專利名稱：高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超強超短激光，是一種高功率大能量超短激光系統所用的啁啾脈沖展寬器，主要適用于高能量(200～2000焦耳)超短(10-15～10-12秒)超強(1012～1015瓦)激光系統的脈沖展寬和改善超短脈沖的光束質量。
背景技術：
啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，簡寫為CPA)和光學參量啁啾脈沖放大(0ptical Parametric Chirped Pulse Amplification，簡寫為OPCPA)是目前獲取超短、超強激光脈沖的經典方法，已被廣泛的應用于建造多太瓦(即1012W，簡寫為TW)級激光系統和拍瓦(即1015W，簡寫為PW)級激光系統。它首先利用展寬器對飛秒或亞皮秒的激光脈中引入一定的啁啾量，使脈沖展寬，注入高增益的預放，當脈沖能量達到焦耳量級，再通過主放大器將能量提高到設計的水平，最后利用壓縮器引入與展寬器相反的啁啾量，使脈沖寬度復原，從而獲得高功率大能量的超短脈沖激光輸出。其中展寬器是一個重要的器件，它的合理設計對提高整個系統性能是非常重要的。目前，英國盧瑟福實驗室的Vulcan超強超短激光裝置利用兩個展寬器實現的對激光脈沖展寬的方案已經獲得了激光輸出能量651J，打靶的脈沖寬度為410fs，功率達到1.03PW，聚焦的功率密度達到了1.06×1021W·cm-2的實驗結果(Workshop on Ultrahigh Density Plasma Production，Application and Theory forLaser Fusion Proceedings，2005，16-25)，該裝置所使用的展寬器(J Collier，CHernandez-Gomez，“Double Decker Stretcher Design for the Petawatt Upgrade”.CLF Annual Report RAL-TR-2002-013，2001-2002pg 173)如圖1所示，圖中11、21-凹面反射鏡，12、22-凸面反射鏡，13-光柵，14、24-全反射鏡。
該展寬裝置和整個系統的工作過程是種子飛秒激光經過第一個展寬器(1)后，激光脈沖的寬度展到2.4ns，注入到OPA激光放大器中進行預放大，之后再進入第二個展寬器(2)進行第二級放大，激光脈沖寬度展寬到4.8ns，注入主放大器進行放大，最后進入壓縮池對激光脈沖進行壓縮，得到所需要的高功率大能量超短激光脈沖。
該展寬裝置的特點為兩個展寬器是層疊的，可以減少整個裝置占用的空間；兩個展寬器共用同一塊光柵，減少了光柵的使用數量。其缺點也是很顯然的，由于兩個展寬器是層疊的，進行展寬比調諧時是相互影響的，需要兩個展寬器同時同步進行，在這種情況下，這個系統的色散補償的調諧任務實際上是在壓縮器中完成的。這樣務必會加大壓縮器中大口徑光柵的調節難度，特別是目前大口徑光柵大多需要通過光柵拼接來獲得，這樣它的調節難度就更大。
發明內容
本實用新型的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，以提高展寬比，大大降低壓縮器中大口徑光柵的調節難度，最終獲得高對比度高功率大能量的超短脈沖輸出。
本實用新型的技術解決方案如下一種高功率大能量超短激光脈沖展寬的調節方法，該方法的核心是采用兩個同樣的展寬器分兩級獨立進行展寬，第一個展寬器放在種子光源之后，其展寬比固定；第二個展寬器放在光學參量放大(0ptical Parametric Amplification簡稱OPA)的預放大之后，具有連續調諧二階以及高階色散的功能，第二個展寬器的調節是先補償二階色散，再補償高階色散。
