反射，又通過放大器泡克耳斯盒(44)兩次，由于放大器泡克耳斯盒(44)上已沒有電壓，種子啁啾激光脈沖的偏振方向沒有改變，這樣，再生放大器腔所俘獲的種子啁啾激光脈沖在腔內(nèi)來回振蕩得到多次放大，該種子啁啾激光脈沖被放大到到最大增益的t2時刻，在放大器泡克耳斯盒(44)電極上加上V2＝-Vλ/8，使得放大后的激光脈沖在來回通過放大器泡克耳斯盒(44)兩次以后偏振方向發(fā)生了變化，不再是線偏振光，而變?yōu)閳A偏振光，此圓偏振光射在檢偏器(43)時分成兩個偏振分量s1與p1，其中p1分量通過檢偏器(43)被導(dǎo)出腔外，s1分量被反射繼續(xù)滯留在腔內(nèi)經(jīng)鈦寶石(46)放大兩次又得到增益，s1脈沖再次通過泡克耳斯盒(44)兩次后又變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光的p2分量又被導(dǎo)出腔外，s2分量繼續(xù)滯留在腔內(nèi)放大，這樣反復(fù)多次，該鈦寶石再生放大器(4)可以輸出一列強度遞減、時間間隔相等的啁啾激光脈沖(P1，P2……Pn)，直至再生放大器(4)腔內(nèi)的能量被耗盡，該輸出的啁啾激光脈沖列經(jīng)過法拉第旋光器(42)，由起偏器(41)偏離原來入射光的方向輸出。
全文摘要
一種產(chǎn)生高重復(fù)頻率超短超強激光脈沖列的裝置，包括鎖模脈沖列自鎖模鈦寶石激光振蕩器、法拉第光隔離器、無像差激光脈沖展寬器、鈦寶石再生放大器、激光脈沖數(shù)量選擇器、多程鈦寶石激光放大器鏈、抽運激光器和真空室中的光柵對脈沖壓縮器，放大器泡克耳斯盒一個電極上施加由第一驅(qū)動器驅(qū)動的第一直流高壓電源的直流高壓電信號，另一個電極上施加由第二驅(qū)動器驅(qū)動的第二直流高壓電源輸出的直流高壓電信號，一同步信號通過第一同步延時器輸入第一驅(qū)動器和第二驅(qū)動器分別控制第一直流高壓電源和第二直流高壓電源的工作。本發(fā)明可以輸出有限個的激光脈沖列，且輸出單脈沖操作與高重復(fù)頻率多脈沖操作之間可切換，既增加激光裝置的功能，又提升性能。
文檔編號H01S3/00GK1916746SQ20061003078
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者林禮煌, 馮偉偉, 王文耀, 李儒新, 徐至展, 張秉鈞 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所