一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置和補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中的脈沖前沿畸變，尤其是涉及一種脈沖前沿 畸變的補償裝置和補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 啁嗽脈沖放大技術(shù)的發(fā)明推動了超強超短脈沖激光系統(tǒng)的迅猛發(fā)展。目前，鈦寶 石飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的峰值功率已經(jīng)達(dá)到拍瓦（1拍瓦=10 15w)量級。為了避免對激光 脈沖放大系統(tǒng)中的光學(xué)元件造成損傷，激光脈沖的光束口徑也相應(yīng)地通過脈沖擴束器增大 到百毫米甚至數(shù)百毫米量級。隨著激光脈沖峰值功率及光束口徑的增長，由激光脈沖放大 系統(tǒng)中的透鏡擴束器所引起的脈沖前沿畸變也逐漸引起了人們的關(guān)注。脈沖前沿，即脈沖 的能量前沿，可以理解為波包的峰值所對應(yīng)的平面或曲面。當(dāng)激光脈沖經(jīng)過透鏡擴束器后， 色散作用將導(dǎo)致脈沖前沿相對脈沖波前產(chǎn)生依賴于光束空間位置的延遲，從而形成脈沖前 沿畸變。目前，大部分鈦寶石飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中使用的都是傳統(tǒng)的透射式擴束器，傳 統(tǒng)的透射式擴束器主要包括兩種：即開普勒型的擴束器和伽利略型的擴束器。圖1和圖2分 別顯示了激光脈沖通過開普勒型和伽利略型擴束器后的脈沖前沿畸變。盡管這兩種擴束器 的結(jié)構(gòu)不一樣，而且引入的脈沖前沿的畸變量也不同，但是脈沖前沿發(fā)生畸變的趨勢卻是 相似的，都是靠近光束中心位置處的脈沖前沿滯后于靠近光束邊緣位置處的脈沖前沿。而 且隨著光束口徑的增大，脈沖前沿的畸變量通常可與激光脈沖的時間寬度相比擬，甚至遠(yuǎn) 大于激光脈沖的時間寬度。
[0003] 脈沖前沿的畸變，會使得激光脈沖在聚焦時不同空間位置處的光線到達(dá)焦點區(qū)域 的時間不同，從而引起焦點區(qū)域的脈沖時間寬度的展寬，造成真實聚焦脈沖峰值強度的下 降。因此，為了改善真實的聚焦脈沖峰值強度，有必要采取相應(yīng)的技術(shù)手段來補償飛秒激光 脈沖放大系統(tǒng)中由透射式擴束裝置引起的脈沖前沿畸變。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中由透鏡擴束器引入 的的脈沖前沿畸變，提供一種脈沖前沿畸變補償裝置和補償方法，能夠有效地補償透鏡擴 束器引入的脈沖前沿畸變，從而提升激光脈沖聚焦后的真實峰值強度。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng) 中脈沖前沿畸變的補償裝置，它包括一個凹透鏡和一個離軸拋面鏡，所述的離軸拋面鏡的 焦距比所述的凹透鏡的焦距大，且兩者共焦放置。
[0006] 所述的一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置，安裝在飛秒 激光脈沖放大系統(tǒng)中兩個放大級之間，在完成脈沖前沿畸變補償?shù)耐瑫r實現(xiàn)了脈沖的擴 束。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的又一技術(shù)方案為:一種用于飛秒激光脈沖放大 系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償方法，包括以下步驟，步驟一:計算飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中所 有透鏡擴束器所引入的脈沖前沿畸變量;步驟二:根據(jù)步驟一計算所得的脈沖前沿畸變量， 確定所述的凹透鏡的焦距;步驟三:根據(jù)所述的凹透鏡的焦距和飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)所 要求的擴束比，確定離軸拋面鏡的焦距;步驟四：將所述的凹透鏡和離軸拋面鏡安裝在飛秒 激光脈沖放大系統(tǒng)中，且兩者共焦放置。
[0008]所述步驟一中由飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中所有透鏡擴束器所引入的脈沖前沿畸 變量是根據(jù)下列公式通過計算獲得的：
[0010] 其中，rm,max為第m個擴束系統(tǒng)的出射脈沖的半徑;C為真空中的光速;fm,2為第m個擴 束系統(tǒng)中第二個透鏡的焦距;η和dn/dA為透鏡材料的折射率和色散;λ為待測脈沖的中心波 長;Mm為第m個擴束系統(tǒng)的擴束比。
[0011] 所述的步驟二中的凹透鏡的焦距是根據(jù)下列公式通過計算獲得的：
[00?3 ]其中，r為凹透鏡處的脈沖的入射半徑;c為真空中的光速;η和dn/dA為透鏡材料的 折射率和色散;λ為待測脈沖的中心波長;T為所述步驟二計算所得的飛秒激光脈沖放大系 統(tǒng)中所有透鏡擴束器所引入的脈沖前沿畸變量。
[0014] 所述步驟三中離軸拋面鏡的焦距f拋是根據(jù)凹透鏡的焦距f凹和飛秒激光脈沖放大 系統(tǒng)所要求的擴束比Μ來確定，f?=MXf凹。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，該補償裝置在實現(xiàn)脈沖前沿畸變補償?shù)耐瑫r，還能實現(xiàn)激光 脈沖的擴束。該補償裝置可以作為一種新型的脈沖擴束器安裝在飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的 兩個放大級之間，從而無需在飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中使用額外的元器件來進(jìn)行脈沖前沿 畸變的補償。該發(fā)明設(shè)計方法簡單，科學(xué)高效，可實行性很強。
【附圖說明】
[0016] 圖1是開普勒型的擴束器引入的脈沖前沿畸變；
[0017]圖2是伽利略型的擴束器引入的脈沖前沿畸變；
[0018] 圖3是本發(fā)明脈沖前沿畸變補償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明實施例中根據(jù)計算所得的由所有透鏡擴束器所引入的脈沖前沿畸 變；
