專利名稱：補償再生放大器高材料色散的小型化脈沖展寬器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于再生放大器高材料色散補償?shù)男⌒突w秒激光脈沖展寬器設(shè)計方法。屬于飛秒脈沖放大技術(shù)。
背景技術(shù)：
為了放大飛秒激光脈沖，需要先把振蕩器出來的種子脈沖展寬到納秒量級，然后放大，最后壓縮到入射脈沖的寬度，同時具有百萬倍以上的能量增量。把脈沖壓縮回入射脈沖同量級的原則是，如果放大器中附加的材料色散不能以其他方式完全補償?shù)脑?，就需要設(shè)計與其材料色散匹配的脈沖展寬器和壓縮器。通常光柵對壓縮器的結(jié)構(gòu)，除了光柵間隔和入射角度，無其他隨意改變其色散特性的方法。為了改變色散的符號，展寬器是光柵對和球面鏡組合而成。計算證明，球面鏡對于非傍軸光線的像差可以轉(zhuǎn)換成色散。這個色散，與壓縮器中光柵對光柵間隔和入射角度的變化一起可以用來補償放大器中材料色散[1]。盡管如此，通常的展寬器馬丁內(nèi)茲(Matinez)型[2]和歐浮納(Offner)型[3]均不能對應較大的材料色散(例如再生放大器中的材料色散)。一般來講，由于馬丁內(nèi)茲型展寬器與歐浮納型展寬器相比有較大的像差，這種像差可轉(zhuǎn)變?yōu)楦郊由ⅲ虼嗽趬嚎s器結(jié)構(gòu)相同的條件下，馬丁內(nèi)茲型展寬器可容納更多的材料色散，更適用于再生放大器，而歐浮納型展寬器通常認為不適合用于再生放大器。
Zhigang Zhang et al.，Appl.，Opt.，Vol.36 No.15(1997)3393. O.E.Martinez，IEEE J.Quantum Electron.，Vol.23 No.1(1987)59. G.Cheriaux et al.，Opt.Lett.，Vol.21 No.6(1996)414.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于再生放大器高材料色散的小型化飛秒激光脈沖展寬器設(shè)計方法。依照該方法設(shè)計制造出的飛秒脈沖展寬器，用于補償再生放大器的色散，具有容納材料色散多，體積小和結(jié)構(gòu)簡單等特點。
由于歐浮納型展寬器采用凹、凸球面鏡共心放置的形式，被公認為無像差展寬器(當兩個光柵分別位于凹面鏡球心(S1＝R)和焦點處時)。傳統(tǒng)觀念認為像差最終轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的附加色散，因而認為無像差的歐浮納展寬器優(yōu)于有像差的馬丁內(nèi)茲型展寬器。但是放大系統(tǒng)中總是存在各種材料色散的，如果展寬器無像差，則需要其他的附加方法來補償系統(tǒng)中的材料色散。我們認為如果根據(jù)系統(tǒng)中的材料色散(可以估算出)，適當保留展寬器中的像差，這種像差轉(zhuǎn)化成的附加色散與放大器中的材料色散反號，則這種展寬器中的像差能夠使系統(tǒng)容納更多的材料色散，因此，展寬器中適當?shù)南癫畲嬖趯τ谡麄€系統(tǒng)的色散補償是有益的，這就是本項發(fā)明的出發(fā)點。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的根據(jù)展寬器的位相Φ與光柵位置S1、球面鏡曲率半徑R的關(guān)系式Φ=ωcp+2πGd[tan(γ-θ0-θ6)-tan(γ-θ0)]+2πG0dtan(γ-θ0)]]>其中p為光線追跡法算出的展寬器中的光程；d為光柵常數(shù)；γ為入射角；G0和G分表示沿軸光線和離軸光線時的光柵對之間的垂直距離，表示為G0＝(2R-2S1)cos(γ-θ0)和G＝(S6-S1)cos(γ-θ0)，其他參數(shù)見附圖。
并采用凹球面鏡、凸球面鏡、光柵和平面鏡設(shè)計用于補償再生放大器高材料色散的小型化飛秒脈沖展寬器的方法，其特征在于，當凹球面鏡的曲率半徑為R時，光柵與凹球面鏡的距離S1在0～R(即S1＜R)之間移動加以確定；凸球面鏡與光柵上下重疊放置；若是此時入射光的展寬光譜寬于凹球面鏡的鏡面尺度，則僅需同時等比例縮小凹球面鏡和凸球面鏡的曲率半徑，減少光譜被展寬的程度并保持原有的展寬量。
