多級超短脈沖激光分步壓縮系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于光學領域，具體涉及一種多級超短脈沖激光分步壓縮系統。該系統包括超短激光脈沖發射器、一級壓縮裝置以及二級壓縮裝置；一級壓縮裝置包括沿超短激光脈沖發射器出射光路依次設置的脈沖展寬器、預放大器、色散量補償元件、第一準直透鏡、一級體啁啾光柵；二級壓縮裝置包括沿一級壓縮裝置衍射光路依次設置的聚焦透鏡、主放大器、第二準直透鏡以及二級體啁啾光柵；該系統利用多塊體光柵實現了對任意展寬量的激光脈沖進行分步壓縮，同時大大減小最終輸出高能激光的壓縮損耗量的多級超短脈沖激光分步壓縮系統。
【專利說明】多級超短脈沖激光分步壓縮系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學領域，具體涉及一種多級超短脈沖激光分步壓縮系統。
【背景技術】
[0002]超短脈沖高能激光一般由多級激光放大器結合啁啾脈沖放大技術來獲得。這種啁啾脈沖放大技術路線包括了激光脈沖的產生，脈沖的展寬，脈沖能量放大和脈沖的壓縮，其中脈沖放大這一環節包括多個放大分支，這些分支串行分步于這個技術路線的各個環節，起到對激光脈沖逐級逐漸放大的作用。而路線中的展寬環節和最后的壓縮環節是前后呼應的兩套裝置，前者實現對脈沖在時間上的拉伸，產生長脈沖；后者提供相反的功能，將長脈沖在時域壓縮至最短的狀態。
[0003]在脈沖的展寬和壓縮階段，需要具有較大色散量的衍射光學元件。啁啾脈沖放大系統目前普遍采取的做法是采用衍射光柵對或啁啾光纖光柵作為脈沖展寬器，這種色散管理元件利用對不同波長的光場的衍射角度或衍射先后次序的不同等特征來實現脈沖不同波長在時間上的延遲。與之對應的脈沖壓縮器由于要承受放大后的高能激光，無法再采用光纖結構的光柵來實現，傳統的做法是采用反射式衍射光柵或透射式衍射光柵來對激光束進行空間上的延遲，實現色散補償。但是這種多個元器件組成的空間光路結構對光束入射角敏感、對振動敏感，且調節過程十分不易，因而不是一種適合工業界復雜環境使用的脈沖壓縮裝置。近年來發展起來了體啁啾光柵這種衍射光學元件，它是一種固體透明器件，可以有較大的通光孔徑接受高能激光，同時具有色散補償功能，且使用方法簡單，容易裝調。
[0004]體啁啾光柵是固定色散量的器件，其能夠提供的脈沖壓縮量在光柵生產出來后就固定不變了，且體光柵目前所能提供的時間展寬(壓縮)量有限，一般不超過500ps，所以對于較寬的展寬脈沖(> 500ps)，須使用多個體光柵對其進行壓縮。然而每個體光柵對入射到其中的光都有一定的衍射損耗和材料吸收損耗(損耗共計約40%)，倘若使用多個體光柵，壓縮器總體的損耗會隨著體光柵數量的增加而翻倍增加，這就大大降低了激光系統的整體效率。
【發明內容】
[0005]為了解決【背景技術】中的缺陷，本發明提出了一種利用多塊體光柵實現了對任意展寬量的激光脈沖進行分步壓縮，同時大大減小最終輸出高能激光的壓縮損耗量的多級超短脈沖激光分步壓縮系統。
[0006]本發明的具體技術方案是:
[0007]一種多級超短脈沖激光分步壓縮系統，其特征在于:包括超短激光脈沖發射器、一級壓縮裝置以及二級壓縮裝置；所述一級壓縮裝置設置在超短激光脈沖發射器的出射光路上；所述二級壓縮裝置設置在一級壓縮裝置的衍射光路上；所述超短激光脈沖發射器的出射光路和一級壓縮裝置的衍射光路之間的夾角為θ ； Θ的取值范圍是0° < Θ <6° ；
[0008]所述一級壓縮裝置包括沿超短激光脈沖發射器出射光路依次設置的脈沖展寬器、預放大器、色散量補償元件、第一準直透鏡、一級體啁啾光柵；
[0009]所述二級壓縮裝置包括沿一級壓縮裝置衍射光路依次設置的聚焦透鏡、主放大器、第二準直透鏡以及二級體啁啾光柵。
