專利名稱：用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種飛秒(10-15秒)太瓦(1012瓦)級超短超強激光裝置上所用的多光脈沖發(fā)生器。主要適用超短(10-15秒)超強(1012瓦)激光與物質(zhì)相互作用的研究以及需要多個可控超短超強光脈沖的場合。
在先技術(shù)目前的飛秒太瓦級超短超強激光裝置一般是低重復(fù)頻率(＜50赫茲)運轉(zhuǎn)的。少數(shù)幾個最高重復(fù)頻率的飛秒0.1太瓦級超短超強激光裝置也只達(dá)到1000赫茲的水平。輸出激光脈沖的時間間隔大于等于1毫秒。這是因為激光工作介質(zhì)需要足夠的時間來冷卻，高重復(fù)頻率和高峰值功率是一對矛盾。但實際應(yīng)用中常需要激光脈沖的時間間隔在飛秒，皮秒和納秒量級。因此，為從低重復(fù)頻率的飛秒太瓦級超短超強激光裝置獲得多個強度比和相互延遲時間容易控制的超短超強脈沖，一般采用脈沖分割技術(shù)，即將激光裝置輸出的一個脈沖分割成幾個脈沖。目前已有的最常規(guī)的脈沖分割結(jié)構(gòu)是采用含有分束器203和合束器207(部分透過，部分反射)的光學(xué)組件2在激光裝置1的輸出端對飛秒強激光脈沖進行分割，示意圖如圖1所示。
因為飛秒強激光脈沖的頻帶很寬-脈寬很窄，即包含許多頻率成分，不同頻率成分在介質(zhì)中的傳播速度是不同的，透過分束器203和合束器207的那一部分光脈沖會因介質(zhì)色散(如群速度色散)而發(fā)生展寬或其他畸變；在激光功率很高時，還會有其他幾種非線性因素導(dǎo)致脈沖的進一步畸變。因而在飛秒強激光光學(xué)裝置中，應(yīng)盡量避免采用透射光學(xué)元件。這一點正是圖1所示結(jié)構(gòu)的一個主要缺點。針對這一點，有人提出了一種不采用透射光學(xué)元件的改進方案，如圖2所示。(詳見S.Bastiani，A.Rousse，J.P.Geindre，P.Audebert，C.Quoix，G.Hamoniaux，A.Antonetti，and J.C.Gauthier.Experimental study of the interaction of subpicosecond laser pulseswith solid targets of varying initial scale lengths，Physical Review E 56，7179-7185(1997))。這種結(jié)構(gòu)雖然因未采用透射光學(xué)元件而避免了群速度色散和其它非線性效應(yīng)，但它在光學(xué)組件2中采用中心有小孔使光束穿過、小孔周圍是反射光束的特殊分束器203及合束器207對一個激光束的截面進行分割。如圖2所示。它破壞了一個高斯光束的完整截面，影響了其光學(xué)聚焦特性。且分割后的兩個光脈沖一個是旁軸光束，另一個則是離軸較大的光束，用同一光學(xué)系統(tǒng)(透鏡)聚焦，聚焦特性也是不同的，這使實際應(yīng)用中，估算和評價聚焦焦斑特性更加復(fù)雜。
此外，以上兩種結(jié)構(gòu)均是在激光裝置的輸出端對飛秒強激光脈沖進行分割，這時候，激光脈沖功率高(太瓦量級)，要求激光光束口徑大(幾個厘米以上)，所需的光學(xué)元件都是大口徑的抗激光損傷閾值高的光學(xué)元件，因此成本很高。且飛秒激光脈沖容易在傳輸中發(fā)生畸變，要求反射和透射的次數(shù)越少越好，不希望在飛秒激光光路中插入較多的光學(xué)元件。
本發(fā)明的目的是針對上述在先技術(shù)中存在的問題，提供一種用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，它將不直接對飛秒激光脈沖采用透射光學(xué)元件，避免群速度色散和其它非線性效應(yīng)；也不直接對激光束的截面進行分割，避免破壞一個高斯光束的完整截面；使分割后的脈沖具有類似的光束截面和光束質(zhì)量，保證它們的光學(xué)聚焦特性類似；將采用成本低的小口徑的抗激光損傷閾值要求較低的光學(xué)元件，就實現(xiàn)對激光脈沖進行分割產(chǎn)生多個強度比和相互延遲時間容易控制的飛秒太瓦級光脈沖。
