[发明专利]超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置

说明书

一种超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置，本发明利用四光栅压缩装置的非对称结构，引入空间色散，从而降低从压缩装置出射的激光脉冲的调制度，增强压缩装置所能承受的最大输出能量。本发明与常规的对称四光栅压缩装置比起来，仅仅进行简易的结构改变，将对称结构变成非对称结构，既不增加其它的光学元件，也不用增加调节的复杂性，使得本发明在增强压缩装置所能承受的最大输出能量的同时，具有成本经济、结构简易且稳定的优点。

技术领域

本发明涉及超强超短激光，特别是一种超强啁啾激光脉冲非对称四光栅压缩装置。该装置用于提升超强啁啾激光脉冲压缩装置所能承受的最大输出能量。

背景技术

超强超短激光脉冲的超强峰值功率与超短时域特性，为人类提供前所未有的极端物理条件，在强激光粒子加速、高能二次源产生、实验室天体物理、核聚变快点火等重大前沿科学研究领域有着重要应用。正是因为这些重要的应用，推动着超强超短激光的进一步发展，目前全世界已有多达五十多套的拍瓦(PW,10¹⁵瓦)量级的激光装置，甚至有百PW量级的激光装置处于规划和建设中。

目前超强超短激光脉冲主要依赖于啁啾脉冲放大技术(chirped pulseamplification,简称CPA)和光参量啁啾脉冲放大(optical parameter chirped pulseamplification,简称OPCPA)技术来进行脉冲放大。其核心思想是：脉宽为飞秒(10^-15秒)的超短种子飞秒光源经由一个光栅展宽器进行啁啾展宽，使其脉冲宽度展宽到纳秒(10^-9秒)量级；展宽了的啁啾激光脉冲经过增益介质实现激光脉冲放大。最后，能量放大后的激光脉冲经光栅压缩器进行脉冲压缩，将纳秒量级的啁啾激光脉冲再压缩回飞秒量级。

对于超强超短激光系统而言，鉴于其激光脉冲的超强特性，光致器件损伤是限制超强超短激光系统输出激光脉冲能量的重要因素，超强的激光脉冲会对增益介质以及后面的光学器件造成损伤，这使得超强超短激光系统通常利用大尺寸的光学元件，来降低光学元件表面的激光能量密度。然而，受限于当前的制造能力，对高质量大尺寸的光学元件，尤其是超强超短激光系统所需要的尺度达到米级的用于啁啾脉冲压缩的光栅的制造非常困难，这样大尺寸的光栅也很难装调和控制。

为了解决大尺寸光栅制造困难对于超强超短激光系统的限制，相干光组束方法于2006年提出(参见对比文件1：Synthetic aperture compression scheme for amultipetawatt high-energy laser,Appl.Opt.45,6013-6021(2006))，并得到了较为深入的研究和一些应用(参见Coherent combining of relativistic-intensityfemtosecond laser pulses,Appl.Phys.B-Lasers Opt.118,511-516(2015)和In-housebeam-splitting pulse compressor for high-energy petawatt lasers,Opt.Express28,22978-22991(2020))，该方法根据分束的位置不同，有多种实现方式，其中比较典型的有：

1，首先将啁啾展宽了的种子光分成多束子光束，然后多束子光束分别经过不同的放大器进行脉冲放大和不同的对称四光栅压缩器进行脉冲压缩，最后再将压缩了的多束子光束进行相干组束。

2，首先将经过放大器放大了的激光脉冲分成多束子光束，然后多束子光束分别经过不同的对称四光栅压缩器进行脉冲压缩，最后再将压缩了的多束子光束进行相干组束。该方法一方面需要比单光束超强超短激光系统多很多的光学元件，对于超强超短激光系统所用的大尺寸光学元件来说，价格比较昂贵；另一方面，不同子光束之间的时间、指向性、波前以及色散的差别对于相干组束影响非常大，要对这些参数进行精密的控制和维持具有非常大的难度和复杂性。