[发明专利]展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统

说明书

一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统，包括内置光学平板的光栅展宽器、色散光学器件和高密度光栅压缩器，所述的光学平板被夹持在精密旋转平台上，而且该光学平板垂直于水平工作面，与衍射光方向的夹角通过驱动精密旋转平台调整。本发明能有效地消除四阶以下色散，使啁啾脉冲激光放大装置输出的宽带脉冲具有足够宽的平坦相位光谱，获得接近光谱傅立叶变换极限的超短脉冲宽度，提升啁啾脉冲激光放大装置的输出激光脉冲的峰值功率。

技术领域

本发明涉及超强超短激光，特别是一种展宽器内置光学平板的光栅展宽压缩系统。

背景技术

“超强超短”脉冲激光是指激光脉冲的时间宽度短至100飞秒以下(飞秒，即10^-15s，缩写fs)，峰值功率高至100太瓦以上(太瓦，即10¹²W，缩写TW)的脉冲激光。

啁啾脉冲激光放大装置能够实现超强超短脉冲输出，是超强超短激光科学领域研究的基础设备。它采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)方法为基本技术路线，能够实现超强超短激光脉冲输出。典型方案以采用CPA技术的钛宝石激光系统为例：飞秒激光源振荡锁模，产生强度较弱的800nm波段飞秒种子脉冲；飞秒种子脉冲被送入光栅展宽器中，受到展宽器的正色散作用，成为光谱随时间分布的啁啾脉冲，展宽器的色散越强，则脉冲啁啾越强；脉冲啁啾越强，则脉冲时域越宽。在大能量的啁啾脉冲激光装置中，种子飞秒脉冲通常被展宽百万倍，成为纳秒量级的长脉冲。纳秒长脉冲在包括各级激光放大介质在内的色散光学器件中穿行，逐级获得能量放大，同时持续受到光学材料色散的作用(通常也是正色散，但远小于光栅展宽器色散)。最后，在系统末端，利用光栅压缩器的负色散，补偿之前的正色散，消除激光脉冲中的啁啾，使能量被充分放大的激光脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出。

啁啾脉冲激光放大装置中的超短激光脉冲具有宽带光谱的特点。因为脉冲的时域形状可由其宽带光谱做傅里叶变换得到，而且光谱越宽，脉宽可能越短，所以，为了获得更短的脉宽，相关研究机构都在不断提升啁啾脉冲激光放大装置的输出光谱宽度。但是，对于确定形状的光谱，最短脉宽(称为“傅里叶变换极限脉宽”)只能在光谱相位曲线是一条平坦水平直线的情况下获得。实际中，激光脉冲在啁啾脉冲激光放大装置里穿行，会通过光栅展宽器和各种色散光学器件，不断累积色散(啁啾)。如果累积的色散(啁啾)不能被光栅压缩器完全补偿，则输出脉冲的光谱相位曲线将出现扭曲劣化，脉冲宽度将大于甚至远大于傅里叶变换极限。以台劳(Taylor)级数方法做数学分析，光谱相位曲线可以被分解为中心波长处的一阶、二阶、三阶、四阶甚至更高阶色散(其中一阶级数只与脉冲的群速度有关，与本发明涉及的领域无关)。实现补偿的色散阶数越高，则宽带光谱就具有越宽的相位平坦区，获得的输出脉冲也就越短。

现有的光栅展宽器的基本构型可参见图1。在水平工作面内，宽光谱光束在第一光栅1处按波长衍射发散开来；利用1:1的光学望远成像系统2，第一光栅1可形成像光栅4；第二光栅3平行于第一光栅的像光栅4，可使不同波长光恢复平行；平面折返镜5使激光原路折返或在另一水平面内原路折返，并在第一光栅1处恢复成初始光束形状后离开光栅展宽器。

啁啾脉冲激光放大装置内的色散光学器件，包括激光工作介质(如钛宝石)、偏振器、光隔离器、光学透镜、普克尔盒等等各种色散元件。

光栅压缩器是啁啾脉冲激光放大装置的输出端，其基本构造是四面平面反射光栅两两平行并呈镜像放置的装置。理论分析可知，在理想的1:1的光学望远成像系统情况下，只要将光栅展宽器中的像光栅4和第二光栅3的距离写做负数，光栅展宽器与光栅压缩器的色散计算公式就完全相同。也就是说，如果不考虑色散光学器件的存在，理想光栅展宽器与光栅压缩器的各阶色散大小相等、符号相反，可以实现完全匹配和互相抵消。但对于实际运转的啁啾脉冲激光放大装置，光栅压缩器不仅要补偿光栅展宽器的色散，还要补偿色散光学器件中各种色散元件的色散。