本發(fā)明的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，包括帶有入射窗口301和出射窗口302的外殼3，在外殼3內(nèi)置有光學(xué)組件2。在外殼3內(nèi)，入射窗口301與光學(xué)組件2之間，靠近入射窗口301的一端置有光脈沖展寬器4。在光脈沖展寬器4與光學(xué)組件2之間置有光脈沖放大器5。在光學(xué)組件2與外殼3上的出射窗口302之間置有光脈沖壓縮器6。也就是說置于外殼3外的激光裝置1發(fā)射的飛秒光單脈沖P0從外殼3入射窗口301入射到外殼3內(nèi)，首先經(jīng)過置于外殼3內(nèi)的光脈沖展寬器4。由光脈沖展寬器4輸出的啁啾光脈沖PZ經(jīng)過光脈沖放大器5后，進入光學(xué)組件2內(nèi)。由光學(xué)組件2輸出的多個啁啾光脈沖PZ1，PZ2經(jīng)過光脈沖壓縮器6將其光脈沖的脈沖寬度壓縮后，由外殼3的出射窗口302輸出多個飛秒光脈沖P1，P2。
所說的光學(xué)組件2包括分束器203和合束器207，在分束器203與合束器207之間含有兩束光程不相等的短光路G1和長光路G2，短光路G1上含有的反射鏡202的數(shù)目M1等于或少于長光路G2上含有的反射鏡204，205，206的數(shù)目M2，即M1≤M2或者光學(xué)組件2是由雙折射晶體構(gòu)成。
所說的光脈沖展寬器4主要包含光柵，或主要包含色散棱鏡，或主要包含單模光纖。當(dāng)包含光柵時，利用光柵的色散使入射飛秒光脈沖在時域上被展寬，變成幾百皮秒甚至納秒量級的較長寬度的光脈沖。
所說的光脈沖放大器5是固體激光放大器，其作用是使入射激光束的能量得到放大，即激光能量由納焦?fàn)柤壉环糯蟮綆装俸两範(fàn)柤墶?br> 所說的光脈沖壓縮器6主要包含光柵，或者主要包含色散棱鏡，或者主要包含單模光纖。當(dāng)主要包含光柵時，其光柵放置方位與光脈沖展寬器4中的光柵相反，從而引起符號相反的色散，把被光脈沖展寬器4展寬的激光脈沖再壓縮回去，即把幾百皮秒甚至納秒量級的較長的脈沖寬度壓縮為飛秒脈沖。
所說的光學(xué)組件2中所包含的分束器(203)和合束器(207)是透過反射鏡，或者是偏振分光棱鏡。
如圖3所示的結(jié)構(gòu)。在光脈沖放大器5與光脈沖壓縮器6之間插入光學(xué)組件2。當(dāng)置于外殼3外入射窗口301前的飛秒激光裝置1產(chǎn)生的納焦?fàn)柤夛w秒光脈沖P0從入射窗口301射進外殼3內(nèi)，首先經(jīng)過光脈沖展寬器4將其光脈沖的脈寬變成幾百皮秒的納焦?fàn)柤壍?、且光強隨波長不斷變化的稱為啁啾的光脈沖，此啁啾光脈沖經(jīng)光脈沖放大器5，將其能量放大，即由光脈沖放大器5輸出的每一個脈寬為幾百皮秒的焦?fàn)柣騺喗範(fàn)柤夁惫饷}沖被反射鏡201(此反射鏡201僅是為了改變光路方向，縮小發(fā)生器的體積而設(shè)置的，不是必須的)引導(dǎo)到光學(xué)組件2中的分束器203(部分反射，部分透射)上，分成兩束光路G1和G2。其中由分束器203反射的光所經(jīng)過的路徑稱為短光路G1，由分束器203透射光束所經(jīng)過的路徑為長光路G2。圖3所示，短光路G1中反射鏡202的數(shù)目M1＝1，而長光路G2中有反射鏡204，205和206，即反射鏡的數(shù)目M2＝3。所以兩光路G1和G2之間有較大的光程差。當(dāng)長光路G2的光束透過合束器207(部分反射，部分透射)，與短光路G1中的光束到達(dá)合束器207后再反射的另一束光在空間上重合。然后再一起通過對光脈沖寬度進行壓縮的光脈沖壓縮器6，被壓縮成兩個飛秒太瓦級光脈沖。這兩個光脈沖之間的時間間隔由被分束器203分束后到被合束器207合并前兩束光的光程差決定。而這個光程差可以簡單地通過平移反射鏡205和206來改變，從而方便地調(diào)節(jié)最終獲得的兩個飛秒太瓦級光脈沖的時間間隔。假如在被分束器203分束后的兩束光在合并前再次通過一組光學(xué)組件2，就可以對光脈沖進行進一步的劃分，從而獲得三個以上的飛秒太瓦級光脈沖。其基本過程與上述的產(chǎn)生兩個脈沖的過程是一樣的。此外，若想獲得精確的固定的光脈沖間隔，可采用雙折射晶體來取代上述的反射鏡202、204、205、分束器203與合束器207構(gòu)成的光學(xué)組件2，這時候光脈沖延遲是由雙折射晶體中尋常光和非常光的不同傳播速度而引起，光脈沖間隔由特定的雙折射晶體的光學(xué)常數(shù)和晶體厚度決定。雖然在在先技術(shù)中也可將雙折射晶體放在飛秒太瓦級超短超強激光裝置的輸出端來獲得雙光脈沖，但由于光束口徑大，需要大口徑的雙折射晶體，既非常昂貴又難以加工，有時侯甚至根本沒有所需尺寸的晶體。同時由于激光功率高，晶體也容易損壞。