[发明专利]预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统

说明书

一种预置空间啁啾的激光脉宽压缩系统，包括空间啁啾发生器，以及沿该空间啁啾发生器产生的空间啁啾激光方向依次放置的第一光学望远扩束器、近场光斑修正器、第二光学望远扩束器、第一激光能量放大器、......、第N光学望远扩束器、第M激光能量放大器、......、末端光学望远扩束器和空间啁啾型光栅压缩器；所述的空间啁啾发生器，用于使激光脉冲的不同光谱分量分布在光束横截面的不同位置，形成特定的空间啁啾比例。本发明能够充分利用光栅表面积、显著增加光栅压缩器的能量荷载，减少由于有限光栅尺寸造成的光栅压缩器的光束能量损耗，进而提升激光啁啾脉冲放大装置的输出峰值功率上限。

技术领域

本发明涉及激光科学领域，涉及能够输出大能量飞秒脉冲的激光啁啾脉冲放大技术的研究与应用领域，是一种尤其适合于宽光谱高能量激光啁啾脉冲的激光脉宽压缩系统。

背景技术

激光啁啾脉冲放大装置(Chirped Pulse Amplifiers，简写为CPAs)能够实现激光脉冲的能量放大和飞秒输出，是超强超短激光科学领域研究的基础设备，可以为基础物理研究提供极高功率密度实验平台。“激光啁啾脉冲”是指激光脉冲在时间域上具有啁啾性——即脉冲不同时间位置上的光谱波长也不同。“超强超短”是指激光脉宽短至100飞秒以下(飞秒，即10^-15s，缩写fs)，峰值功率(能量除以脉宽)高至100太瓦以上(太瓦，即10¹²W，缩写TW)。

激光啁啾脉冲放大装置通常按如下流程运转：首先，初始飞秒弱脉冲被送入光栅展宽器中。光栅展宽器的强烈正色散使得激光脉冲正啁啾化——长波长超前短波长落后，形成纳秒脉宽啁啾脉冲。接着，啁啾脉冲经过多个光学扩束器和激光放大器，实现激光扩束和能量放大。最后，利用光栅压缩器的负色散，补偿之前的正色散，消除激光脉冲中的啁啾，使能量被充分放大的激光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。

激光啁啾脉冲放大装置中被放大的激光脉冲具有宽光谱、啁啾化的特点。从物理原理上说，激光脉冲的时域形状是由其宽带光谱做傅里叶变换得到，是由其宽带光谱的强度分布和相位分布所决定的。光谱越宽，脉冲展宽后得到啁啾脉冲的脉宽会越长(有利于脉冲能量放大)，而且，脉冲压缩后得到输出脉宽可能越短(有利于输出峰值功率)。以925nm波段的激光脉冲为例，需要约200nm的光谱宽度和约15ps/nm的啁啾量，才能支持3ns的啁啾脉宽和13fs的输出脉宽。

激光脉宽压缩系统，是通过消除激光脉冲啁啾实现脉宽压缩的精密光学系统，是整个啁啾脉冲激光放大装置的末端。光栅压缩器是常用的激光脉宽压缩系统。当宽光谱激光被光栅所衍射时，不同波长激光分量会有不同的衍射方向，形成强烈空间色散。光栅压缩器以Edmond B.Tracy提出的平行光栅对结构为基础，成功将光栅的空间色散能力转化成为时域负色散。它可以消除激光啁啾脉冲的时域正啁啾，实现激光啁啾脉冲的脉宽压缩，输出飞秒脉冲。

在先技术中，激光脉宽压缩系统通常由一套四光栅压缩器构成——四片反射式平面光栅，两两平行且呈镜像放置，参见图1。当宽光谱光束进入四光栅压缩器，首先被第一光栅1按波长衍射，不同光谱分量在垂直于光栅刻线的水平面内发散开来；第二光栅2平行于第一光栅1且相对放置。可使不同波长光谱分量恢复平行；第三光栅3和第四光栅4也互相平行，并与第一光栅1和第二光栅2成镜像放置。这种构型普遍应用于大能量大口径光束的啁啾脉冲激光放大装置。

在先技术运用了反射式平面光栅。在反射式平面光栅表面，均匀密布着精密设计的波长周期微结构，可以为啁啾脉冲脉宽压缩提供宽光谱、高效率的衍射。但光栅的微结构使得光栅表面的激光电场局域出现强化，更容易被飞秒激光所破坏。光栅压缩器的每一片光栅都需要承受全部脉冲能量冲击，尤其是作为最末端的第四光栅4需要负荷全能量飞秒脉冲的冲击，最容易受到破坏——能量破坏阈值低。为提高输出能量和峰值功率，啁啾脉冲放大系统需要更大的光栅尺寸。