一種高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于由第一展寬器和第二展寬器)組成，第一個展寬器放在種子光源之后，其展寬比固定，第二個展寬器放在OPA預放大之后，具有連續調諧二階以及高階色散的功能所述的第一展寬器由第一柱型凹面反射鏡、第一柱型凸面反射鏡、第一光柵和第一全反射鏡組成；所述的第一柱型凹面反射鏡、第一柱型凸面反射鏡、第一光柵和第一全反射鏡分別置于各自的調整架上，所述的第一柱型凹面反射鏡、第一柱型凸面反射鏡和第一全反射鏡均鍍有工作波長的介質增反膜，該第一展寬器的出射光束垂直于所述的第一全反射鏡的反射平面；所述的第二展寬器由展寬部分、二階色散微調部分和高階色散微調部分組成所述的展寬部分依次由第二柱型凹面反射鏡、第二柱型凸面反射鏡、第二光柵和第二全反射鏡組成，所述的第二柱型凹面反射鏡和第二柱型凸面反射鏡分別放在各自的五維調整架上，第二光柵放在四維調整架上，第二全反射鏡放在三維調整架上，所述的第二柱型凹面反射鏡和第二柱型凸面反射鏡的中心旋轉軸在同一直線上，所述的第二柱型凹面反射鏡、第二柱型凸面反射鏡以及第二全反射鏡均鍍有工作波長的介質增反膜，；所述的二階色散微調部分由所述的第二柱型凹面反射鏡和第二柱型凸面反射鏡的兩個五維調整架組成；所述的高階色散微調部分由平凹透鏡和雙凸透鏡組成并置于所述的第二光柵和第二全反射鏡之間，該平凹透鏡放在五維調整架上，該雙凸透鏡放在四維調整架上，所述的平凹透鏡和雙凸透鏡的旋轉軸在同一直線上，所有透鏡鍍有工作波長的介質增透膜；所述的第二展寬器的出射光束與所述的平凹透鏡和雙凸透鏡共光軸并垂直于第二全反射鏡)的反射平面。
所述第一展寬器的展寬比固定，所述的第二展寬器的展寬比和高階色散是可連續調諧的。
所述的第一柱型凸面反射鏡的曲率半徑為第一柱型凹面反射鏡曲率半徑的一半，兩者之間的距離為第一柱型凸面反射鏡的曲率半徑值，第一柱型凹面反射鏡與第一光柵之間的距離為第一柱型凹面反射鏡的曲率半徑值的0.6～0.7倍。
所述的第二柱型凸面反射鏡的曲率半徑為第二柱型凹面反射鏡曲率半徑的一半，兩者之間的距離為第二柱型凸面反射鏡的曲率半徑值，第二柱型凹面反射鏡與第二光柵)之間的距離為第二柱型凹面反射鏡的曲率半徑值的0.6～0.7倍。
所述的第一光柵和第二光柵的光柵刻線為1200線/mm～1800線/mm。
所述的平凹透鏡的中心厚度為1.1～2.5cm，曲率半徑為25～30cm，透鏡材料為SSK4玻璃；雙凸透鏡的中心厚度為2.0～3.5cm，第一個面的曲率半徑為30～35cm，第二個面的曲率半徑為41～45cm，透鏡材料為ZF10玻璃。
本實用新型的技術效果在于1、可以實現高功率大能量超強超短激光系統中對激光脈沖進行大展寬比展寬的要求；2、利用兩級對激光脈沖進行展寬，符合整個大能量高功率系統大展寬比的要求。
3、本實用新型的最大特點在于第一個展寬器的展寬比固定，而第二個展寬器具有二階色散和高階色散的可連續調諧性，從而可以大大降低壓縮器中大口徑光柵的調節難度，讓壓縮器中的大部分調節任務由第二個展寬器來實現，甚至可以讓壓縮器第一次調整好后就不再進行調節，完全固定，調節任務全部由第二個展寬器的調節來實現。
4、由于本實用新型可以有效的補償高階色散，從而大大提升整個系統的性能，最終獲得高對比度高功率大能量的超短脈中輸出。
圖1為已有的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置示意圖。
圖2為本實用新型的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置示意圖。
圖中1-第一展寬器 2-第二展寬器 11-第一柱型凹面反射鏡 21-第二柱型凹面反射鏡 12-第一柱型凸面反射鏡 22-第二柱型凸面反射鏡 13第一光柵 23-第二光柵 14第一全反射鏡 24-第二全反射鏡 25-平凹透鏡 26-雙凸透鏡 31、32、33、43、46-四維調整架 41，42、45-五維調整架 34、44-三維調整架具體實施方式