采用本發(fā)明的多光脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，由于是對被光脈沖壓縮器6壓縮前的小口徑低功率長脈沖進行分割，只需要小口徑的雙折射晶體，這是一個重大的技術(shù)進步。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明與在先技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于本發(fā)明是對被光脈沖壓縮器6壓縮之后的脈寬為幾百皮秒的脈沖能量為焦?fàn)柣騺喗範(fàn)柕倪惫饷}沖用常規(guī)分束器203及合束器207進行分割，而在先技術(shù)則是在激光裝置1的輸出端直接對飛秒強激光脈沖進行分割。基于這一點，本發(fā)明與在先技術(shù)相比，有顯著的進步和優(yōu)點。具體如下本發(fā)明的多光脈沖發(fā)生器既不對飛秒激光束直接采用透射光學(xué)元件，也不像在先技術(shù)中用中心小孔的特殊分束器和合束器對激光束的截面進行分割，因此避免了群速度色散和其它非線性效應(yīng)，也避免了破壞一個高斯光束的完整截面；雖然本發(fā)明中的分束器203與合束器207也是透射光學(xué)元件，但因為一是分束之前已是脈寬展寬后的啁啾光脈沖，二是在合束之后再進行壓縮脈寬，在這過程中，可以補償上述由透射光學(xué)元件所帶來的缺陷；本發(fā)明的多光脈沖發(fā)生器是對光脈沖寬度展寬后成為光脈沖能量隨頻譜隨時變化的啁啾光脈沖，再經(jīng)過能量放大后進入光學(xué)組件2中進行分割，因此使分割后的光脈沖具有類似的光束截面和光束質(zhì)量，保證了每個單光脈沖的光學(xué)聚焦特性是類似的；由于上述原因，本發(fā)明可以采用成本較低的小口徑的抗激光損傷閾值要求較低的光學(xué)組件2對幾百皮秒的啁啾光脈沖進行分割。因為對光學(xué)組件2中的各光學(xué)元件來說，幾百皮秒的啁啾光脈沖的輻照功率已下降了3到4個數(shù)量級，所以口徑也可下降好幾倍。這就可以采用成本低的較小口徑的抗激光損傷閾值要求不太高的分束器203和合束器207進行分割；使用本發(fā)明的多光脈沖發(fā)生器，勿須再在飛秒光脈沖光路中插入額外的光學(xué)元件，而且也降低了光脈沖壓縮器6上的輻照功率，從而降低光脈沖壓縮器6的成本，所以本發(fā)明的多光脈沖發(fā)生器不僅結(jié)構(gòu)緊湊合理，而且成本低廉。


圖1為在先技術(shù)1，采用分束器203與合束207(部分透過，部分反射)的光學(xué)組件2直接置于激光裝置1的輸出端對飛秒強激光脈沖進行分割產(chǎn)生兩個超短超強激光脈沖的雙脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為在先技術(shù)2，采用特殊分束器203與合束器207(中心為小孔透過，周圍為反射)的光學(xué)組件2直接置于激光裝置1的輸出端對飛秒強激光脈沖進行分割產(chǎn)生兩個超短超強激光脈沖的雙脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3是本發(fā)明的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明在實施例中使用的多光脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為實施例使用本發(fā)明多光脈沖發(fā)生器的結(jié)果曲線圖。
實施例如圖4所示結(jié)構(gòu)的多光脈沖發(fā)生器，其中光學(xué)組件2包括分束器203和合束器207，短光路G1上含有反射鏡的數(shù)目M1＝2，所以短光路G1上有反射鏡202和208，長光路G2上的反射鏡的數(shù)目M2＝4，因此長光路G2上有反射鏡204、205、206和209。光脈沖展寬器4主要包含光柵。光脈沖壓縮器6也主要包含光柵，兩光柵放置的方位相反。光脈沖放大器5是鈦寶石固體激光放大器。
