[發明專利]一種中紅外啁啾脈沖放大裝置

有效

• 申請號: 201410678459.7
• 申請日: 2014-11-24
• 公開（公告）號: CN104391416A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 鐘亥哲;李瑛;章禮富;陳智聰;范滇元
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G02F1/39
• 分類號: G02F1/39;G02F1/35
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所 44268
• 代理人: 王永文;劉文求

技術領域

本發明涉及激光技術領域，尤其涉及的是一種中紅外啁啾脈沖放大裝置。?

背景技術

超短超強激光在近十幾年里的快速發展，為人們探索微觀超快現象及研究強場物理提供了前所未有的實驗手段和發展機遇。中紅外波段介于近紅外波段與太赫茲（THz）波段之間，是非常重要的電磁輻射波段。典型的中紅外波長為3-5?μm。超短超強的中紅外飛秒激光在生物組織燒蝕、大氣探測、高次諧波產生等前沿科學研究方面有著獨特的重要應用；在光電對抗、先進防御等國家安全領域更是具有重大的應用潛力。

啁啾脈沖放大（Chirped?Pulse?Amplification，簡稱CPA）技術是目前產生高能量的超短超強飛秒（10^-15秒，fs）脈沖激光最主要的技術方案。首先，由飛秒激光振蕩器提供低能量的超短脈沖種子源。通過Martinez型的光柵展寬器將超短脈沖展寬為100?ps～3?ns的啁啾脈沖。然后，由單級或者多級激光放大器對啁啾脈沖的能量進行放大。最后，再利用Treacy型的光柵壓縮器，將放大后的啁啾脈沖重新壓縮回飛秒級的超短脈沖，最終實現超短超強脈沖激光的輸出。但是，現有的高功率飛秒激光器仍主要集中在近紅外波段，比如已經商品化的800?nm鈦寶石飛秒激光器。由于中紅外能級型增益介質的嚴重匱乏，這項技術很難直接應用在大于3?μm的中紅外波段。另一方面，光參量啁啾脈沖放大（Optical?Parametric?Chirped?Pulse?Amplification，簡稱OPCPA）技術的出現正好可以突破增益介質匱乏的限制，與常規的CPA不同，OPCPA以非線性晶體替代傳統激光放大器中的增益介質，理論上，這項技術能夠用于大幅度提升任意波長超短激光脈沖的能量。

將OPCPA技術應用于中紅外波段，仍面臨幾個重要的技術難題。其中之一就是如何保證脈沖展寬和壓縮過程中色散的精確補償。傳統的超短超強啁啾脈沖放大系統，一般都會以光柵對作為其脈沖展寬器以及壓縮器。但是，由于缺乏對中紅外光源的有效探測手段，要完成中紅外光柵展寬器以及壓縮器的精確調整是件非常困難的事情，特別是脈沖展寬器。這是因為相比于放大后的脈沖激光，中紅外種子源的能量要低得多，更增添了光路調整的難度。因此，受制于現有的技術條件，為了避開中紅外展寬器，人們主要還是以展寬后的近紅外啁啾脈沖作為信號光，利用OPCPA，對信號光進行放大。在這個過程中，除了放大的近紅外信號光，還能得到中紅外波段的閑頻光，更為重要的是，這時候的閑頻光“天然地”帶有跟信號光相反的時間啁啾，而且，與信號光一起得到了放大。最后，再用傳統的光柵壓縮器對其進行壓縮，得到超短超強的中紅外激光。

然而，上述技術方案存在著不可忽視的問題。在這個方案中，光柵展寬器與壓縮器需要工作在不用的激光波長。可是，針對不同波長的光柵展寬/壓縮器，它們所能提供的二階色散量與三階色散量的比值是不一樣的，波長間的差異越大，這個比值的差別也就越大，因此，如果讓光柵展寬器和壓縮器分別工作在近紅外和中紅外波段，由于近紅外與中紅外波長的高度非簡并，通過調整光柵壓縮器的光柵間距，將展寬器提供的二階色散完全補償后，還將留下難以消除的三階色散，殘留的三階色散會影響激光脈沖壓縮后所能達到的寬度，無法得到近傅里葉變換極限的脈沖激光，嚴重的還會使壓縮后的脈沖激光發生畸變。因此，這種由近紅外光柵展寬器與中紅外光柵壓縮器組成的展寬壓縮系統還只是應用于較小峰值功率的高功率激光系統中。需要說明的是，為了獲得更高的峰值功率，不可避免的需要以高能量的長脈沖激光作泵浦源，隨著脈沖展寬壓縮倍數的增加，殘留的三階色散也就越多，對壓縮脈沖的影響也更為嚴重。

當然，通過簡單的調整光柵展寬器以及光柵壓縮器的光柵入射角，可以在一定范圍內改變它們二階、三階色散間的比值，以減小殘留的三階色散量，但是，這個可調節的量是很小的，更為重要的是，為了得到較高的展寬以及壓縮效率，光柵通常都需要工作在近利特羅（littrow）角的入射角度，偏離這個角度，會嚴重影響光柵的衍射效率。

因此，現有技術有待于改進和發展。?

發明內容

本發明的目的在于針對，基于光柵對的脈沖展寬器與壓縮器工作在不同波長的時候，展寬壓縮系統會使壓縮后的激光脈沖殘留大量的三階色散的缺陷，以棱柵對作為脈沖展寬器或者脈沖壓縮器，通過選擇合適的棱鏡材料并對其棱角作適當的設計加工，消除壓縮脈沖中殘留的三階色散，以此來提供一種適用于百飛秒以下中紅外超短超強脈沖激光的中紅外啁啾脈沖放大裝置。

本發明的技術方案如下：