[发明专利]一种高效的超强超短中红外脉冲系统

说明书

本发明公开了一种高效的超强超短中红外脉冲系统，包括：真空室，用于提供真空环境；啁啾光脉冲发生器，设在真空室外，用于向真空室输出啁啾系数可连续调节的光脉冲；等离子体通道靶，设在真空室内，其内具有沿轴向密度梯形分布的等离子体；光束聚焦装置，设在真空室内且位于光脉冲的入射光路上，用于使光脉冲聚焦后沿等离子体通道靶的轴线入射至等离子体通道靶。本发明应用于激光器领域，使用负啁啾脉冲作为驱动激光与等离子体相互作用，负啁啾光脉冲在等离子体中的快速压缩可以有效减小所使用的等离子体通道靶的长度，加快中红外光脉冲的产生速度和能量转换效率，还可以通过调节负啁啾光脉冲的啁啾系数控制中红外脉冲的参量。

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体是一种高效的超强超短中红外脉冲系统。

背景技术

自1960年激光器诞生以来，激光技术得到了迅猛的发展，现在已经广泛应用于科学研究，材料加工，医疗等领域。早期的激光器是在时间上连续输出的，人们通过使用调Q(Q-switch)的方式将激光器改为脉冲输出，得到脉宽在纳秒量级、峰值功率在兆瓦量级的激光脉冲。随后，通过锁模技术使激光脉宽进一步达到皮秒量级。在此基础上，随着钛蓝宝石和克尔透镜锁模技术的出现，已经可以得到数十飞秒脉宽的超短激光脉冲。1985年，Strickland和Mourou提出啁啾脉冲放大(CPA)技术使得激光器的输出功率和输出强度得到极大提高。CPA技术使激光强度达到10¹⁴-10¹⁵W/cm²，激光电场强度已经与原子的库伦场(Coulomb Field)达到同一量级，此时激光电场可以轻易改变原子中电子的运动轨迹。当激光强度继续增大到10¹⁸W/cm²时，激光电场已经远大于原子内库伦场，激光场会瞬间将物质电离成等离子体态，而后与等离子体相互作用。此时，激光与等离子体相互作用已经进入相对论范畴，激光电场可以在一个周期之内将电子加速到相对论速度。

近年来，基于激光与等离子体相互作用的新型辐射源研究在国际上引起了广泛关注。目前常见的超强激光器均是基于钛蓝宝石(Ti:sapphire)或钕玻璃(Nd:glass)作为激光工作物质。由于工作物质能级结构的限制，这两种激光器只能直接输出波长为0.8μm和1μm的激光，这两种都属于近红外波段。随着科学研究的不断深入，研究者们已经不满足于0.8μm和1μm波长的脉冲，人们期望得到其他波段的相对论强度脉冲来为科学研究提供新的方法和思路。尤其是在高频的X射线和γ射线部分以及低频的太赫兹波和中红外波等，这些电磁波的产生为光与物质之间的相互作用打开了新的大门。

中红外波在光谱中位于太赫兹波与近红外波之间，波长范围在2μm-20μm，刚好对应于许多生物或化学分子的吸收谱。同样的，对于二维红外振动光谱学、分子结构的时间分辨成像、提高太赫兹辐射效率等研究，中红外脉冲也都是非常理想的工具。当中红外脉冲提高至相对论强度时，将会对激光与等离子体相互作用领域带来新的思路和方法，例如，超亮相干X射线高次谐波产生和带电粒子加速等研究。因此，超强超短中红外脉冲在物理、化学、医疗、半导体和军事应用等前沿科学领域中都有着重要应用。