一种超短脉冲宽度多程压缩系统及方法与流程

1.本发明属于高功率超短脉冲放大和色散管理技术领域，具体地说涉及一种超短脉冲宽度多程压缩系统及方法。


背景技术：

2.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压缩至几百ps甚至ns(纳秒)，压缩后越宽，系统的输出能力越大。压缩器一般采用可调节光栅对或者棱镜，这种类型器件的压缩量与器件中光程成正比。若要压缩至1ns，器件长度需要接近2米，占用空间极大，而且稳定性低，主要应用于实验室稳定平台中，限制了商用超短脉冲激光器的发展。
3.目前，存在一种体积很小、光路调节方便，但脉冲压缩量不可调的压缩器——体布拉格光栅(vbg)，但是受限于材料和制备工艺，vbg的压缩量最大只有500ps，无法提供更大脉冲压缩量，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，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，限制了光斑口径，如图2所示，vbg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，甚至更小为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，vbg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，光斑大小被限制到1*1mm，因此，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、色散量限制了压缩量，vbg的色散量一般为500ps，同时，目前主要采用单程斜入射，因此，压缩量只有500ps，限制了系统输出。


技术实现要素：

4.针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种超短脉冲宽度多程压缩系统及方法，既能实现体布拉格光栅中光路同轴输入及输出，又能提升色散量以及压缩量。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种超短脉冲宽度多程压缩系统，包括：
7.偏振分量调控单元，其对种子源输出的激光进行偏振态分量调控；
8.偏振调控单元，其对激光的偏振态进行调控；
9.以及偏振反射单元，其对激光的传输方向进行调控，促使激光相对于体布拉格光栅垂直且同轴的多次的输入和输出。
10.本技术方案进一步设置为，所述偏振分量调控单元包括第一二分之一波片以及第二二分之一波片，激光的偏振方向与第一二分之一波片的晶轴夹角、第二二分之一波片的晶轴夹角均可调。
11.本技术方案进一步设置为，所述偏振调控单元包括法拉第转子以及四分之一波片，所述法拉第转子位于第一二分之一波片与第二二分之一波片之间，所述四分之一波片对应体布拉格光栅设置。
12.本技术方案进一步设置为，四分之一波片的晶轴与激光的偏振方向之间的夹角可调，促使经过四分之一波片的激光的偏振态在p偏振/圆偏振/s偏振之间变换。
13.本技术方案进一步设置为，所述偏振反射单元包括第一偏振分光棱镜以及第二偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜位于第一二分之一波片与法拉第转子之间，所述第二偏振分光棱镜位于第二二分之一波片与四分之一波片之间，第二偏振分光棱镜的反射光经四分之一波片入射至体布拉格光栅。
14.本技术方案进一步设置为，还包括反射镜，所述反射镜、所述四分之一波片位于所述第二偏振分光棱镜的相对侧。
15.本技术方案进一步设置为，所述反射镜为0
°
高反射率反射镜。
16.另，本发明还提供一种超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法，包括如下步骤：
17.种子源输出的激光传输至偏振分量调控单元，旋转偏振分量调控单元，调控激光的偏振态分量；
18.偏振调控单元以及偏振反射单元共同作用对激光进行偏振态和传输方向调控，促使激光相对于体布拉格光栅垂直且同轴的输入和输出，实现激光在体布拉格光栅的多程脉冲压缩；
19.完成多程脉冲压缩的激光经偏振调控单元以及偏振反射单元输出。
20.本技术方案进一步设置为，种子源输出的激光传输至第一二分之一波片，旋转第一二分之一波片，调控激光的偏振态分量。
21.本技术方案进一步设置为，偏振态分量调控后的激光依次传输至第一偏振分光棱镜、法拉第转子以及第二二分之一波片，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜反射至四分之一波片并经四分之一波片调控为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至输出体布拉格光栅，完成一程以及二程脉冲压缩；
22.由体布拉格光栅输出的圆偏振光传输至四分之一波片，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜透射至反射镜并再次传输至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜透射至四分之一波片并经四分之一波片调控为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至输出体布拉格光栅，完成三程以及四程脉冲压缩。
23.本技术方案进一步设置为，完成四程脉冲压缩的激光经过四分之一波片，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜反射并依次传输至第二二分之一波片、法拉第转子，并经第一偏振分光棱镜反射输出。
24.本发明的有益效果是：
25.1、通过调控激光的偏振态，使激光多次经过体布拉格光栅，实现了激光在体布拉格光栅的多程脉冲压缩。
26.2、体布拉格光栅的入射光束与出射光束均是垂直进出，光程差可控，色散调控精度高。
27.3、体布拉格光栅的入射光束与出射光束同轴，增大了光斑口径，提高了体布拉格光栅的损伤阈值，不易被损坏。
28.4、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。
29.5、只用一个体布拉格光栅就可完成多程脉冲压缩，相比于常规的光栅对压缩方案，占用空间少，提升了输出效率。
附图说明
30.图1是现有技术中体布拉格光栅的光路示意图；
31.图2是现有技术中体布拉格光栅与激光光斑的示意图；
32.图3是本发明中超短脉冲宽度多程压缩系统的示意图；
33.图4是本发明中超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法的示意图。
34.附图中：1-种子源、2-第一二分之一波片、3-第一偏振分光棱镜、4-法拉第转子、5-第二偏振分光棱镜、6-四分之一波片、7-体布拉格光栅、8-反射镜、9-第二二分之一波片。
