[发明专利]一种超短脉冲宽度多程展宽系统及方法

说明书

本发明公开了一种超短脉冲宽度多程展宽系统及方法，涉及高功率超短脉冲放大领域。该多程展宽系统包括至少一个体布拉格光栅和偏振反射单元；该多程展宽系统利用光学光路设计使脉冲激光多次经过体布拉格光栅，通过对光束的偏振态调节，实现了脉冲激光在系统中实现多程体布拉格光栅脉冲展宽。与现有技术相比，本发明利用光学光路设计使脉冲激光多次垂直经过体布拉格光栅，通过对光束的偏振态调节，实现了脉冲激光在系统中实现多程体布拉格光栅脉冲展宽，从而实现脉冲宽度的极大展宽至纳秒以上，在不需要借助光纤等额外器件的情况下极大地降低了系统的复杂程度，增加了系统的稳定性，并实现高功率的激光输出。

技术领域

本发明涉及高功率超短脉冲放大领域，尤其是公开了一种基于体布拉格光栅的超短脉冲宽度多程展宽系统及方法。

背景技术

现有技术中超短脉冲激光系统一般采用啁啾脉冲放大技术(CPA)，种子脉冲是飞秒脉冲，且脉宽一般是在1ps(皮秒)以内，因此放大前需要将脉冲宽度展宽至几百ps甚至ns(纳秒)，展宽后越宽，系统的输出能力越大。展宽器一般采用可调节光栅对或者棱镜，这种器件类型的展宽量与器件中光程成正比。若要展宽至1ns，一般器件长度需要接近2米，占用空间极大，而且稳定性低，主要在实验室稳定平台中使用，限制了商用超短脉冲激光器的发展。

目前存在一种体积很小、光路调节方便，但脉冲展宽量不可调的展宽器——体布拉格光栅(VBG)，但是受限于材料和制备工艺，该VBG的展宽量最大只有500ps，无法提供更大脉冲展宽量，主要存在以下几方面原因：

(1)不同轴，色散精度差

如图1所示，由于体布拉格光栅(VBG)的光路为斜入射，斜入射角度难以控制，导致光程差无法控制；而色散量与光程差相关，进而色散量与斜入射角度光相关，但系统色散量无法精确控制，对后续系统压缩带来不可弥补的色散差，限制了系统色散调控精度。

(2)不同轴的情况下，口径限制了光斑

如图2所示，体布拉格光栅的口径较小，一般为5*5mm，由于斜入射，入射与出射光斑均需要在口径内，因此光斑一般只能设置为2*2mm，甚至更小1*1mm，因此限制了光斑的口径大小。

(3)耐受功率限制了损伤阈值

由于体布拉格光栅端面的损伤阈值一般为5J/cm2，而对于5*5mm口径光栅，通量阈值可以达到125J，由于斜入射，体布拉格光栅光斑大小被限制到1*1mm，这样通量阈值被限制到只有5J，极大的限制了器件的损伤阈值，极易被损坏。

(4)色散量限制了展宽量

一般体布拉格光栅的色散量为500ps，系统的展宽量与色散量一致，为500ps；目前主要采用单程斜入射使用，因此展宽量只有500ps，限制了系统展宽量，进而限制了系统输出，需要实现更大的色散量。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于体布拉格光栅的多程展宽系统，既能实现光路同轴输入输出，色散量与设计值精确一致，最大入射光斑可以达到5*5mm，损伤通量阈值超过100J，色散展宽量提升1倍，同时具有体积小，稳定可靠等优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种超短脉冲宽度多程展宽系统，包括至少一个体布拉格光栅和对入射光进行偏振态和角度控制的偏振反射单元；该多程展宽系统利用光学光路设计使脉冲激光多次经过体布拉格光栅，通过对光束的偏振态调节，实现了脉冲激光在系统中实现多程体布拉格光栅脉冲展宽。

另一方面，本发明还提供了一种对应的超短脉冲宽度多程展宽方法，主要基于所述展宽系统进行多程展宽，通过调整四分之一波片的角度，使通过四分之一波片的光束在P偏振光/圆偏振光/S偏振光之间进行变换，使光束能够在展宽系统中完成所目标程数的多程展宽。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：