[发明专利]一种相位型布喇格光栅空间滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光脉冲的衍射型低通空间滤波装置；尤其是一种相位型布喇格光栅空间滤波器。

背景技术

空间滤波器是改善光束质量的重要器件之一。针孔型空间滤波器在激光器中的首次应用，可追朔到上世纪六十年代，至今已经沿用了五十多年。现已建成的大型激光系统，例如中国的神光系统以及美国的国家点火装置（NIF），都使用针孔型空间滤波器。但是，随着激光器输出能量密度从10J/cm² 量级向100J/cm²量级增大，针孔型空间滤波器的缺点成为提升激光器输出功率的主要障碍之一。

例如，“光束聚焦”是针孔滤波技术的基本特征。激光束的焦斑在针孔附近产生等离子体堵孔效应；与此同时，因针孔直径小（约100微米～10毫米量级），强激光的功率密度大于50 GW/cm²，其旁瓣易于烧蚀（烧毁）针孔板材料。为了克服针孔型空间滤波器“等离子体堵孔”的缺点，先前技术提出了以下两种可能的解决方案：

方案A：专利CN201110393826.5采取增大焦斑面积的方法，抑止等离子体堵孔现象。该方法基于“双焦距”透镜的傅里叶变换作用，用两个空间上分离的椭圆形（或狭缝）光阑实现空间滤波。理论上，所用的椭圆形光阑的通光面积，相对于传统滤波器中圆形（针孔）光阑通光面积扩大 3 ～ 10倍。

方案B：专利CN200910312157.7 提出一种“衍射型空间滤波器”，利用体积光栅的衍射作用实现空间低通滤波。其特点是：光路中无透镜、无针孔（激光束在装置内部不聚焦），从而避免了等离子体堵孔效应对激光器的不利影响。以下是实施方案B的三个例子：

论文“透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波”分析了衍射滤波理论（《光学学报》2009年第4期863-868页）；论文“Two-dimensional non-spatial filtering based on holographic Bragg gratings”报道了二维滤波实验装置（《中国物理B，英文版》2010年第7期327-332页）；论文“Spatial Filter with Volume Gratings for High-peak-power Multistage Laser Amplifiers”报道了体积光栅滤波器在多段激光放大器中的应用（SPIE , Vol.7789, Aug/16/2010）。

综上所述，方案A在沿用传统滤波原理的基础上改进其结构，用“双光阑”椭圆孔滤波装置，替代“单光阑”针孔滤波装置。方案B放弃了透镜傅里叶变换滤波原理，用衍射光栅替代传统的“透镜－针孔”结构。以上两种新技术的优点和局限性并存。例如，方案A输出光束质量好、波阵面无倾斜，但双焦斑滤波装置的轴向长度较大，不适合安装在体积受限制的场地。方案B的结构紧凑，所需安装空间仅为传统针孔滤波器的1/10（或更小），但输出光束存在波阵面倾斜现象，且准直度下降（输出光束的发散角随激光频谱宽度的增大而变大）。

本发明提出第三种滤波技术（方案C）――采用“棱镜－光栅”组合，补偿体积光栅引起的色散和波前倾斜。使得方案C兼有“衍射型滤波器”和“针孔型滤波器”二者的优点：不仅激光束不形成聚焦点，而且输出光束的“波阵面无倾斜、输出发散角不随频谱宽度增大而变大。

方案B和方案C所述的波阵面倾斜以及发散角变化等现象，与体积光栅的色散有关。常用的色散补偿方法是，用一对棱镜（或光栅）使正、负色散相抵消。例如，在先技术CN201210162349.6提出了一种“飞秒脉冲色散补偿装置”，用两块等腰直角棱镜与两块面光栅的组合，形成补偿光路。该装置适用于啁啾脉冲的展宽和压缩，没有针对激光束空间滤波的需求实施补偿。

发明内容

本发明的目的，是提供一种具有色散补偿功能的衍射型空间滤波装置。

采用的技术方案是：用1片光栅和1个补偿器组成一个光栅补偿器组件，用两个所述组件组成滤波装置：其中，I号组件位于装置的左下角，II号组件位于装置的右上角，两个组件之间的间隔可微调；在I号组件内部，沿水平方向从左往右放置补偿器L1和光栅G1；在II号组件内部，沿水平方向从左往右放置光栅G2和补偿器L2、或者光栅G2放置在补偿器L2右侧；激光脉冲从I号组件左侧入射，从II号组件的右侧出射，光束入射方向分别满足两个光栅的布喇格衍射条件，实现低通空间滤波。