具体实施方式
35.为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本技术保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
36.实施例一：
37.如图3所示，一种超短脉冲宽度多程压缩系统，包括：
38.偏振分量调控单元，其对种子源1输出的激光进行偏振态分量调控；
39.偏振调控单元，其对激光的偏振态进行调控；
40.以及偏振反射单元，其对激光的传输方向进行调控，促使激光相对于体布拉格光栅7垂直且同轴的多次的输入和输出。
41.本技术方案进一步设置为，所述偏振分量调控单元包括第一二分之一波片2以及第二二分之一波片9，激光的偏振方向与第一二分之一波片2的晶轴夹角、第二二分之一波片9的晶轴夹角均可调。
42.值得说明的是，第一二分之一波片2通过旋转角度的调整实现对激光的偏振态分量调控，使入射的激光最低损耗穿过后续的光学元件，第一二分之一波片2的旋转角度准确度决定了整个系统的损耗大小。
43.本技术方案进一步设置为，所述偏振调控单元包括法拉第转子4以及四分之一波片6，所述法拉第转子4位于第一二分之一波片2与第二二分之一波片9之间，所述四分之一波片6对应体布拉格光栅7设置。
44.值得说明的是，所述法拉第转子4是对激光的偏振态进行调控，使偏振旋转45
°
，配合第二二分之一波片9的旋转使激光的偏振态旋转90
°
，也就是说，第二二分之一波片9通过旋转角度的调整实现对激光的偏振态分量调控，第二二分之一波片9的旋转角度准确度同样决定了系统损耗大小。
45.本技术方案进一步设置为，四分之一波片6的晶轴与激光的偏振方向之间的夹角
可调，促使经过四分之一波片6的激光的偏振态在p偏振/圆偏振/s偏振之间变换。
46.值得说明的是，四分之一波片6用于对体布拉格光栅7的输入及输出光进行偏振态调控，通过旋转四分之一波片6的角度，使其晶轴与激光的偏振方向成一定角度，从而使激光的偏振态在p偏振/圆偏振/s偏振之间变换。
47.本技术方案进一步设置为，所述偏振反射单元包括第一偏振分光棱镜3以及第二偏振分光棱镜5，所述第一偏振分光棱镜3位于第一二分之一波片2与法拉第转子4之间，所述第二偏振分光棱镜5位于第二二分之一波片9与四分之一波片6之间，第二偏振分光棱镜5的反射光经四分之一波片6入射至体布拉格光栅7。
48.值得说明的是，第一偏振分光棱镜3以及第二偏振分光棱镜5结构相同，均由一对高精度直角棱镜连接而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。第一偏振分光棱镜3以及第二偏振分光棱镜5可以将入射的非偏振光分成两束垂直的线偏振光，其中，p偏振光完全通过，而s偏振光以45度角被反射，最终s偏振光的出射方向与p偏振光成90度角。
49.在其他一些实施例中，第一偏振分光棱镜3以及第二偏振分光棱镜5还可以替换为尼科尔棱镜、格兰-汤普森棱镜等分束棱镜。
50.本技术方案进一步设置为，还包括反射镜8，所述反射镜8、所述四分之一波片6位于所述第二偏振分光棱镜5的相对侧。
51.优选的，所述反射镜8为0
°
高反射率反射镜，0
°
高反射率反射镜用于将入射的光束进行反射，其反射率高达99.99％，且与光束的偏振态无关。
52.在其他一些实施例中，该0
°
高反射率反射镜还可以替换为其他具有高反射功能的光学元件。
53.实施例二：
54.如图3以及图4所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
55.一种超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法，包括如下步骤：
56.s100、种子源1输出的激光传输至偏振分量调控单元，旋转偏振分量调控单元，调控激光的偏振态分量；
57.s200、激光传输至偏振调控单元以及偏振反射单元，偏振调控单元以及偏振反射单元共同作用对激光进行偏振态和传输方向调控，促使激光相对于体布拉格光栅7垂直且同轴的输入和输出，实现激光在体布拉格光栅7的多程脉冲压缩；
58.s300、完成多程脉冲压缩的激光经偏振调控单元以及偏振反射单元输出。
59.具体的，s100中，种子源1输出的激光传输至第一二分之一波片2，旋转第一二分之一波片2，调控激光的偏振态分量。
60.具体的，s200中，偏振态分量调控后的激光依次传输至第一偏振分光棱镜3、法拉第转子4以及第二二分之一波片9，法拉第转子4配合第二二分之一波片9的旋转使激光的偏振态旋转90
°
，此时，激光偏振态发生改变(由p偏振光转换为s偏振光)，s偏振光经第二偏振分光棱镜5反射至四分之一波片6并经四分之一波片6调控为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至输出体布拉格光栅7，完成一程以及二程脉冲压缩。
61.由体布拉格光栅7输出的圆偏振光传输至四分之一波片6，激光偏振态发生改变(由圆偏振光转换为p偏振光)，p偏振光经第二偏振分光棱镜5透射至反射镜8并再次传输至第二偏振分光棱镜5。
62.值得说明的是，第二偏振分光棱镜5将偏转了90度的入射光以与入射光成0度的方向反射输出，使输出光垂直入射反射镜8后以原有偏振态垂直同轴反射，反射输出光重新进入第二偏振分光棱镜5，由于偏振态未发生改变，反射输出光同样以与入射光成平行的方向输出，从而实现对第一次(完成二程)脉冲压缩后的激光的原路返回。
63.经第二偏振分光棱镜5透射至四分之一波片6并经四分之一波片6调控为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至输出体布拉格光栅7，完成三程以及四程脉冲压缩。
64.值得说明的是，透射过第二偏振分光棱镜5的p偏振光垂直进入四分之一波片6，此时，p偏振光变换为圆偏振光。圆偏振光垂直入射至体布拉格光栅7进行第二次(三程以及四程)脉冲压缩，压缩后的圆偏振光再次从体布拉格光栅7原路反射输出。
65.具体的，s300中，完成四程脉冲压缩的激光经过四分之一波片6，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜5反射并依次传输至第二二分之一波片6、法拉第转子4，并经第一偏振分光棱镜3反射输出。
66.值得说明的是，经过体布拉格光栅7反射的圆偏振光经过四分之一波片6，同时，光束的圆偏振态变化为s偏振态，之后，s偏振光垂直入射第二偏振分光棱镜5后将全部从第二偏振分光棱镜5反射输出，然后，s偏振光依次传输至第二二分之一波片6、法拉第转子4，激光偏振态不发生改变，s偏振光经第一偏振分光棱镜3反射输出，最终得到经过两次(四程)脉冲压缩后的输出光。
67.以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本技术范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

