[发明专利]激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器

说明书

技术领域

本发明涉及超强超短激光科学领域，特别涉及一种适用于在激光啁啾脉冲放大系统末端压缩激光脉冲时间宽度、实现超强超短激光脉冲输出的啁啾脉冲压缩的研究与应用领域，适用于输出能量密度高于光栅破坏阈值的激光啁啾脉冲光栅压缩，适用于需要同时输出两个时间精确同步的激光脉冲的激光啁啾脉冲压缩。

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。

超短超强激光放大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：飞秒激光振荡源振荡产生的强度较弱但具有超过几十纳米宽光谱带宽的超短脉冲，，首先被送入正色散的光栅展宽器中，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；最后利用正色散的光栅压缩器，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。

激光啁啾脉冲放大系统输出的激光脉冲具有超高的功率，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。由两对平行光栅构成的光栅压缩器满足了这种要求，它可以产生负色散。

在现有技术中，在啁啾脉冲放大级中完成能量放大的纳秒级啁啾长脉冲被引向光栅压缩器。首先被第一光栅1所衍射，不同波长的激光成分被衍射向不同的空间方向，遵循公式：

d[sin(θ_i)+sin(θ_d)]＝mλ

其中d是光栅刻线密度，λ是激光波长，θ_i是入射光与光栅法线夹角，θ_d是衍射光与光栅法线夹角，m是衍射级次(通常选1)。由于脉冲具有宽光谱，所以衍射光是发散的。传播一定的距离后，这样的发散光被第二光栅2再次衍射。由于第二光栅2与第一光栅1相互平行，所以第二光栅3能够使得不同波长的光分量重新实现平行，但不同的波长空间路线已经不再重合。第三光栅3和第四光栅4则是第一光栅1和第二光栅2的镜像，可以使不同波长光分量的空间路线重新复合在一起。以上可见，在光栅压缩器中不同波长光分量经过的路程长度不同：长波长光分量经过的光程长，在脉冲中的位置向后移；短波长光分量经过的光程短，在脉冲中的位置向前移；在整个光谱带宽上实现了可控的负色散，使脉冲宽度恢复到飞秒级，最终实现超强超短激光脉冲的输出，如图1所示。

上述技术方案下，啁啾脉冲放大系统输出能量的提高受限于光栅的破坏阈值和光栅尺寸。在光栅破坏阈值一定的条件下，啁啾脉冲放大系统输出的能量越大，光束口径和光栅尺寸也就应该越大。但受制于工艺，大尺寸光栅制作成本高难度大，这就限制了啁啾脉冲放大系统继续提高输出能量。在光栅压缩器的输出侧，脉冲宽度缩小到飞秒或皮秒量级，峰值功率急剧提高，所以第四光栅4最容易被破坏。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，使得光栅压缩器能够承受高于破坏阈值的能量，显著提高啁啾脉冲放大系统的能量输出上限。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，包括由互相平行的第一光栅和第二光栅构成的第一光栅对，由互相平行的第三光栅和第四光栅构成的第二光栅对，所述的第三光栅和第四光栅是所述的第一光栅和第二光栅镜像，其特点在于，还包括分束镜组和转折镜组；