[发明专利]用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器

说明书

本发明是关于一种飞秒(10^-15秒)太瓦(10¹²瓦)级超短超强激光装置上所用的多光脉冲发生器。主要适用超短(10^-15秒)超强(10¹²瓦)激光与物质相互作用的研究以及需要多个可控超短超强光脉冲的场合。

在先技术：

目前的飞秒太瓦级超短超强激光装置一般是低重复频率(＜50赫兹)运转的。少数几个最高重复频率的飞秒0.1太瓦级超短超强激光装置也只达到1000赫兹的水平。输出激光脉冲的时间间隔大于等于1毫秒。这是因为激光工作介质需要足够的时间来冷却，高重复频率和高峰值功率是一对矛盾。但实际应用中常需要激光脉冲的时间间隔在飞秒，皮秒和纳秒量级。因此，为从低重复频率的飞秒太瓦级超短超强激光装置获得多个强度比和相互延迟时间容易控制的超短超强脉冲，一般采用脉冲分割技术，即将激光装置输出的一个脉冲分割成几个脉冲。目前已有的最常规的脉冲分割结构是采用含有分束器203和合束器207(部分透过，部分反射)的光学组件2在激光装置1的输出端对飞秒强激光脉冲进行分割，示意图如图1所示。

因为飞秒强激光脉冲的频带很宽-脉宽很窄，即包含许多频率成分，不同频率成分在介质中的传播速度是不同的，透过分束器203和合束器207的那一部分光脉冲会因介质色散(如群速度色散)而发生展宽或其他畸变；在激光功率很高时，还会有其他几种非线性因素导致脉冲的进一步畸变。因而在飞秒强激光光学装置中，应尽量避免采用透射光学元件。这一点正是图1所示结构的一个主要缺点。针对这一点，有人提出了一种不采用透射光学元件的改进方案，如图2所示。(详见S.Bastiani，A.Rousse，J.P.Geindre，P.Audebert，C.Quoix，G.Hamoniaux，A.Antonetti，and J.C.Gauthier.Experimental study of the interaction of subpicosecond laser pulseswith solid targets of varying initial scale lengths，Physical Review E 56，7179-7185(1997))。这种结构虽然因未采用透射光学元件而避免了群速度色散和其它非线性效应，但它在光学组件2中采用中心有小孔使光束穿过、小孔周围是反射光束的特殊分束器203及合束器207对一个激光束的截面进行分割。如图2所示。它破坏了一个高斯光束的完整截面，影响了其光学聚焦特性。且分割后的两个光脉冲一个是旁轴光束，另一个则是离轴较大的光束，用同一光学系统(透镜)聚焦，聚焦特性也是不同的，这使实际应用中，估算和评价聚焦焦斑特性更加复杂。

此外，以上两种结构均是在激光装置的输出端对飞秒强激光脉冲进行分割，这时候，激光脉冲功率高(太瓦量级)，要求激光光束口径大(几个厘米以上)，所需的光学元件都是大口径的抗激光损伤阈值高的光学元件，因此成本很高。且飞秒激光脉冲容易在传输中发生畸变，要求反射和透射的次数越少越好，不希望在飞秒激光光路中插入较多的光学元件。

本发明的目的是针对上述在先技术中存在的问题，提供一种用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，它将不直接对飞秒激光脉冲采用透射光学元件，避免群速度色散和其它非线性效应；也不直接对激光束的截面进行分割，避免破坏一个高斯光束的完整截面；使分割后的脉冲具有类似的光束截面和光束质量，保证它们的光学聚焦特性类似；将采用成本低的小口径的抗激光损伤阈值要求较低的光学元件，就实现对激光脉冲进行分割产生多个强度比和相互延迟时间容易控制的飞秒太瓦级光脉冲。

本发明的用于飞秒太瓦级激光装置的多光脉冲发生器，包括带有入射窗口301和出射窗口302的外壳3，在外壳3内置有光学组件2。在外壳3内，入射窗口301与光学组件2之间，靠近入射窗口301的一端置有光脉冲展宽器4。在光脉冲展宽器4与光学组件2之间置有光脉冲放大器5。在光学组件2与外壳3上的出射窗口302之间置有光脉冲压缩器6。也就是说置于外壳3外的激光装置1发射的飞秒光单脉冲P₀从外壳3入射窗口301入射到外壳3内，首先经过置于外壳3内的光脉冲展宽器4。由光脉冲展宽器4输出的啁啾光脉冲P_Z经过光脉冲放大器5后，进入光学组件2内。由光学组件2输出的多个啁啾光脉冲P_Z1，P_Z2经过光脉冲压缩器6将其光脉冲的脉冲宽度压缩后，由外壳3的出射窗口302输出多个飞秒光脉冲P₁，P₂。