[發明專利]展寬器內置光學平板的光柵展寬壓縮系統

有效

• 申請號: 201710320223.X
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN106972341B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 王乘;李帥;冷雨欣;李儒新
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H01S3/00
• 分類號: H01S3/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種展寬器內置光學平板的光柵展寬壓縮系統，包括內置光學平板的光柵展寬器、色散光學器件和高密度光柵壓縮器，所述的光學平板被夾持在精密旋轉平臺上，而且該光學平板垂直于水平工作面，與衍射光方向的夾角通過驅動精密旋轉平臺調整。本發明能有效地消除四階以下色散，使啁啾脈沖激光放大裝置輸出的寬帶脈沖具有足夠寬的平坦相位光譜，獲得接近光譜傅立葉變換極限的超短脈沖寬度，提升啁啾脈沖激光放大裝置的輸出激光脈沖的峰值功率。

技術領域

本發明涉及超強超短激光，特別是一種展寬器內置光學平板的光柵展寬壓縮系統。

背景技術

“超強超短”脈沖激光是指激光脈沖的時間寬度短至100飛秒以下(飛秒，即10^-15s，縮寫fs)，峰值功率高至100太瓦以上(太瓦，即10¹²W，縮寫TW)的脈沖激光。

啁啾脈沖激光放大裝置能夠實現超強超短脈沖輸出，是超強超短激光科學領域研究的基礎設備。它采用啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，簡寫為CPA)方法為基本技術路線，能夠實現超強超短激光脈沖輸出。典型方案以采用CPA技術的鈦寶石激光系統為例：飛秒激光源振蕩鎖模，產生強度較弱的800nm波段飛秒種子脈沖；飛秒種子脈沖被送入光柵展寬器中，受到展寬器的正色散作用，成為光譜隨時間分布的啁啾脈沖，展寬器的色散越強，則脈沖啁啾越強；脈沖啁啾越強，則脈沖時域越寬。在大能量的啁啾脈沖激光裝置中，種子飛秒脈沖通常被展寬百萬倍，成為納秒量級的長脈沖。納秒長脈沖在包括各級激光放大介質在內的色散光學器件中穿行，逐級獲得能量放大，同時持續受到光學材料色散的作用(通常也是正色散，但遠小于光柵展寬器色散)。最后，在系統末端，利用光柵壓縮器的負色散，補償之前的正色散，消除激光脈沖中的啁啾，使能量被充分放大的激光脈沖被壓縮回飛秒超短脈沖，最終實現超強超短激光脈沖的輸出。

啁啾脈沖激光放大裝置中的超短激光脈沖具有寬帶光譜的特點。因為脈沖的時域形狀可由其寬帶光譜做傅里葉變換得到，而且光譜越寬，脈寬可能越短，所以，為了獲得更短的脈寬，相關研究機構都在不斷提升啁啾脈沖激光放大裝置的輸出光譜寬度。但是，對于確定形狀的光譜，最短脈寬(稱為“傅里葉變換極限脈寬”)只能在光譜相位曲線是一條平坦水平直線的情況下獲得。實際中，激光脈沖在啁啾脈沖激光放大裝置里穿行，會通過光柵展寬器和各種色散光學器件，不斷累積色散(啁啾)。如果累積的色散(啁啾)不能被光柵壓縮器完全補償，則輸出脈沖的光譜相位曲線將出現扭曲劣化，脈沖寬度將大于甚至遠大于傅里葉變換極限。以臺勞(Taylor)級數方法做數學分析，光譜相位曲線可以被分解為中心波長處的一階、二階、三階、四階甚至更高階色散(其中一階級數只與脈沖的群速度有關，與本發明涉及的領域無關)。實現補償的色散階數越高，則寬帶光譜就具有越寬的相位平坦區，獲得的輸出脈沖也就越短。

現有的光柵展寬器的基本構型可參見圖1。在水平工作面內，寬光譜光束在第一光柵1處按波長衍射發散開來；利用1:1的光學望遠成像系統2，第一光柵1可形成像光柵4；第二光柵3平行于第一光柵的像光柵4，可使不同波長光恢復平行；平面折返鏡5使激光原路折返或在另一水平面內原路折返，并在第一光柵1處恢復成初始光束形狀后離開光柵展寬器。

啁啾脈沖激光放大裝置內的色散光學器件，包括激光工作介質(如鈦寶石)、偏振器、光隔離器、光學透鏡、普克爾盒等等各種色散元件。

光柵壓縮器是啁啾脈沖激光放大裝置的輸出端，其基本構造是四面平面反射光柵兩兩平行并呈鏡像放置的裝置。理論分析可知，在理想的1:1的光學望遠成像系統情況下，只要將光柵展寬器中的像光柵4和第二光柵3的距離寫做負數，光柵展寬器與光柵壓縮器的色散計算公式就完全相同。也就是說，如果不考慮色散光學器件的存在，理想光柵展寬器與光柵壓縮器的各階色散大小相等、符號相反，可以實現完全匹配和互相抵消。但對于實際運轉的啁啾脈沖激光放大裝置，光柵壓縮器不僅要補償光柵展寬器的色散，還要補償色散光學器件中各種色散元件的色散。