本發(fā)明的技術(shù)要點對于歐浮納型展寬器來說S1減小，像差就增大，因此該設(shè)計能夠比無像差設(shè)計能夠補償更多的放大器材料色散，而且還導致展寬器的脈沖展寬能力增大.R的減小同樣增加了像差，但降低了展寬器的脈沖展寬能力，但只要保證R減小帶來的脈沖展寬能力的減小與S1減小導致的脈沖展寬能力增大相平衡，就能夠保持原有的展寬量不變，但是整個展寬器的尺寸將大大減小，即構(gòu)成了能夠適用于再生放大器高材料色散補償?shù)男⌒突w秒激光脈沖展寬器。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，使歐浮納型展寬器可容納放大器中的更多材料色散，并且易于準直光路，空間色散小，特別是結(jié)構(gòu)緊湊，其尺寸僅為傳統(tǒng)的歐浮納展寬器的1/3，是馬丁內(nèi)茲型展寬器的1/2。


圖1為現(xiàn)有歐浮納型展寬器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明所設(shè)計的緊湊型展寬器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為凹球面反射鏡，2為凸球面反射鏡，3為光柵，4平面反射鏡；圖3為采用本發(fā)明設(shè)計的展寬器對再生放大器進行色散補償時光柵位置與群延遲的關(guān)系曲線。
圖中當S1＝245mm時，即光柵位置滿足圖2所示，則群延遲曲線在750-850nm范圍內(nèi)非常平坦，即再生放大器中的高材料色散已經(jīng)被很好補償，并能夠支持較窄的脈沖，此時展寬器的尺寸僅為現(xiàn)有裝置的1/3。而S1偏離此位置時，則色散補償效果較差(虛線和點劃線)
具體實施例方式
本發(fā)明實施例以鈦寶石激光放大器中歐浮納型脈沖展寬器方案進行說明。小型化歐浮納型脈沖展寬器由凹球面鏡1、凸球面鏡2、光柵3和平面反射鏡4構(gòu)成，見附圖2。為實現(xiàn)小型化，其中的凸球面鏡2和光柵3重疊放置(凸求2面鏡2位于光柵3上方)；凹球面鏡1在垂直方向上有一個小于5°的傾斜角以便使光束能在凸球面鏡2和光柵3之間傳輸。該小型化歐浮納型脈沖展寬器脈沖展寬過程入射脈沖首先到達光柵，被光譜展開后衍射到凹球面鏡1；凹求球面鏡1將展開的光譜會聚到凸球面鏡2上，然后再被反射回凹球面鏡1；凹球面鏡1再將光束準直后反射到光柵上；光束被光柵沿入射方向衍射到平面反射鏡4上；經(jīng)平面反射鏡4垂直反射，光束沿逆向重復上述過程，脈沖再次被展寬后，沿入射方向輸出。該小型化歐浮納型脈沖展寬器光柵與凹球面鏡的距離S1在0～R之間取值(根據(jù)系統(tǒng)中材料色散的大小)；在保持所需脈沖展寬量的前提下，選取盡可能小曲率半徑的球面鏡，從而實現(xiàn)能夠適用于再生放大器高材料色散補償?shù)男⌒突w秒激光脈沖展寬器。光柵的商品規(guī)格(1100/mm，1200/mm，1400/mm)并考慮脈沖展寬率，一般選取1200/mm的光柵。確定出凹球面鏡1的曲率半徑R為0.5米，凸球面鏡的曲率半徑是0.25米，兩鏡共心放置。光柵面距離凹面鏡面可調(diào)，一般在0.2-0.3米。
權(quán)利要求
1.種補償再生放大器高材料色散的小型化飛秒激光脈沖展寬器設(shè)計方法，該方法根據(jù)展寬器的位相Φ與光柵位置S1、球面鏡曲率半徑R的關(guān)系式Φ=ωcp+2πGd[tan(γ-θ0-θ6)-tan(γ-θ0)]+2πG0dtan(γ-θ0)]]>其中p為光線追跡法算出的展寬器中的光程；d為光柵常數(shù)；γ為入射角；G0表示沿軸光線時光柵對之間的垂直距離G0＝(2R-2S1)cos(γ-θ0)；G表示離軸光線時光柵對之間的垂直距離G＝(S6-S1)cos(γ-θ0)；并采用凹球面鏡、凸球面鏡、光柵和平面反射鏡進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其特征在于當凹球面鏡的曲率半徑為R時，光柵與凹球面鏡的距離S1在0～R間移動加以確定；凸球面鏡與衍柵上下重疊放置；若是此時入射光的展寬光譜寬于凹球面鏡的鏡面尺度，則僅需同時等比例縮小凹球面鏡和凸球面鏡的曲率半徑，減少光譜被展寬的程度并保持原有的展寬量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于再生放大器高材料色散補償?shù)男⌒突w秒激光脈沖展寬器設(shè)計方法，屬于飛秒脈沖放大技術(shù)。該方法根據(jù)展寬器的位相Φ與光柵位置S
文檔編號G02F1/39GK1595272SQ20041001987
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月5日
發(fā)明者張志剛, 王清月, 柴路, 孫大睿 申請人:天津大學