由置于外殼3外的激光裝置1上產(chǎn)生50飛秒納焦?fàn)柫考壖す饷}沖，經(jīng)過光脈沖展寬器4后再由光脈沖放大器5輸出口徑為8mm的100-500mJ/220ps的光脈沖經(jīng)過分束器203(是45度入射，33.3％反射，66.6％透過)分成兩束光，短光路(G1)和長光路(G2)。短光路G1上的光束經(jīng)過反射鏡202和208后，以45度入射到合束器207(45度入射，33.3％反射，66.6％透過)上。長光路G2上的光束經(jīng)反射鏡204、205、206和209后，以45度入射到合束器207上，但方向與短光路G1的光束方向垂直。通過仔細(xì)調(diào)節(jié)，短光路G1上的光被合束器207反射的部分光與長光路G2上的光透過合束器207的部分光束在空間上重合成一束光，這一束光實際上包含兩個強度比為4∶1的光脈沖，脈沖間隔由短光路G1上的光和長光路G2上的光在合束器207處會合時的光程差決定。實際上反射鏡205和206放在一維微動平臺7上，通過移動反射鏡205(206)和反射鏡204(209)的間距，達(dá)到改變長光路G2上的光程的目的。當(dāng)微動調(diào)節(jié)的位移精度是5微米，所產(chǎn)生的雙脈沖的間隔的調(diào)整精度為33飛秒。合并的光束通過由透鏡8和9組成的擴束組件10將光束變成口徑為50mm的光束，輸入到光脈沖壓縮器6實現(xiàn)脈沖寬度壓縮，最終在外殼3的出射窗口302輸出兩個強度比為4∶1，脈沖間隔可以大范圍(33飛秒—幾個納秒)高精度(33飛秒的精度)調(diào)節(jié)的飛秒太瓦級光脈沖。這里所用反射鏡202，204，205，206，208，209以及分束器203與合束器207的口徑均為20mm，所以大大降低了成本。
上述結(jié)構(gòu)的結(jié)果成功地產(chǎn)生強度比為4∶1的兩個50飛秒太瓦級激光脈沖。其光脈沖波形如圖5所示，脈沖間隔為18納秒。用能量計測得第一個光脈沖能量為120毫焦，第二個光脈沖能量為30毫焦，即第一個光脈沖功率為2.4太瓦，第二個光脈沖功率為0.6太瓦。證明了本發(fā)明的上述優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，包括<1>帶有入射窗口(301)和出射窗口(302)的外殼(3)，在外殼(3)內(nèi)置有光學(xué)組件(2)；其特征在于<2>在外殼(3)內(nèi)，入射窗口(301)與光學(xué)組件(2)之間，靠近入射窗口(301)的端置有光脈沖展寬器(4)；<3>在光脈沖展寬器(4)與光學(xué)組件(2)之間置有光脈沖放大器(5)；<4>在光學(xué)組件(2)與外殼(3)上的出射窗口(302)之間置有光脈沖壓縮器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，其特征在于所說的光學(xué)組件(2)是包括分束器(203)和合束器(207)，在分束器(203)和合束器(207)之間含有兩束光程不相等的短光路(G1)和長光路(G2)，短光路(G1)上含有的反射鏡(202)數(shù)目M1等于或少于長光路(G2)上含有的反射鏡(204，205，206)數(shù)目M2，即M1≤M2，或者光學(xué)組件(2)是由雙折射晶體構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，其特征在于所說的光脈沖展寬器(4)主要包含光柵，或者主要包含色散棱鏡，或者主要包含單模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，其特征在于所說的光脈沖壓縮器(6)主要包含光柵，或者主要包含色散棱鏡，或者主要包含單模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，其特征在于所說的光脈沖放大器(5)是固體激光放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器，其特征在于所說的光學(xué)組件(2)中的分束器(203)和合束器(207)是透過反射鏡，或者是偏振分光棱鏡。
全文摘要
一種用于飛秒太瓦級激光裝置的多光脈沖發(fā)生器,包括帶有入射窗口和出射窗口的外殼,置于外殼外的激光裝置發(fā)射的飛秒光單脈沖首先進入置于外殼內(nèi)的光脈沖展寬器,然后經(jīng)過光脈沖放大器再進入光學(xué)組件內(nèi),由光學(xué)組件輸出的多個啁啾光脈沖經(jīng)過光脈沖壓縮器將光脈沖寬度壓縮后,由外殼出射窗口輸出多個飛秒太瓦級光脈沖。輸出的每個光單脈沖的光束截面和光束質(zhì)量相類似,避免了在先技術(shù)中出現(xiàn)的群速度色散及其它非線性效應(yīng)。
文檔編號H01S3/10GK1266298SQ0011530
公開日2000年9月13日 申請日期2000年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月30日
發(fā)明者李儒新, 楊曉東, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所