[发明专利]基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及啁啾控制装置，特别是一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制 装置。

技术背景

超短超强激光脉冲具有峰值功率高，持续时间短等优点，因此在物理、生物、化学 以及微制造和微加工方面有广泛的应用。特别是具有超高能量的超短脉冲，由于时 间非常短，功率可以达到10拍瓦量级(1pw＝10¹⁵w)，这种激光系统可以为人类提供 前所未有的全新手段和极端物理条件，因此可以用来开展许多具有重要科学和实际 意义的研究，如快点火驱动惯性约束聚变工程等。为了获得超高能量和超短脉冲， 通常采取的措施是利用展宽器使飞秒脉冲携带足够大的线性啁啾，从而将脉冲宽度 展宽到纳秒(10^-9s)量级，然后通过再生放大系统和一系列高能放大器，从中获得 超大能量，最后经过压缩装置补偿线性啁啾并压缩至飞秒(10^-15s)量级，实现超高 功率激光输出。这种方法称为光学参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)，基于在先技术 [D.Strickland and G.Mourou，“Compression of amplified chirped optical pulses，”Opt. Commun.56，219-221(1985)]，是目前普遍采用的获得大功率超短激光脉冲的手段， 也是实现拍瓦甚至艾瓦(1ew＝10¹⁸w)量级飞秒激光脉冲输出的重要技术。

在拍瓦超高功率激光系统中，极高的激光能量密度对元器件的抗激光破坏能力 提出了非常高的要求，因此大大增加了设计和加工器件的难度。特别是对最终实现 脉冲时域压缩，并输出10拍瓦量级飞秒激光的光栅对装置，由于脉冲激光携带的时 域啁啾和空间啁啾得到补偿，脉冲宽度大幅压缩，因此所采用的光栅器件必须具有 极高的激光破坏阈值。同时，压缩光栅还必须具有宽光谱高效率的特性，以支持飞 秒量级的脉冲输出。考虑到以上两点，如何在拍瓦激光系统中应用基于反射式光栅 对的脉冲压缩装置将面临着极大的挑战。

目前普遍采用对称结构的四光栅压缩装置，它可以获得接近傅里叶变换极限的 飞秒脉冲输出，首先利用第一组光栅对引入二阶群速度色散(group velocity dispersion， GVD)，实现输入长脉冲时域啁啾的部分补偿，但同时会产生一定的空间光谱走离并 形成空间啁啾，然后利用第二组对称的光栅对补偿空间啁啾和剩余的时域啁啾，最 终得到超高功率的超短飞秒激光压缩脉冲输出，并通过反射式凹面镜聚焦获得超高 能量密度的激光场。在这种脉冲压缩装置中，由于光束在到达最后一块光栅时空间 啁啾和时域啁啾都被完全补偿，在光束截面中的所有位置上都形成完美的飞秒脉冲， 因此最后这块光栅的每一处都将承受超强的激光功率，这是传统压缩装置面临的最 大挑战。

事实上，对于超高功率激光系统应用在需要聚焦的领域，如激光聚变工程，其 主要目标是在反应靶上实现超高能量密度的光场，而对激光在传输到反应靶之前的 能量分布以及时域特性没有特别的要求。这就有可能为我们提供一种较容易实现的 脉冲压缩技术，在保证宽光谱高效率衍射的前提下，降低对光栅激光破坏阈值的要 求。和传统的脉冲压缩装置不同，这种技术不需要把第一组光栅对产生的空间光谱 啁啾进行补偿，相反，通过增大空间啁啾量可以降低光谱在光束横截面内的叠加程 度。虽然每种光谱分量在光束同一波前中基本实现了时域同位相，但是在空间上是 分离的，因此，在光束截面的每一个位置都只对应某一中心波长的窄带光谱，这种 窄带光谱只能维持较长的脉冲宽度，从而降低了对光栅的抗激光破坏能力的要求。 而对于空间啁啾的补偿，可以通过最终使用的聚焦反射镜实现，并在靶面上(即凹 面镜焦点)得到无时间啁啾和空间啁啾的超高功率飞秒激光脉冲。

发明内容

为了解决在拍瓦超快激光系统中光栅承受激光破坏能量过大的问题，我们提出 一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，该装置用于啁啾控制具有结构简 单、高的激光破坏阈值、光谱范围宽(100纳米)和衍射效率高等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置，特点在于其构成包括一对平 行放置的深刻蚀透射式石英光栅和一块凹面反射镜，所述的深刻蚀透射式石英光栅 的周期为750nm，刻蚀深度为1900nm，占空比为0.6。

所述的凹面反射镜为离轴抛物面反射镜。

本发明的技术效果如下：