[发明专利]基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置

说明书

技术领域

本发明与飞秒超强激光脉冲宽度压缩有关，特别是一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，适用于将能量远大于10mJ的，乃至焦耳量级的飞秒激光脉冲压缩至仅包含数个光周期的宽度。

背景技术

超快强激光技术是当前许多前沿领域的核心技术与驱动力量。例如，基于高次谐波产生的阿秒科学与技术，激光驱动的电子加速器和用于肿瘤治疗的台式化中子源等。当前，世界主要发达国家和地区纷纷投入巨资发展这一领域，如欧洲科学家提出的国际相干放大网络ICAN计划，欧盟的ELI计划和美国的国家点火装置NIF。

受到上世纪80年代啁啾脉冲放大CPA技术的推动，当前的大激光装置已经可以输出能量达到兆焦耳量级，峰值功率达到拍瓦以上，聚焦峰值强度达到10²²W/cm²等这样极端的量级，也极大地拓展了人类的想象力。但是，另一方面，受到激光介质增益窄化的影响，经过放大后的激光脉冲宽度最短也在20fs以上。当前拍瓦系统的输出也在30fs左右。一些强激光物理过程不仅需要非常高的场强，也需要非常短的脉宽，短至仅包含数个光周期。根据傅里叶变换原理，这样短的脉宽对应非常宽的光谱。要对如此宽的光谱进行放大，需要使用新的技术，如光参量啁啾脉冲放大技术OPCPA。目前，使用这种技术达到的最高参数记录是脉宽小于3个光周期（800nm中心波长）、峰值功率达到16TW。这种技术不同于传统的CPA技术，所以若要采用这种技术，需要放弃原有的CPA系统。然而，这些系统造价昂贵，且许多实验室使用的都是以前搭建的CPA系统。OPCPA系统虽然可以支持很宽的带宽，但是输出能量还远不能和CPA技术相比。所以，对CPA系统的输出脉冲进行腔外压缩是另一种产生超快强激光的可行而且经济的途径。

对于毫焦量级的飞秒激光脉冲压缩而言，目前存在一种成熟的技术，即基于充惰性气体的空心光纤的脉冲压缩技术。这种技术利用自相位调制效应展宽光谱，波导结构的使用可以得到稳定的输出。压缩后的脉冲具有非常好的光束质量和仅包含数个光周期的超短脉宽。此方法已经是阿秒物理和超快泵浦探测研究中的标准技术组成。受到多种高阶非线性效应的限制，这种技术的稳定输出能量被限制在毫焦量级。为了提高输出能量水平，国内外多个小组相继提出了多种新方案，例如使用气压梯度的方法、入射脉冲为圆偏振光的方法、使用大口径光纤的方法，在入射脉冲中引入正啁啾展宽的方法，利用多孔空心光纤结构的方法等。前四种方法虽然可以提高出射脉冲能量，但提高幅度仍然有限。最后一种方法的实质是多光束空间合束，原则上可以大幅度提高出射能量，但所用的多孔光纤的制造有难度。综上，对CPA系统输出的高能脉冲进行腔外压缩仍是尚未圆满解决的问题。

发明内容

本发明要解决的问题就是提供一种基于脉冲分割的飞秒激光脉冲宽度压缩装置，将远大于10mJ的，乃至焦耳量级的飞秒激光脉冲压缩至仅包含数个光周期的宽度。