一種高損傷閾值的強激光啁啾脈沖壓縮裝置及壓縮方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于強激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具備高損傷閾值的啁啾脈沖壓縮裝置，核心元件是一組光柵對和一塊非線性晶體。脈沖壓縮過程如下：基頻啁啾脈沖一分為二，各自通過光柵后在非線性晶體中進行和頻。其中，不同頻率的子光束經(jīng)歷不同的光程，經(jīng)巧妙安排，脈沖的啁啾能被消除。同時，光柵產(chǎn)生的激光角色散也在非共線和頻中得到補償，最終獲得無啁啾、無角色散的和頻壓縮脈沖。在本裝置中，由于脈沖壓縮的最后階段在非線性晶體中進行，而非線性晶體（如BBO，KDP）的損傷閾值普遍遠高于光柵；因此，相比傳統(tǒng)的光柵對壓縮器，本裝置能有效提升壓縮器的損傷閾值，可用于更高能量的激光啁啾壓縮過程，有望提升強激光系統(tǒng)的輸出能量。
【專利說明】
一種高損傷閾值的強激光啁啾脈沖壓縮裝置及壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在強激光照射條件下具備高損傷閾值的啁嗽 脈沖壓縮器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前國內(nèi)外高能量的激光系統(tǒng)中的放大器裝置基本上采用的是啁嗽脈沖放大 (CPA )或光參量啁嗽脈沖放大(OPCPA )技術(shù)。CPA技術(shù)簡要描述如下:振蕩器輸出的飛秒脈沖 首先通過展寬器展寬為納秒量級的啁嗽脈沖;然后通過多級激光放大器獲得高能量的啁嗽 脈沖；最后，利用壓縮器對啁嗽脈沖進行壓縮，獲得持續(xù)時間短、輸出功率高的高能量壓縮 脈沖。脈沖壓縮器處在放大器的末端，它所承載的脈沖光強最大，是完成高能量激光脈沖壓 縮的核心元件。目前，高能量激光系統(tǒng)中廣泛采用的脈沖壓縮裝置是平行光柵對。然而，光 柵屬于損傷閾值較低的光學(xué)元件，其激光損傷閾值僅為I J/cm2~2 J/cm2。為了不至于損壞 光柵，只好降低放大器末端的激光能量，這嚴重影響了強激光系統(tǒng)的輸出能量?？梢姡瑝嚎s 光柵的低損傷閾值是限制目前高能量激光系統(tǒng)輸出能力的關(guān)鍵瓶頸之一。
[0003] 為克服壓縮光柵低損傷閾值的限制，目前通常采取的措施是增加激光光束在光柵 上的輻照面積（即增加光柵的尺寸），降低其單位面積上的能量密度、從而降低損傷風(fēng)險。經(jīng) 計算，要獲得輸出能量為數(shù)千焦耳的強激光脈沖，需要米量級的大口徑光柵。但是，由于大 面積曝光、刻蝕以及均勻鍍膜等工藝技術(shù)上的困難，大口徑光柵不僅價格高昂且不易獲得； 迄今為止，美國PGL實驗室制作的光柵的最大口徑是為910 mmX420 mm。然而，即便如此也 遠不能滿足高能量激光系統(tǒng)的要求。拼接光柵技術(shù)是解決大口徑光柵問題的一個重要研究 方向，但拼接光柵的精度檢測、反饋控制和穩(wěn)定性保持均面臨巨大的技術(shù)難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對當(dāng)前強激光系統(tǒng)的輸出能量受限于壓縮光柵的低損傷閾值的現(xiàn)狀，本發(fā)明的 目的是提出一種具備高損傷閾值的啁嗽脈沖壓縮裝置，有望提升現(xiàn)有的高能量激光系統(tǒng)的 輸出能量和輸出功率。
