[发明专利]消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统

说明书

一种消除高阶色散的啁啾脉冲展宽压缩放大系统，包括飞秒脉冲振荡源、主光栅展宽器、主放大器、及主光栅压缩器，其特点是该系统还包括辅展宽器、辅压缩器、前置放大器、第一反射镜和第二反射镜。本发明中，脉冲展宽压缩与系统材料色散补偿相分离，使得最终输出的光脉冲的残留高阶色散减少几个数量级，甚至有可能完全清除。输出激光脉冲的相位谱平坦，能够获得近变换极限的脉冲宽度，支撑15fs以下宽度的超强超短脉冲放大，并提升输出激光主脉冲前皮秒位置处的对比度。

技术领域

本发明涉及激光科学领域，特别涉及一种消除高阶色散的啁啾脉冲时域展宽压缩放大系统。

背景技术

超强超短激光科学以超强超短激光的发展，超强超短激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域。其中可以输出高功率脉冲的小型化超短超强激光系统是超强超短激光科学领域研究的基本设备。这里的“超强超短”是指激光脉冲的时间宽度极窄（一般小于200飞秒，飞秒即10^-15s，简称fs），峰值功率极高（大于1太瓦，即10¹²W，简称TW）。超短脉冲的时间宽度受到光谱的制约，光谱越宽，脉冲压缩理论上可能达到的脉冲宽度就越窄，但实际中会受不平坦的激光相位谱的影响，无法实现理想压缩。

超短超强激光系统采用啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification，简写为CPA）为基本技术路线。典型方案如采用CPA技术的钛宝石激光系统：飞秒激光振荡源直接产生的强度较弱的超短脉冲，首先被送入光栅展宽器中，由光栅引入强烈的啁啾，脉冲时间宽度因而被展宽百万倍，成为纳秒（纳秒即10^-9s，简称ns）量级的长脉冲。这样的长脉冲在钛宝石增益介质中，获得能量放大；最后利用光栅压缩器，消除激光脉冲中的啁啾，使纳秒长脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出。该激光脉冲具有宽光谱的特性，其光谱的付里叶变换极限决定了压缩可能达到的最窄脉冲宽度。

超强超短激光系统输出激光脉冲具有很高能量，容易造成系统自身的光学器件破坏。所以通常要求压缩器采用反射元件，结构越简单越好、损耗越小越好。最简单的结构莫过于由两对平行光栅镜构成的光栅压缩器，可产生负色散。除了与光自身的波长有关外，负色散量还取决于光栅的刻线密度、激光入射角以及平行光栅间距。CPA系统中，激光脉冲具有几十纳米的宽光谱带宽，色散谱可分解为中心波长处的一阶、二阶、三阶以及更高阶色散。其中，一阶色散代表激光脉冲的整体速度，与研究的问题无关；三、四阶色散量与二阶色散量的比值只与激光入射角有关；而当激光入射角确定时，二阶色散量只与光栅间距有关。

CPA系统的光栅展宽器，其本质是利用1:1的望远光学成象系统形成一个像光栅，而物光栅和像光栅之间彼此平行且“负”距离。光栅压缩器的色散公式完全可以用在理想展宽器上，所需的改动只是把光栅间距变成负值。也就是说在理论上，理想展宽器的色散与压缩器正相反，可以实现彼此的色散保真补偿。

在实际CPA系统中，激光在系统内要穿过各种各样的光学元件，如激光放大介质、非线性晶体，透镜等。这些具有材料正色散的光学元件，会改变透射激光的啁啾量。因此对于实际的CPA系统而言，展宽器与压缩器之间的参数会有差别。

在现有技术中，飞秒激光振荡源1生成超短脉冲，首先被送入光栅展宽器2中，宽度成为纳秒（纳秒即10^-9s）量级的长脉冲。这样的长脉冲经过多级放大器3，获得能量放大；放大后的脉冲经过光栅压缩器4，使纳秒长脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出，如图3。其中，CPA系统的色散补偿遵循以下方法：通过调整压缩器的平行光栅距离，可以调节二阶色散量，以补偿展宽器和系统材料的二阶色散；通过调整压缩器的光栅入射角，以补偿展宽器和系统材料的三阶色散。