[发明专利]一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法

说明书

本发明公开了一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，属于激光技术领域，采用等离子体波导收集和准直飞行焦点，使得聚焦后的激光在等离子体波导中传输，然后通过光栅调节飞行焦点的移动速度刚好与该激光在波导中的群速度相等。由于不同波长的光光程不一样，输出脉冲获得时间压缩效果，同时由于强激光在等离子体中的自聚焦效应使得激光进一步聚焦，空间压缩效果；本发明解决了现有啁啾脉冲放大技术材料损伤和等离子体压缩技术的稳定性低、效率低等问题。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光时空压缩方法。

背景技术

目前获得高能、超短（一般是指脉冲时间宽度在10^-12-10^-15s之间，即1ps-1fs之间）、超强脉冲激光的主要技术途径是啁啾脉冲放大技术，其基本工作原理是：利用展宽器（通常由棱镜、光栅等色散元件组成）将一束短脉冲激光在时域上进行展宽(由于每一时刻的瞬时频率不同，展宽后的脉冲被称为啁啾脉冲)，展宽后的激光脉冲在放大器中进行放大，提取足够的能量，最后再通过压缩器将脉宽压窄，从而获得极高的脉冲峰值功率。

然而，随着脉冲功率密度不断提高，压缩光栅的损伤正在成为激光功率密度进一步提高的瓶颈。如现有的PW激光装置（1PW=10¹⁵ W）需要的光栅口径达到1m左右，几乎已经达到现有制造工艺的极限。因此，寻找新型高损伤阈值的材料来压缩超短脉冲成为未来高峰值激光发展的一个重要的方向。

等离子体作为一种不存在损伤阈值的介质而受到广泛关注。

目前发展起来的等离子体压缩技术有：1、等离子体背向拉曼放大技术和等离子体强耦合布里渊放大技术。2、等离子体布拉格光栅技术。研究表明：上述等离子体压缩技术输出功率密度达到10¹⁷W/cm²以上，仅仅厘米口径就可以实现EW的激光输出，具有输出峰值功率高且造价低廉等优点。

然而，现有的等离子体压缩技术存在若干缺点，上述的技术1基于泵浦光、种子光和等离子体波的三波耦合过程，容易受到等离子体不稳定性影响，实验效率难以提高；技术2的等离子体光栅制造起来十分困难，目前尚处于理论研究阶段。

近年来发展了一种针对宽带超短脉冲的飞行焦点技术。这项技术分为两个方面：首先，利用色差聚焦系统使得宽带短脉冲激光产生沿传播方向的线聚焦，聚焦长度由系统色差大小决定。同时，通过调节脉冲的啁啾可以调节光束到达焦点的时间，从而控制焦点的移动速度。现有文献表明焦点的移动速度可以达到几十倍光速。目前的飞行焦点的色差聚焦系统主要为菲涅尔衍射透镜，主要利用了菲涅尔透镜对不同波长的光的焦距差别。聚焦后的超短脉冲由原来的焦点变成一条沿着传播方向的焦线。最终，通过光栅调节脉冲啁啾以实现焦点在焦线范围内的飞行速度可调。飞行焦点技术可以应用于粒子加速、高次谐波产生和等离子体压缩，具有作用距离长，产生的噪声低等优点。但是，未见将飞行焦点技术应用于超短脉冲激光时空压缩的报道。

发明内容

本发明的目的，就在于提供一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所示：一种基于飞行焦点和等离子体波导超短脉冲激光时空压缩方法，首先采用色差聚焦系统使得不同波长的激光聚焦在不同位置，同时通过光栅调节脉冲啁啾产生飞行速度任意可调的飞行焦点，随后，采用等离子体波导收集和准直飞行焦点，使得聚焦后的激光在等离子体波导中传输。由于不同波长的激光在聚焦和准直过程中的光程不一样，激光的啁啾可以跟系统产生的光程差相互抵消，从而获得输出脉冲的时间压缩。当激光达到一定强度时，激光在等离子体中的自聚焦效应又会使得焦点进一步缩小，产生空间压缩效应。

优选所述飞行焦点是利用色差聚焦系统产生得到。

优选的，所述等离子体波导的传播模式与激光的焦斑大小相匹配，尺寸1-3于激光焦斑大小。