圖2為本實用新型高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置示意圖，由圖可見，本實用新型高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，由第一展寬器1和第二展寬器2組成，第一個展寬器1放在種子光源之后，其展寬比固定，第二個展寬器2放在OPA預放大之后，具有連續調諧二階以及高階色散的功能所述的第一展寬器1由第一柱型凹面反射鏡11、第一柱型凸面反射鏡12、第一光柵13和第一全反射鏡14組成；所述的第一柱型凹面反射鏡11、第一柱型凸面反射鏡12、第一光柵13和第一全反射鏡14分別置于各自的四維調整架31、32、33上，所述的第一柱型凹面反射鏡11、第一柱型凸面反射鏡12和第一全反射鏡14均鍍有工作波長的介質增反膜，該第一展寬器的出射光束垂直于所述的第一全反射鏡14的反射平面；所述的第二展寬器2由展寬部分、二階色散微調部分和高階色散微調部分組成所述的展寬部分依次由第二柱型凹面反射鏡21、第二柱型凸面反射鏡22、第二光柵23和第二全反射鏡24組成，所述的第二柱型凹面反射鏡21和第二柱型凸面反射鏡22分別放在各自的五維調整架41、42上，第二光柵23放在四維調整架43上，第二全反射鏡24放在三維調整架44上，所述的第二柱型凹面反射鏡21和第二柱型凸面反射鏡22的中心旋轉軸在同一直線上，所述的第二柱型凹面反射鏡21、第二柱型凸面反射鏡22以及第二全反射鏡24均鍍有工作波長的介質增反膜，；所述的二階色散微調部分由所述的第二柱型凹面反射鏡21和第二柱型凸面反射鏡22的兩個五維調整架41、42組成；所述的高階色散微調部分由平凹透鏡25和雙凸透鏡26組成并置于所述的第二光柵23和第二全反射鏡24之間，該平凹透鏡25放在五維調整架45上，該雙凸透鏡26放在四維調整架46上，所述的平凹透鏡25和雙凸透鏡26的旋轉軸在同一直線上，所有透鏡鍍有工作波長的介質增透膜；所述的第二展寬器的出射光束與所述的平凹透鏡25和雙凸透鏡26共光軸并垂直于第二全反射鏡24的反射平面。
所述第一展寬器1的展寬比固定，調試好后，就不需要再調節。第二展寬器2的展寬比和高階色散是可連續調諧的。
所述的第一柱型凹面反射鏡11的曲率半徑為500～1000cm，第一柱型凸面反射鏡12的曲率半徑為第一柱型凹面反射鏡11曲率半徑的一半，兩者之間的距離為第一柱型凸面反射鏡12的曲率半徑值。第一柱型凹面反射鏡11與第一光柵13之間的距離為第一柱型凹面反射鏡11的曲率半徑值的0.6～0.7倍。
所述的第二柱型凹面反射鏡21的曲率半徑為700～1200cm，第二柱型凸面反射鏡22的曲率半徑為第二柱型凹面反射鏡21曲率半徑的一半，兩者之間的距離為第二柱型凸面反射鏡22的曲率半徑值。第二柱型凹面反射鏡21與第二光柵23之間的距離為第二柱型凹面反射鏡21的曲率半徑值的0.6～0.7倍。
所述的第一光柵13和第二光柵23的光柵刻線為1200線/mm～1800線/mm。
所述的平凹透鏡25的中心厚度為1.1～2.5cm，曲率半徑為25～30cm，透鏡材料為SSK4玻璃；雙凸透鏡26的中心厚度為2.0～3.5cm，第一個面的曲率半徑為30～35cm，第二個面的曲率半徑為41～45cm，透鏡材料為ZF10玻璃。
所述的第二全反射鏡24離雙凸透鏡26的距離為6～10cm。
所述的第一展寬器1中的第一柱型凹面反射鏡(11)、第一柱型凸面反射鏡(12)以及第二展寬器2中的雙凸透鏡26的四維調整架31、32、46具有三維的角度調節和上下的升降調節。
所述的第一光柵13和第二光柵23的四維調整架33、43具有三維的角度調節和上下的升降調節。
所述的第一全反射鏡14和第二全反射24的三維調整架34、44具有二維的角度調節和上下的升降調節。
所述的第二展寬器2中的第二柱型凹面鏡21和第二柱型凸面鏡22的五維調整架41、42具有三維的角度調節、上下的升降調節以及沿X方向的水平調節。
所述的平凹透鏡25的五維調整架45具有三維的角度調節、上下的升降調節以及沿X方向的水平調節。
與其它的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置相比，本實用新型高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置具有以下不同點1、采用兩個獨立的展寬器分兩級對激光脈沖進行展寬，達到大展寬比的目的；2、第一展寬器1的展寬比固定，而第二展寬器2具有連續獨立調節二階色散和高階色散的能力，從而一方面能夠大大降低壓縮器中大口徑光柵的調節難度，將壓縮器的部分或全部調節任務前移，由第二展寬器2的調節來實現，另一方面能夠使整個系統的二階色散和高階色散得到很好的補償，從而獲得高對比度高功率大能量的超短激光脈沖輸出。