[0005] 為了更清楚地闡述本發(fā)明與普通啁嗽脈沖壓縮器的區(qū)別，首先對普通的平行光柵 對壓縮器進行描述。圖1所示為普通的Treacy壓縮器，由科學(xué)家Treacy發(fā)表在1969年的 Journal of Quantum Elect第9期，第454~458頁上，它由平行光柵對Gi、G2和反射鏡R構(gòu)成。 線性啁嗽脈沖第一次通過光柵對后，脈沖在時間域上得到了一定的壓縮;同時，脈沖在通過 光柵對時產(chǎn)生了角色散，在空間被散開。通過反射鏡進行反射后，脈沖再一次通過光柵對， 其空間啁嗽和時間啁嗽均可得到補償，最后獲得持續(xù)時間更短的壓縮脈沖。在Treacy壓縮 器中，高峰值功率的壓縮脈沖最后通過光柵GAi射輸出，光柵G 1承受的激光輻射密度最高， 因此光柵61的損傷閾值將決定高能量激光系統(tǒng)的輸出能力。
[0006] 本發(fā)明提出的壓縮器裝置的核心光學(xué)元件是由一組光柵對G1WdP-塊非線性光 學(xué)晶體C組成，此外還包括一塊反射鏡R和分光鏡B，圖2是本發(fā)明裝置的示意圖。其光學(xué)傳輸 過程可如下簡要描述:頻率為ω的線性啁嗽脈沖首先經(jīng)分光鏡B分成兩束激光;這兩束激光 分別由光柵Gi、G2衍射后在非線性晶體C中進行非共線和頻;最后，從晶體C中輸出的是頻率 為2 ω、無啁嗽的壓縮脈沖。啁嗽脈沖壓縮的具體過程如下:基頻線性啁嗽脈沖在通過光柵 后在空間上散開，不同頻率的子光束經(jīng)歷不同的光程，經(jīng)巧妙設(shè)計【詳見【具體實施方式】和附 錄一、二】，基頻激光在非線性晶體C中完成和頻的同時，其脈沖啁嗽也能被消除，從而輸出 頻率為2 ω、無啁嗽的壓縮脈沖。在此過程中，基頻光通過光柵&、62時產(chǎn)生的角色散也在非 共線的和頻過程得到補償，最終輸出的2ω脈沖是無啁嗽、無角色散的壓縮脈沖。簡而言之， 線性啁嗽脈沖在經(jīng)過本發(fā)明裝置后，可獲得持續(xù)時間更短的壓縮脈沖。在本發(fā)明裝置中，由 于啁嗽脈沖壓縮的最后階段是在非線性晶體中完成的，因此非線性晶體的損傷閾值將決定 高能量激光系統(tǒng)的輸出能力。而普通非線性晶體，如BBO，KDP的損傷閾值均遠高于光柵(損 傷閾值為10 J/cm2~16 J/cm2,見王希敏等發(fā)表在1992年的人工晶體學(xué)報第3期，第292頁 上），并且實驗室已經(jīng)生長出大尺寸的非線性晶體，因此，理論上，本發(fā)明裝置可大幅地提升 高能量激光系統(tǒng)的輸出能力。
[0007] 本發(fā)明提出的這種啁嗽脈沖壓縮裝置結(jié)構(gòu)簡單，無需額外設(shè)計復(fù)雜的光路，相比 于普通的光柵壓縮器，其損傷閾值有近1個數(shù)量級的提高，可有效地緩解現(xiàn)階段光柵壓縮器 低損傷閾值對高能量激光系統(tǒng)輸出能力的限制。
【附圖說明】
[0008] 圖1是普通Treacy光柵對壓縮器的示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明提出的啁嗽脈沖壓縮器裝置的示意圖。
[0010]圖3是本發(fā)明裝置中非線性晶體部分的光路示意圖。
[0011]圖4是本發(fā)明裝置中光柵部分的光路示意圖。
[0012]圖中標(biāo)號：圖1中Gi、G2為光柵，R為反射鏡。圖2中B為分光鏡，C為非線性晶體，L為晶 體C與光柵Gi之間的距離，α為和頻過程的非共線角。ω為輸入基頻光的頻率，2 ω為輸出和 頻光的頻率。圖3中ki、ki'、kj、k/分別是頻率為ω i、ω i'、ω」、ω /基頻子光束的波矢，kij、ki/ 是和頻光的波矢。圖4中Chirped pulse為輸入的基頻啁嗽脈沖，Θin為基頻激光的入射角， 0_1、0_ 2是頻率為〇^、(〇」的基頻激光的〇級衍射角。
【具體實施方式】
[0013] 下面我將結(jié)合附圖2、附圖3、附圖4詳細地闡述本發(fā)明裝置獲得無啁嗽、無角色散 的和頻壓縮脈沖的具體實施方法。