[0010]上述脈沖展寬器是由啁啾光纖光柵和光環形器組成，所述光環形器設置有三個端口分別與啁啾光纖光柵、超短激光脈沖發射器以及預放大器連接。
[0011]上述預放大器包括一級放大器、二級放大器以及連接一級放大器和二級放大器的色散量補償元件。
[0012]上述一級放大器為單模光纖放大器；所述二級放大器是由泵浦合束器和雙包層摻鐿光纖組成。
[0013]上述色散量補償元件為石英光纖。
[0014]本發明的優點在于:
[0015]1、本發明采用多個體啁啾光柵分級對激光脈沖進行壓縮，大大減少了最終輸出高能激光的壓縮損耗量。
[0016]2、本發明中預放大器采用兩級光纖放大器，確保了系統能輸出激光脈沖的能量。
[0017]3、本發明采用色散量補償元件，確保了系統的脈沖展寬量和壓縮量完全匹配。
[0018]4、本發明中經過體啁啾光柵的入射光路和出射光路之間的夾角為0°?6°之間，確保了啁啾光柵衍射出來的光束以不同于入射光路的方向輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的系統結構示意圖。
圖2采用兩級體光柵分步壓縮后的激光脈沖自相關曲線波形圖。
[0020]附圖標記如下:
[0021]1-超短激光發射器、2-脈沖展寬器、3-啁啾光纖光柵、4-光環形器、5- —級放大器、6-色散量補償元件、7- 二級放大器、8- —級體啁啾光柵、9-聚焦透鏡、10-第一準直透鏡、11-主放大器、12-第二準直透鏡、13- 二級體啁啾光柵。
【具體實施方式】
[0022]本發明提出了一種基于體啁啾光柵的高效、高集成度的超短脈沖激光分步壓縮系統的搭建，驗證了多塊體啁啾光柵實現對任意脈寬的展寬脈沖進行高效壓縮。
[0023]以下對本發明進行詳細描述:
[0024]一種多級超短脈沖激光分步壓縮系統，包括超短激光脈沖發射器1、一級壓縮裝置14以及二級壓縮裝置15 ;其中，一級壓縮裝置14設置在超短激光脈沖發射器I的出射光路上；其中，二級壓縮裝置15設置在一級壓縮裝置14的衍射光路上；超短激光脈沖發射器I的出射光路和一級壓縮裝置14的衍射光路之間的夾角為θ ； Θ的取值范圍是0° < Θ< 6° ;
[0025]進一步說，一級壓縮裝置14包括沿超短激光脈沖發射器I出射光路依次設置的脈沖展寬器2、預放大器、色散量補償元件6、第一準直透鏡10、一級體啁啾光柵8 ；
[0026]進一步說，二級壓縮裝置15包括沿一級壓縮裝置14衍射光路依次設置的聚焦透鏡9、主放大器11、第二準直透鏡12以及二級體啁啾光柵13。[0027]其中，脈沖展寬器2是由啁啾光纖光柵3和光環形器4組成，光環形器4設置有三個端口分別與啁啾光纖光柵3、超短激光脈沖發射器I以及預放大器連接。
[0028]預放大器包括一級放大器5、二級放大器7以及連接一級放大器5和二級放大器7的色散量補償元件6。
[0029]進一步說，上述的一級放大器5為單模光纖放大器；二級放大器7是由泵浦合束器和雙包層摻鐿光纖組成；色散量補償兀件6為石英光纖；
[0030]發明人提供了如附圖1所示的多級超短脈沖激光分步壓縮系統，該系統中超短激光脈沖發射器I采用鎖模光纖激光器，主放大器11采用Yb =YAG固體激光放大模塊；通過該系統進行了以下試驗:
[0031]該系統的原始脈沖由鎖模光纖激光器產生，這種鎖模光纖激光器為全光纖結構，從輸出端尾纖輸出的激光重復頻率50MHz，脈寬約400fs，中心波長1053nm，平均功率lmw。發射出的激光脈沖直接通過光纖熔接的方式被輸送到脈沖展寬器。
[0032]脈沖展寬器2是由啁啾光纖光柵3和光環形器4組成，啁啾光纖光柵3為反射式光柵，與光環形器4熔接在一起使用，光環形器4有三個端口，A端連接超短激光脈沖發射器1(鎖模光纖激光器)的端口，接收來自超短激光脈沖發射器I (鎖模光纖激光器)的光信號端為連接啁啾光纖光柵3的端口，接收來自啁啾光纖光柵3的反射光；C端為反射光輸出端，也就是將展寬后的脈沖輸出。經過展寬后的光脈沖寬度達到約700ps，但能量較低，要經過光纖放大器進行能量的提升。因此，在本系統中采用了預放大器對脈沖的能量進行放大；