本實用新型高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置具體的工作過程是激光脈沖分兩級進行展寬，第一級展寬為種子激光入射到第一展寬器1的第一光柵13上，激光脈沖中的不同波長成分在第一光柵13的衍射面上展開，衍射光線傳播到第一柱型凹面反射鏡11上，經過第一柱型凹面反射鏡11反射后傳播到第一柱型凸面反射鏡12上，再經過第一柱型凸面反射鏡12反射后再次傳播到第一柱型凹面反射鏡11上，由第一柱型凹面反射鏡11反射后傳播到第一光柵13上，經過第一光柵13再次衍射后，經過第一全反射鏡14的反射后，光線沿原光路返回，在入射光線處輸出，到此完成了第一級展寬。
從第一級展寬出來的激光脈沖進入OPA預放大，之后進入第二級展寬。
第二級展寬為從OPA預放大出來的激光脈沖，入射到第二展寬器2的第二光柵23上，激光脈沖中的不同波長成分在第二光柵23的衍射面上展開，衍射光線傳播到第二柱型凹面反射鏡21上，再經過第二柱型凹面反射鏡21反射后傳播到第二柱型凸面反射鏡22上，再經過第二柱型凸面反射鏡22反射后再次傳播到第二柱型凹面反射鏡21上，由第二柱型凹面反射鏡21反射后傳播到第二光柵23上，經過第二光柵23再次衍射后，垂直進入高階色散微調平凹透鏡25和雙凸透鏡26器，經平凹透鏡25和雙凸透鏡26出射的光線經第二全反射鏡24的反射后，沿原路返回，至此完成第二級的展寬。
為了將系統中殘留的二階和高階色散完全補償掉，在設計過程中，要求先讓展寬器和壓縮器的二階和高階色散匹配到最好，從而可以在整個系統的初步調試過程中將系統的二階和高階色散匹配到最佳狀態，剩下微量的殘留二階和高階色散由以下調節機構來完成。原則為先補償二階色散，再補償高階色散。
為了將啁啾脈沖中殘留的二階色散完全補償掉，通過調節第二展寬器2中的五維調整架41、42同時沿X正方向或X負方向移動，從而改變第二展寬器2的“等效”光柵對的距離，即可以使二階色散發生改變，而不會影響其它光路，達到獨立連續調諧二階色散的作用，進而把系統中殘留的二階色散完全補償掉。
為了將啁啾脈沖中殘留的高階色散完全補償掉，通過調節第二展寬器2中的五維調整架45和四維調整架46來實現，讓五維調整架45和四維調整架46作垂直于旋轉軸的相對運動，即相對的上下升降，可以使平凹透鏡25和雙凸透鏡26組成的組合透鏡產生微量的縱向的像差，這部分像差可以用來補償三階色散，而不影響其它的色散，從而達到獨立連續調諧三階色散的作用，進而把系統殘留的三階色散完全補償掉；通過讓五維調整架45沿旋轉軸作相對雙凸透鏡26的運動，即水平移動，可以使平凹透鏡25和雙凸透鏡26組成的組合透鏡產生微量橫向的像差，這部分像差可以用來補償四階色散，而不影響其它的色散，從而達到獨立連續調諧四階色散的作用，進而把系統殘留的四階色散完全補償掉。這樣既達到了大的展寬比，又將各階色散徹底的補償掉了。
實驗表明本實用新型的特點在于實現高功率大能量超短激光脈沖的大展寬比的展寬，激光脈沖寬度從50～200fs展寬到2～5ns；由于第二個展寬器的可連續調諧性，可以大大降低壓縮器中大口徑光柵的調節難度，讓壓縮器中的大部分調節任務由第二個展寬器來實現，甚至可以讓壓縮器第一次調整好后就不再進行調節，完全固定，調節任務全部可由第二個展寬器的調節來實現。
權利要求1.一種高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于由第一展寬器(1)和第二展寬器(2)組成，第一個展寬器(1)放在種子光源之后，其展寬比固定，第二個展寬器(2)放在OPA預放大之后，具有連續調諧二階以及高階色散的功能所述的第一展寬器(1)由第一柱型凹面反射鏡(11)、第一柱型凸面反射鏡(12)、第一光柵(13)和第一全反射鏡(14)組成；所述的第一柱型凹面反射鏡(11)、第一柱型凸面反射鏡(12)、第一光柵(13)和第一全反射鏡(14)分別置于各自的調整架上，所述的第一柱型凹面反射鏡(11)、第一柱型凸面反射鏡(12)和第一全反射鏡(14)均鍍有工作波長的介質增反膜，該第一展寬器的出射光束垂直于所述的第一全反射鏡(14)的反射平面；所述的第二展寬器(2)由展寬部分、二階色散微