[0014] 非線性晶體部分:在本發(fā)明裝置中，非線性晶體的主要作用是消除基頻光的角色 散和尚效地實現(xiàn)和頻轉(zhuǎn)換，晶體中的光路不意圖如圖3所不。如果在XYZ空間坐標(biāo)系中，所有 和頻激光的波矢等)都沿Z軸方向(X軸方向的波矢分量為零），那么所獲得的和頻激 光的角色散也就等于零。同時為保證和頻的效率，Z軸方向上的基頻波矢與和頻光矢之間要 滿足相位匹配條件。經(jīng)嚴格推導(dǎo)【見附錄一】，只要和頻的非共線角α〇、晶體方向角Φ以及非 共線角色散量3α/3 ω需滿足以下三個方程：
(1) (2) (3)
那么非線性晶體輸出的2ω激光的角色散將等于零，同時和頻轉(zhuǎn)換效率也會比較高，其 中k=nw/c，η為晶體中的折射率；k〇、k2〇分別是基頻、和頻光中心頻率處的波矢;3α/3 ω是非 共線和頻引入的補償角色散量。
[0015] 光柵部分:光柵在本發(fā)明裝置中的作用主要是將基頻光束在空間上按頻率成份分 開，此過程中會產(chǎn)生角色散量。光柵的光路示意圖如圖4所示。為保證非線性和頻過程的高 轉(zhuǎn)換效率，基頻激光在通過光柵衍射后需滿足以下三個條件：1)兩束基頻激光在入射到晶 體表面處的波前要保持一致，且其波前傾斜角Φ要與非共線角α匹配;2)基頻光在光柵中獲 得的角色散量3θ/3ω要恰好能被非共線頻率轉(zhuǎn)換引入的角色散3α/3ω所補償;3)基頻激 光的啁嗽在通過光柵和非線性晶體后要能夠被消除。經(jīng)嚴格推導(dǎo)【見附錄二】，如果啁嗽脈 沖的入射角θ ιη、光柵常數(shù)d的選擇滿足以下三個方程：
(4) (5) (6) 條件1)、2)都能得到滿足。其中θιη是基頻光入射光柵時的入射角，0_是經(jīng)光柵出射的 一級衍射光的衍射角，Φ是一級衍射光到達晶體表面的波前傾斜角，d是光柵常數(shù)。此外，假 定輸入基頻光的啁嗽系數(shù)為CP，如果光柵和晶體之間的距離L滿足等式
(J) 條件3)也能得到滿足。
[0016] 如果所有非線性晶體的參數(shù)(非共線角α、晶體方向角φ)、光柵參數(shù)(光柵常數(shù)d、光 柵與晶體的距離L)以及基頻光入射角θ ιη的選擇滿足上述7個等式，一個線性啁嗽的、頻率為 ω的基頻光通過本發(fā)明裝置后，就可以輸出無啁嗽、無角色散的2ω壓縮脈沖。
[0017] 基于以上的理論推導(dǎo)，下面將給出本發(fā)明裝置實現(xiàn)脈沖壓縮的一個具體案例，以 下實施案例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。假設(shè)輸入基頻激光是線性啁 嗽高斯脈沖，中心波長1054 nm，光譜帶寬20 nm，啁嗽脈寬20 ps，其傅氏變換脈沖寬度為80 fs，其啁嗽系數(shù)CP=3.47XKT6 fs<。選擇BBO做為I類位相匹配的非線性晶體，相應(yīng)基頻中心 波長的折射率η為1.65。依據(jù)BBO晶體的Sellmeier方程和公式(1)，所需的和頻非共線角α為 7°，代入公式(2)可知相應(yīng)的晶體方向角Φ為29.9°。從公式(3)可知和頻過程的角色散量為-6.95 X KT17 rad/Hz?？紤]到晶體表面的折射效應(yīng)，則光柵需產(chǎn)生的角色散量和相應(yīng)的波前 傾斜角Φ分別為1 ·2Χ 10-16 rad/Hz以及11.58°。
[0018] 聯(lián)立公式(4)-(6)可得，選擇光柵常數(shù)d為200 line/mm、基頻光在近似正入射光 柵時，條件1)、2)都可得到滿足。最后，將上述參數(shù)代入公式(7)，可知，如將光柵與晶體間的 距離L設(shè)為1.68 m，基頻激光的啁嗽也將被消除，最終從BBO晶體中輸出的是無啁嗽、無角色 散的2 ω壓縮脈沖，脈寬為57 fs。
