[发明专利]内部分光型光栅压缩器

说明书

一种内部分光型光栅压缩器，特点在于其构成包括：由相互平行的第一光栅和第二光栅组成的第一光栅对,由相互平行的第三光栅和第四光栅组成的第二光栅对,由相互平行的第五光栅和第六光栅组成的第三光栅对,…,由相互平行的第2N‑1块光栅和第2N光栅组成的第N光栅对,由相互平行的第2N+1块光栅和第2N+2光栅组成的第N+1光栅对，第一分束片、第二分束片、…、第N‑1分束片和反射镜。本发明将入射啁啾激光脉冲在压缩器内部分为最多N束压缩的飞秒激光输出，从而避免了最后一块压缩光栅对于压缩脉冲能量的限制，成倍地提升了压缩器压缩输出的激光脉冲能量。

技术领域

本发明涉及超强超短激光科学技术及应用领域，特别是涉及拍瓦高功率啁啾脉冲放大或光参量啁啾脉冲放大系统中压缩终端的啁啾脉冲压缩研究与应用领域，适用于压缩输出激光能量密度高于最末一块压缩光栅的损伤阈值的高峰值功率啁啾脉冲压缩。

背景技术

超强超短激光脉冲为人类提供了前所未有的全新的实验手段和极端的物理条件，在强激光实验室天体物理、强激光电子和质子加速器、核聚变快点火、激光等离子物理等重大前沿科学研究领域有着重要应用。因为这些重要的应用前景，目前国内外都实现获得了拍瓦量级的超强超短激光输出。

目前，高功率超强超短脉冲激光科学技术主要有啁啾脉冲放大技术(chirpedpulse amplification,简称CPA)和光参量啁啾脉冲放大(optical parameter chirpedpulse amplification,简称OPCPA)技术。这两种方法都已经发展比较成熟和广泛使用。两种方法的基本思路是首先利用一个光栅展宽器对入射的飞秒(10^-15秒)种子脉冲引入正色散，从而将种子激光脉冲宽度从飞秒量级展宽到纳秒(10^-9秒)量级。脉冲展宽后的激光可以在激光介质(比如钛宝石晶体)或者非线性晶体(比如BBO，KDP晶体，OPCPA放大)中进行放大，其中经过激光介质放大对应的是CPA技术，经过非线性晶体放大的对应的是OPCPA技术。最后放大后的激光脉冲再经过由光栅组成的压缩器将激光脉冲宽度从纳秒再压缩回到飞秒，从而实现超强超短激光脉冲输出。在压缩器中，根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ(这里，d为光栅刻线密度，α为入射角，β衍射角，λ为激光波长，m为衍射级次，这里通常为1)，激光经过光栅后，不同波长的激光会被衍射到不同方向，致使不同波长所走光程不同从而引入色散压缩激光脉冲。

在高功率超强超短激光装置中，终端的压缩器都是反射式光栅压缩器，装置结构较为简单，因为光栅可以获得较大的色散量，反射式光栅为了避免元件的损伤。目前，这类大口径光栅压缩器的典型结构光路如图1所示，主要由两组平行的反射光栅对，光栅1和光栅2，光栅3和光栅4组成。其基本工作原理是，放大输出的啁啾激光脉冲首先经过光栅1衍射，然后经过平行光栅1的光栅2再次衍射，变成平行激光，然后再经过光栅3和光栅4衍射压缩得到飞秒激光输出。其中光栅3和光栅4通常为光栅1和光栅2的镜像放置。

然而，随着放大输出的激光脉冲能量越来越大，激光光斑也越来越大，打在光栅上的激光能量密度也越来越高。由于受制于压缩光栅加工工艺，大尺寸光栅加工制作的难度极高，价格也极为昂贵，并有一定的尺寸限制，这就大大限制了更高能量激光的脉冲压缩，从而限制了获得更高峰值功率的超强超短激光脉冲。为解决这一问题，有人提出在放大后将激光直接分束，然后分别进入不同光栅压缩器压缩，最后再进行激光组束的方法获得超强超短激光。但是这种方法，需要多个独立的真空光栅压缩器，成本很高，经过多个独立的真空压缩器后再进行激光组束也非常困难。

由于光栅上镀有金属或者介质反射膜，这些高反膜的损伤阈值随激光脉冲的变窄而降低。最后一块输出光栅上脉冲宽度只有飞秒或皮秒量级，承受的峰值功率很高，非常容易被打坏。根据镀膜的材料和方法的不同，第一块光栅(承受纳秒激光损伤)可能比最后一块光栅(承受飞秒或皮秒激光损伤)的损伤阈值高3倍以上，甚至更高。

发明内容