調部分和高階色散微調部分組成所述的展寬部分依次由第二柱型凹面反射鏡(21)、第二柱型凸面反射鏡(22)、第二光柵(23)和第二全反射鏡(24)組成，所述的第二柱型凹面反射鏡(21)和第二柱型凸面反射鏡(22)分別放在各自的五維調整架(41、42)上，第二光柵(23)放在四維調整架(43)上，第二全反射鏡(24)放在三維調整架(44)上，所述的第二柱型凹面反射鏡(21)和第二柱型凸面反射鏡(22)的中心旋轉軸在同一直線上，所述的第二柱型凹面反射鏡(21)、第二柱型凸面反射鏡(22)以及第二全反射鏡(24)均鍍有工作波長的介質增反膜，；所述的二階色散微調部分由所述的第二柱型凹面反射鏡(21)和第二柱型凸面反射鏡(22)的兩個五維調整架(41、42)組成；所述的高階色散微調部分由平凹透鏡(25)和雙凸透鏡(26)組成并置于所述的第二光柵(23)和第二全反射鏡(24)之間，該平凹透鏡(25)放在五維調整架(45)上，該雙凸透鏡(26)放在四維調整架(46)上，所述的平凹透鏡(25)和雙凸透鏡(26)的旋轉軸在同一直線上，所有透鏡鍍有工作波長的介質增透膜；所述的第二展寬器的出射光束與所述的平凹透鏡(25)和雙凸透鏡(26)共光軸并垂直于第二全反射鏡(24)的反射平面。
2.根據權利要求1所述的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于所述第一展寬器(1)的展寬比固定，所述的第二展寬器(2)的展寬比和高階色散是可連續調諧的。
3.根據權利要求1所述的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于所述的第一柱型凸面反射鏡(12)的曲率半徑為第一柱型凹面反射鏡(11)曲率半徑的一半，兩者之間的距離為第一柱型凸面反射鏡(12)的曲率半徑值，第一柱型凹面反射鏡(11)與第一光柵(13)之間的距離為第一柱型凹面反射鏡(11)的曲率半徑值的0.6～0.7倍。
4.根據權利要求1所述的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于所述的第二柱型凸面反射鏡(22)的曲率半徑為第二柱型凹面反射鏡(21)曲率半徑的一半，兩者之間的距離為第二柱型凸面反射鏡(22)的曲率半徑值，第二柱型凹面反射鏡(21)與第二光柵(2 3)之間的距離為第二柱型凹面反射鏡(21)的曲率半徑值的0.6～0.7倍。
5.根據權利要求1所述的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于所述的第一光柵(13)和第二光柵(23)的光柵刻線為1200線/mm～1800線/mm。
6.根據權利要求1至5任一項所述的高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置，其特征在于所述的平凹透鏡(25)的中心厚度為1.1～2.5cm，曲率半徑為25～30cm，透鏡材料為SSK4玻璃；雙凸透鏡(26)的中心厚度為2.0～3.5cm，第一個面的曲率半徑為30～35cm，第二個面的曲率半徑為41～45cm，透鏡材料為ZF10玻璃。
專利摘要一種高功率大能量超短激光脈沖展寬裝置及其調節方法，該脈沖展寬裝置由兩個展寬器組成，第一個展寬器放在種子激光之后，展寬比固定。第二個展寬器放在OPA預放大之后，不僅可以對二階色散進行連續調諧，還可以對三階和四階色散進行連續調諧。本實用新型的特點在于實現高功率大能量超短激光脈沖的大展寬比的展寬，激光脈沖寬度從50～200fs展寬到2～5ns；同時由于第二個展寬器的可連續調諧性，可以大大降低壓縮器中大口徑光柵的調節難度，讓壓縮器中的大部分調節任務由第二個展寬器來實現，甚至可以讓壓縮器第一次調整好后就不再進行調節，完全固定，調節任務全部由第二個展寬器的調節來實現。
文檔編號H01S3/10GK2922216SQ200620043909
公開日2007年7月11日 申請日期2006年7月14日 優先權日2006年7月14日
發明者楊慶偉, 郭愛林, 謝興龍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所