[0019] 綜上，只要選擇合適的光柵和非線性晶體參數(shù)，本發(fā)明裝置完全可以對輸入的高 能量啁嗽脈沖進行壓縮，最終輸出無啁嗽、無色散的高能量脈沖。由于本壓縮裝置的光損傷 閾值要比普通的光柵壓縮器高1個數(shù)量級，這就意味著本發(fā)明裝置可承受更高激光能量的 照射。因此，本發(fā)明裝置的提出能有效緩解高能量激光系統(tǒng)輸出能量受限于光柵口徑的現(xiàn) 狀，從而有望提升現(xiàn)有的高能激光系統(tǒng)的輸出能力。
[0020] 附錄一:公式（1)-(3)的詳細推導(dǎo)過程。
[0021]在本發(fā)明裝置中，非線性晶體的主要作用是消除角色散和高效地實現(xiàn)非共線和頻 轉(zhuǎn)換，晶體中的光路示意圖如圖3所示。如果在XYZ空間坐標(biāo)系中，所有和頻激光的波矢（圖2 中的kij'，kij等)都沿Z軸方向（X軸方向上的和頻波矢分量kij為零），那么所獲得的和頻激光 的角色散也就等于零。同時為保證和頻的效率，Z軸方向上的基頻波矢與和頻光矢之間要滿 足相位匹配條件。
[0022] 對于I類相位匹配方式(o+o-e)，將波矢在X軸和Z軸兩個方向上進行分解，相位匹 配條件要求滿足下面的公式組：
式(1.1)表明，如果波矢k的分量ksina與頻率無關(guān)(3(ksina)/ 3 ω=〇)，那么X軸上的相 位匹配條件可以得到滿足。將ksina進行一階近似展開，
由于頻率ω4Ρ 與基頻光中心頻率ω〇差別不大，且非共線角^和七都非常接近于中 心頗蜜ω η々卜的非共錢#an.田而式Π . CMWik簡為，
(1.5) (1.6) 貝IJX軸方向上的相位匹配條件就會自動滿足，其中3α/3ω通常被定義為非共線和頻引 入的補償角色散量。此外，有角色散的基頻激光在經(jīng)過晶體表面時會發(fā)生折射現(xiàn)象，如圖3 所示；因而非線性晶體內(nèi)部和表面的非共線性角，CW和α ιη(αιη即圖2中的非共線角a)滿足 如下的關(guān)系： Qout-IlQin (1.7) 其中η為晶體的折射率，考慮到非共線角非常小，a ? Sina。晶體內(nèi)部和表面的角色散量 關(guān)系如下：
為了使A kz=0表達式(相位匹配條件）的成立與頻率ω ,或ω」無關(guān)，需滿足如下的方程 組：
綜上，要使得基頻光與和頻光之間將滿足相位匹配條件，并且輸出的和頻激光無角色 散，必須使得（1.6)、（1.13)和（1.15)三個等式同時得到滿足（即說明書正文中的（1)、（2)、 (3)式）。此時，和頻轉(zhuǎn)換的效率會比較高；同時輸入基頻光的角色散量也會得到補償，最后 從非線性晶體輸出的是無角色散的和頻激光。
[0023]事實上，只要選擇合適的非線性晶體、合理的晶體方向角Φ以及和頻非共線角α，上 述的三個等式可以滿足(見說明書正文中的實例）。具體地，在選擇合適的非線性晶體后，先 通過公式（1.13)、（1.15)確定所需的非共線角 〇和晶體方向角!^最后通過調(diào)整光柵參數(shù)(1兒 (見附錄二），獲得所需的基頻光角色散量，從而使得公式(1.6)兩邊相等。
[0024] 附錄二:公式(4)-(7)的詳細推導(dǎo)過程。
[0025] 光柵在本發(fā)明裝置中的作用主要是將基頻光束在空間上按頻率成份分開，此過程 中會產(chǎn)生角色散量。光柵的光路示意圖如圖4所示。為保證非線性和頻的高轉(zhuǎn)換效率，基頻 激光在通過光柵后的衍射光需滿足以下三個條件：1)兩束基頻激光在入射到晶體表面處的 波前要保持一致，且其波前傾斜角Φ要與非共線角α相匹配;2)基頻光在光柵中獲得的角色 散量3θ/3ω要恰好能被非共線頻率轉(zhuǎn)換引入的角色散3α/3ω所補償;3)基頻激光的啁嗽在 通過光柵和非線性晶體后要能夠被消除。
