[發明專利]基于自水平激光投線儀的光柵壓縮器全寬度調節方法

有效

• 申請號: 202010041580.4
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111211474B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 王乘;印定軍;劉星延;許毅;冷雨欣
• 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: H01S3/10
• 分類號: H01S3/10
• 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

本發明提供一種基于自水平激光投線儀的光柵壓縮器全寬度調節方法，根據自水平激光投線儀建立起垂直于重力方向的水平激光面，用于光柵的姿態調節，根據自水平激光投線儀建立起平行于重力方向的豎直激光面，用于單個光柵的方向確定和兩個光柵之間的平行調節。本發明實現了光柵壓縮器的全寬度調節。本發明以重力方向為調節基準，避免了光柵壓縮器所在光學平臺的翹曲所帶來的激光調節基準偏差；本發明以自水平激光投線儀為基準激光，減少了基準激光的調試工作量，簡化了光柵壓縮器的調試工作。

技術領域

本發明涉及光柵壓縮器的調節方法，重點涉及光柵姿態、兩光柵面平行、折返鏡的調節方案，特別是基于自水平激光投線儀的光柵姿態及兩光柵面平行的調節方法。

涉及適用于能夠輸出超強超短激光脈沖的啁啾脈沖激光放大裝置的研究與應用領域，屬于一種可以調節啁啾脈沖激光放大裝置關鍵部件——光柵壓縮器的方法，可以減少甚至避免激光經過光柵壓縮器時由于光柵姿態存在誤差或兩光柵面不平行或折返鏡扭曲而產生的超強超短激光脈沖光束質量劣化。

背景技術

“超強超短”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)。

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。與普通納秒激光脈沖相比，超短飛秒激光脈沖具有寬帶光譜的特點。

光柵壓縮器作為啁啾脈沖激光放大裝置的末端或輸出端，其標準構造是四面平面反射光柵兩兩平行并呈鏡像放置，見圖1和圖2。圖1為標準構造光柵壓縮器的水平結構示意圖，其中，激光依序經豎直放置的光柵1、光柵2、光柵3和光柵4的反射式衍射后出射。圖2是標準構造光柵壓縮器的立體結構示意圖，大口徑的激光依序經過豎直放置的光柵1、光柵2、光柵3和光柵4的反射式衍射后出射。其特點是所有光學元件都在同一水平面內。

在激光束口徑較小時，可以選用簡化光柵壓縮器結構。光柵壓縮器的簡化構型是二個互相平行的平面反射光柵，加上一個折返鏡做為鏡像裝置，見圖3。圖3是簡化構造光柵壓縮器的立體結構圖。保留了光柵1和光柵2，用折返鏡5替代了原本的光柵3和光柵4。折返鏡5由兩片在豎直面內互相垂直的上平面反射鏡8和下平面反射鏡9構成，見圖4。圖4是折返鏡的立體結構示意圖。折返鏡5將光柵1和光柵2過來的衍射光折入另一個高度的水平面并返回光柵1和光柵2。平面反射鏡6和平面反射鏡7用來引入激光和引出激光。從圖中可以明顯看出平面反射鏡6和平面反射鏡7高低不同，不在同一水平面內。

光柵壓縮器的物理原理可以這樣描述：寬光譜激光在平面反射光柵的衍射作用下，不同光譜分量沿不同的光路行進，具有不同長度的光程，形成空間色散。在鏡像的布局下，輸出激光脈沖不同光譜分量的光程差(或者說空間色散)變成了時間域的色散延時。總而言之，光柵壓縮器通過色散管理實現了對激光脈沖寬度的管理。

如果光柵或折返鏡的姿態存在偏差，或者成對光柵之間的平行度不夠，都可能干擾空間色散向時間色散的轉換。殘留的空間色散將破壞光束質量，使得輸出光束各處的脈沖寬度不均勻，也無法光學聚焦成接近衍射極限的焦斑，難以實現物理實驗所需要的超強峰值功率密度。