[0021] 圖6是本發(fā)明實施例中根據(jù)計算所得的使用脈沖前沿畸變補償裝置后的脈沖前沿 畸變情況。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0023]圖3是本發(fā)明一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置，它包 括一個凹透鏡8和一個離軸拋面鏡9,所述的離軸拋面鏡9的焦距比所述的凹透鏡8的焦距 大，且兩者共焦放置。
[0024] 實施例：
[0025] 圖4是本發(fā)明飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。由圖4可見，所述飛秒 激光脈沖放大系統(tǒng)包括振蕩器1，展寬器2，再生放大器3，透鏡擴束器4，前置放大器5，透鏡 擴束器6，功率放大器7，脈沖前沿畸變補償裝置，終端放大器10，透鏡擴束器11以及壓縮器 12。
[0026] 在本實施例中，所述的透鏡擴束器4,透鏡擴束器6及透鏡擴束器11都是伽利略型 的擴束器。所述的透鏡擴束器4由一個焦距為-200.12mm凹透鏡和一個焦距為400.38mm的凸 透鏡組成，可將激光脈沖的光束口徑從2mm擴束到4_。所述的透鏡擴束器6由一個焦距為-83.84mm的凹透鏡及一個焦距為429.1mm的凸透鏡組成，可將激光脈沖的光束口徑從4mm擴 束到20mm。所述的透鏡擴束器11由一個焦距為-406.62mm的凹透鏡及一個焦距為1156.9mm 的凸透鏡組成，可將激光脈沖的光束口徑從32mm擴束到91mm。通過計算可得由所述的透鏡 擴束器4,透鏡擴束器6以及透鏡擴束器11所引入的脈沖前沿畸變量情況，如圖5所示，最大 畸變量為69.68fs。
[0027] 所述的脈沖前沿畸變補償裝置由一個凹透鏡8和一個離軸拋面鏡9組成。根據(jù)圖4 所述的飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的要求，所述的脈沖前沿補償裝置需要將激光脈沖的光束口 徑從20mm擴束至32mm，要實現(xiàn)的擴束比為1.6。根據(jù)計算所示的最大脈沖前沿畸變量 69.68fs，可以計算得到所述的脈沖前沿畸變補償裝置中凹透鏡8的焦距為-74.3mm。再結(jié)合 所述的脈沖前沿畸變補償裝置所需實現(xiàn)的擴束比（擴束比為1.6)，可以計算得到所述的脈 沖前沿畸變補償裝置中離軸拋面鏡9的焦距為118.9mm。圖6給出了在飛秒激光脈沖放大系 統(tǒng)使用脈沖前沿畸變補償裝置以后的脈沖前沿畸變情況。
[0028] 本發(fā)明不僅適用于使用伽利略型擴束器的飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)，也適用于使用 開普勒型擴束器的飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)。本發(fā)明在補償脈沖前沿畸變的同時，還能作為 一種新型的脈沖擴束器，實現(xiàn)放大脈沖光束口徑的擴束。本發(fā)明設(shè)計方法簡單，科學(xué)高效， 實用性很強。
【主權(quán)項】
1. 一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置，其特征在于該裝置包 括一個凹透鏡(8)和一個離軸拋面鏡(9)，離軸拋面鏡(9)的焦距大于凹透鏡(8)的焦距，兩 者共焦放置。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置， 其特征在于該裝置安裝在飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的兩個放大級之間，不僅能夠補償脈沖前 沿畸變，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖的擴束。3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置， 其特征在于所述的凹透鏡(8)的焦距是根據(jù)飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中所有透鏡擴束裝置所 引入的脈沖前沿畸變量來確定的。4. 如權(quán)利要求1所述的一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置， 其特征在于所述的離軸拋面鏡(9)的焦距，是根據(jù)權(quán)利要求3中所述的凹透鏡(8)的焦距和 飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)所要求的擴束比來確定的。5. -種利用權(quán)利要求1所述的補償裝置進(jìn)行脈沖前沿畸變的補償方法，包括下述步驟， 步驟一:計算飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中所有透鏡擴束器所引入的脈沖前沿畸變量； 步驟二:根據(jù)步驟一計算所得的脈沖前沿畸變量，確定所述的凹透鏡(8)的焦距； 步驟三:根據(jù)所述的凹透鏡(8)的焦距和飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)所要求的擴束比，確定 離軸拋面鏡(9)的焦距； 步驟四：將所述的凹透鏡(8)和離軸拋面鏡(9)安裝在飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中，且凹 透鏡(8)和離軸拋面鏡(9)共焦放置。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中脈沖前沿畸變的補償裝置和補償方法，該裝置安裝在飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)的兩個放大級之間,包括一個凹透鏡和一個離軸拋面鏡，離軸拋面鏡的焦距大于凹透鏡的焦距，兩者共焦放置。通過計算飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中所有透鏡擴束器所引入的脈沖前沿畸變量，確定凹透鏡的焦距。根據(jù)飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)所要求的擴束比以及凹透鏡的焦距，可以確定離軸拋面鏡的焦距。在飛秒激光脈沖放大系統(tǒng)中使用該裝置，不僅可以實現(xiàn)激光脈沖的擴束，還可以有效地補償由透鏡擴束器所引起的脈沖前沿畸變，從而提升聚焦后飛秒激光脈沖的真實聚焦峰值強度。
【IPC分類】H01S3/10, G02F1/39
【公開號】CN105449507
【申請?zhí)枴緾N201610005558
【發(fā)明人】許毅, 吳分翔, 冷雨欣
【申請人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2016年1月6日