[0026] 對于基頻光束以入射角θιη進入光柵時，其一級衍射光的出射角滿足如下的光 柵方程：
(2.1) 其中d是光柵常數(shù)，c是光的傳播速度。光柵的Kostenbauder傳輸矩陣為：
其中X，Θ，t和f分別表示基頻光的空間位置，傾斜角，時間和頻率;下標(biāo)in和out分別 表示入射的基頻光和經(jīng)光柵出射的一級衍射光。在矩陣中，為標(biāo)識方便，我們用β(β'）來代 替 0in(0out)o
[0027] 條件1)要求基頻光的波前傾斜角Φ與和頻非共線角α(即αιη)相匹配，從上述的傳 輸矩陣可知基頻光的波前傾斜角Φ滿足如下等式：
條件2)要求基頻光在光柵中獲得的角色散量3θ/3ω要恰好能被非共線頻率轉(zhuǎn)換引入 的角色散3α/3ω所補償，其中光柵產(chǎn)生的角色散為：
即要求(2.4)式與（1.9)式要相等。事實上，只要選擇合適的光柵常數(shù)d和基頻入射角 θιη(即β)，條件1)和條件2)都可以得到滿足。
[0028] 要想條件3)成立，必須讓頻率不同的衍射子光束經(jīng)歷不同的光程。假設(shè)輸入的線 性啁嗽脈沖的啁嗽量為〇>(CP=d ω /dt)，光柵與晶體的距離為L，基頻激光中頻率差為Δ ω (即ω「ω 〇的兩束衍射光的衍射角度差為Δ Θ (即Qcmt2-Qcmtl);則兩束衍射光的光程差(從 光柵到晶體)為：
考慮到&0非常小，可以認為(3〇5^0?1，5^11(&0/2)?&0/2，則(2.5)式可簡化為 ：
(2.7) 基于已知的Cp和以及計算獲得的α、3θ/3ω，就可以通過(2.7)式計算出晶體和光柵之 間所需的距離L。
[0029] 簡而言之，公式(2.3)、（2.4)和(2.7)描述了光柵部分需提供的波前傾斜角、角色 散量以及需補償?shù)倪粤?。本裝置通過選取適當(dāng)?shù)墓鈻懦?shù)d、光柵與晶體的間距L以及基 頻激光的入射角θ ιη，可以使得上述的三個等式成立(見說明書正文中的實例），也就是說，基 頻激光在通過光柵衍射后需滿足的三個條件完全可以得到滿足。
[0030] 結(jié)論:只要選擇合適的非線性晶體參數(shù)和光柵參數(shù)（由公式（1.6)、（1.13)(1.15)、 (2.3)、（2.4)和（2.7)，即正文中的（1)-(7)式來確定），本發(fā)明裝置可以對強激光啁嗽脈沖 實現(xiàn)脈沖壓縮。由于本發(fā)明裝置中壓縮的最后階段是在損傷閾值更高的非線性晶體中完成 的，因此本裝置可承受的激光脈沖強度更高，從而有望提升高能激光系統(tǒng)的輸出能量。
【主權(quán)項】
1. 一種高損傷閾值的強激光啁嗽脈沖壓縮器裝置，包括一組光柵對和一塊非線性光學(xué) 晶體，其特征在于強激光啁嗽脈沖的壓縮是在非線性晶體中完成的；其中，頻率為ω的線性 啁嗽脈沖通過分光鏡后分成兩束啁嗽脈沖;這兩束激光分別經(jīng)光柵衍射后在非線性晶體中 進行非共線和頻;最后，從非線性晶體中輸出頻率為2ω、無啁嗽的強激光脈沖。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖壓縮器裝置，其特征在于基頻光在光柵中獲得的角色散 量3Θ/3 ω恰好被非共線頻率轉(zhuǎn)換引入的角色散3α/3 ω所補償。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖壓縮器裝置，其特征在于基頻光經(jīng)光柵產(chǎn)生的波前傾斜 角Φ與和頻過程的非共線角α相匹配。
【文檔編號】H01S3/00GK106033863SQ201610015282
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年1月12日
【發(fā)明人】陳英, 張竹嫻, 周曉霞, 王路露, 夏旭
【申請人】長沙學(xué)院