[发明专利]多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法

说明书

技术领域

本发明属于高能激光技术领域，涉及一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法。

背景技术

实现高功率、高峰值强度的激光脉冲一直是激光技术领域的重要研究方向。在许多新兴的应用，如激光尾波场加速，X射线，γ射线，电子和光子束产生及其他相关的强场物质相互作用中，对于激光脉冲，同时需要满足数千瓦量级的平均功率和极高的单脉冲能量，例如，激光尾波场加速大都需要10¹⁸ W/cm²或更高的峰值功率密度。

尽管现在已经能在单根光纤中，实现10 kW平均功率的连续激光输出，但对于脉冲激光，由于光纤中各种非线性效应，如受激拉曼散射、受激布里渊散射、自相位调制、四波混频等的存在，脉冲宽度小于皮秒的超短脉冲的能量极限是1 mJ左右；对于脉冲宽度为几个纳秒的长脉冲，受限于石英等光学材料的损伤阈值，其峰值能量密度很难超过50 J/cm²。

一系列的应用需求单脉冲能量大且峰值功率密度高的超短超强激光。单根光纤即使是大模场的双包层光纤或光子晶体光纤能承受的脉冲能量或脉冲峰值功率受限于材料的损伤阈值，而且，超短脉冲的放大需尽可能地避免光纤中非线性效应的影响。可采用将一个超短激光脉冲分为若干个（例如几千或几万个）子脉冲，尽可能地提高脉冲的重复频率，降低单个脉冲的能量，实现超短脉冲激光向准连续激光的转换，这样就可以降低放大过程中与脉冲能量相关的非线性效应的不利影响，最后通过脉冲合束及压缩装置，获得高能量超短激光脉冲。在技术实施上，主要面临二个问题：一是如何实现高倍率的脉冲分束，把一个主脉冲分解为时域上分离的几千或几万个子脉冲；二是如何控制分离的激光子脉冲在放大后能合成为一个主脉冲，要求在脉冲合成中不会携带有附加相位噪声或子脉冲延时的抖动，同时要求脉冲在放大过程中的非线性相移尽可能小。

传统的超短脉冲展宽装置，如根据不同频率成分的光在材料中传播速度不同，而引入色散管理的啁啾脉冲展宽装置，采用光栅或者棱镜的空间结构，可以将飞秒、皮秒量级的超短脉冲展宽至纳秒量级，啁啾展宽脉冲放大后实施脉冲压缩。这一啁啾脉冲放大与压缩技术已经发展得非常成功，成为超快科学技术领域的主流技术。但上述结构对入射脉冲光谱宽度要求高，不宜精确控制展宽量，结构复杂，难以集成，光路对准难度大；采用长距离单模光纤结合光纤光栅的全光纤结构超短脉冲展宽器，存在带宽窄，累计的高阶色散无法压缩的缺点。啁啾脉冲放大技术应用于全光纤结构的激光脉冲放大系统面临较大的困难，难以实现大于1mJ的超短激光脉冲放大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的问题和缺点而提供的一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法，该方法先将单个脉冲按偏振态进行分束，对不同偏振态的激光脉冲，引入不同的光程或折射率，使单个超短脉冲分解成两个偏振态不同、时间上分开的子脉冲。然后将分解后的每个子脉冲再次分解，再次获得两个偏振态不同、时间上分开的脉冲。每经过一次分解，1个超短脉冲就会被分解为2个，经过N次分解后，最初的1个超短脉冲会被分解为2^N个子脉冲，通过优化每次分解过程中，对不同偏振态的激光引入的光程或折射率的差异，可精确控制每个子脉冲间的延时，实现高倍率任意间隔的脉冲时域展宽。

本发明的目的是这样实现的： 

一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法，特点在于该方法采用三级展宽来实现将fs/ps 的脉冲展宽至数纳秒量级，所述三级展宽为：第一级展宽fs/ps—10ps、第二级展宽10ps—100ps和第三级展宽100ps—ns，每级展宽均由数个展宽单元构成，其展宽单元结构为下列结构的一种：

⑴、由一块双折射晶体及一个偏振控制器构成，脉冲经过偏振控制器后，从双折射晶体的一面入射，从晶体的另一面出射。

⑵、由两块同样大小的双折射晶体及一个偏振控制器构成，脉冲经过偏振控制器后，从一块双折射晶体入射，从另一块双折射晶体出射；

⑶、由一个环形镜、一个偏振控制器、一个偏振分束器、一个延时器和两个反射镜构成，脉冲从环形镜的输入端入射，从环形镜的输出端出射；

⑷、由一个偏振控制器、一个偏振分束器、一个延时器和两个法拉第旋转反射镜构成，脉冲从偏振分束器的一个端口入射，从偏振分束器的另一个端口出射；

⑸、由一个偏振控制器、两个偏振分束器、一个延时器及两个反射镜构成，脉冲从一个偏振分束器入射，从另一个偏振分束器出射。