[发明专利]超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统

说明书

本发明公开了一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，该系统包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器，放大激光先经光栅压缩器压缩到皮秒量级，再经扩束器扩束，最后经啁啾镜压缩器压缩到飞秒量级输出。本发明适用于超高峰值功率飞秒激光的压缩，可以大大降低现有技术的难度，节约成本，具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。

技术领域

本发明涉及飞秒激光压缩，尤其是一种超高峰值功率(10拍瓦及以上)飞秒激光压缩系统，主要包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器。所述的拍瓦级激光是指激光峰值功率达到10¹⁵W以上。

背景技术

啁啾脉冲放大(CPA)技术以及光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的发明，使得超强超短激光得到了迅速发展，其峰值功率已达到了数拍瓦乃至10拍瓦(PW)量级，激光时域宽度也已经实现了数十飞秒量级，相应的激光聚焦峰值强度达到了10²²W/cm²。如此高的激光聚焦峰值强度可为众多学科研究创造前所未有的实验手段和极端物理条件，从而推动一系列强场激光物理及相关前沿研究的发展。目前，国际上很多科研机构都在积极筹建百拍瓦级的激光系统，例如Rochester-75PW，ELI-200PW，Nexawatt-200PW，以及XCELS-200PW等。此外，我国上海光学精密机械研究所也于2017年正式提出要建造100PW超强超短激光系统(SEL-100PW)，并结合硬x射线自由电子激光，为研究真空QED现象等极端物态研究提供重要手段。

随着激光脉冲放大技术以及增益介质生长技术迅速发展，激光脉冲的放大能量输出得到了飞速提升。然而，受限于现有制造工艺下压缩光栅的尺寸以及损伤阈值，激光脉冲的压缩已成为限制其峰值功率和强度增长的主要技术瓶颈。压缩光栅通常分为金属光栅、介质膜光栅和金属介质膜光栅等。对于脉宽为数十飞秒的激光脉冲，压缩光栅的损伤阈值通常在0.2J/cm²左右。对于百拍瓦级飞秒激光的压缩，为了避免光栅的损伤，需要急剧扩大激光光束尺寸，相应地光栅尺寸甚至需要达到两米左右。然而，目前国内外报道的最大光栅尺寸约为1.4米，价格高昂且不能完全满足百拍瓦级超高峰值功率飞秒激光的压缩需求。瞄准超高峰值功率飞秒激光压缩的重大需求，人们提出运用拼接技术来增大光栅尺寸或者采用分路压缩加相干合束的方法来克服脉冲压缩光栅的瓶颈问题。上述两种技术方案不仅需要使用较大数量的大口径光栅，而且技术难度较大。比如：对于光栅拼接技术，为了增大一块光栅的尺寸，通常需要两块甚至三块光栅进行拼接，要在三个维度上对拼接光栅实现非常精密的控制，对光栅数量、质量及精密控制提出了很高的要求。此外，机械及光学元件的应力影响以及光栅之间的拼缝会对激光时空质量造成较大的影响；对于分路压缩加相干合束的方法，一方面分路压缩增加了所需光栅的数量，另一方面相干合束则需要非常精密地控制各路激光的时空抖动，实施难度较大。因此，对于超高峰值功率飞秒激光，急需探索和发展新型的压缩方案及压缩系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统。本发明主要包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器，是一种级联的混合式压缩系统，具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。本发明可以适用于数十拍瓦乃至百拍瓦级超高峰值功率飞秒激光压缩，可以降低现有技术的难度，节省成本。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种超高峰值功率飞秒激光级联混合压缩系统，主要包括光栅压缩器、扩束器和啁啾镜压缩器。放大激光先经所述的光栅压缩器压缩，输出皮秒激光，然后进入所述的扩束器进行扩束，输出扩束光的能量密度低于所述的啁啾镜压缩器的损伤阈值，所述的扩束光再进入所述的啁啾镜压缩器进行压缩，输出超高峰值功率的飞秒激光。