[0033]為了確保輸出的脈沖能量滿足使用要求，該系統中的預放大器包括兩級放大器；一級放大器5是單模光纖放大器，由波分復用器和摻鐿單模光纖組成；二級放大器7是由泵浦合束器和雙包層摻鐿光纖組成；
[0034]脈沖展寬器2和一級放大器5之間、一級放大器5和二級放大器7之間、二級放大器7和第一準直透鏡10之間均通過色散量補償元件6 (石英光纖)連接，石英光纖在該處使用不僅可以對激光脈沖進行展寬，同時也可以通過調整石英光纖的長度對激光脈沖的色散量進行調節。
[0035]以上兩級光纖放大器構成系統的預放大器，在數瓦的泵浦功率下，預放大器輸出平均光功率達到數百毫瓦。預放大后的激光通過第一準直透鏡10，準直光斑直徑約3_，入射到一級體啁啾光柵8的入射面，該入射面的法線與入射光束的夾角約0°?3°，使得經一級體啁啾光柵8衍射出來的光束以不同于入射光光路的方向輸出。使用中通過自相關儀檢測經過一級體啁啾光柵8壓縮后的光脈沖的寬度約為450ps，即壓縮了約250ps。預壓縮后的脈沖剩余能量60%，滿足后繼放大器對信號光強度的要求。
[0036]之后，寬度為450ps脈沖經由焦距50mm的聚焦透鏡9耦合入Yb = YAG固體激光放大模塊，該模塊作為系統的主放大器11，將初次壓縮后能量略微減小的脈沖能量放大至實驗預期值，約70微焦。該放大激光脈沖經過40mm焦距的第二準直透鏡12后按照如一級體啁啾光柵8同樣的角度入射到二級體啁啾光柵13中，壓縮器輸出的光能量測得為42微焦，壓縮效率60%，壓縮脈沖寬度經過裁剪系統前端展寬石英光纖長度至142米，測得壓縮后脈沖自相關曲線如圖2，擬合得到脈寬500fs。
[0037]基于圖2中得到的結果充分驗證了采用了本系統中多塊體啁啾光柵、多級放大器和色散量補償元件組合的結構特點，可以實現對任意脈寬的展寬脈沖的高效壓縮。
【權利要求】
1.一種多級超短脈沖激光分步壓縮系統，其特征在于:包括超短激光脈沖發射器、一級壓縮裝置以及二級壓縮裝置；所述一級壓縮裝置設置在超短激光脈沖發射器的出射光路上；所述二級壓縮裝置設置在一級壓縮裝置的衍射光路上；所述超短激光脈沖發射器的出射光路和一級壓縮裝置的衍射光路之間的夾角為θ ； Θ的取值范圍是0° < Θ <6° ； 所述一級壓縮裝置包括沿超短激光脈沖發射器出射光路依次設置的脈沖展寬器、預放大器、色散量補償元件、第一準直透鏡、一級體啁啾光柵； 所述二級壓縮裝置包括沿一級壓縮裝置衍射光路依次設置的聚焦透鏡、主放大器、第二準直透鏡以及二級體啁啾光柵。
2.根據權利要求1所述的多級超短脈沖激光分步壓縮系統，其特征在于:所述脈沖展寬器是由啁啾光纖光柵和光環形器組成，所述光環形器設置有三個端口分別與啁啾光纖光柵、超短激光脈沖發射器以及預放大器連接。
3.根據權利要求1所述的多級超短脈沖激光分步壓縮系統，其特征在于:所述預放大器包括一級放大器、二級放大器以及連接一級放大器和二級放大器的色散量補償元件。
4.根據權利要求3所述的多級超短脈沖激光分步壓縮系統，其特征在于:所述一級放大器為單模光纖放大器；所述二級放大器是由泵浦合束器和雙包層摻鐿光纖組成。
5.根據權利要求1-4任一權利要求所述的多級超短脈沖激光分步壓縮系統，其特征在于:所述色散量補償元件為石英光纖。
【文檔編號】H01S3/091GK103779780SQ201310745794
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】楊直, 張挺, 王屹山, 李峰, 楊小君, 趙衛 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所