技术特征：
1.一种超短脉冲宽度多程压缩系统，其特征在于，包括：偏振分量调控单元，其对种子源输出的激光进行偏振态分量调控；偏振调控单元，其对激光的偏振态进行调控；以及偏振反射单元，其对激光的传输方向进行调控，促使激光相对于体布拉格光栅垂直且同轴的多次的输入和输出。2.根据权利要求1所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统，其特征在于，所述偏振分量调控单元包括第一二分之一波片以及第二二分之一波片，激光的偏振方向与第一二分之一波片的晶轴夹角、第二二分之一波片的晶轴夹角均可调。3.根据权利要求2所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统，其特征在于，所述偏振调控单元包括法拉第转子以及四分之一波片，所述法拉第转子位于第一二分之一波片与第二二分之一波片之间，所述四分之一波片对应体布拉格光栅设置。4.根据权利要求3所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统，其特征在于，四分之一波片的晶轴与激光的偏振方向之间的夹角可调，促使经过四分之一波片的激光的偏振态在p偏振/圆偏振/s偏振之间变换。5.根据权利要求3或4所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统，其特征在于，所述偏振反射单元包括第一偏振分光棱镜以及第二偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜位于第一二分之一波片与法拉第转子之间，所述第二偏振分光棱镜位于第二二分之一波片与四分之一波片之间，第二偏振分光棱镜的反射光经四分之一波片入射至体布拉格光栅。6.根据权利要求5所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜、所述四分之一波片位于所述第二偏振分光棱镜的相对侧。7.一种采用如权利要求6所述的超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：种子源输出的激光传输至偏振分量调控单元，旋转偏振分量调控单元，调控激光的偏振态分量；偏振调控单元以及偏振反射单元共同作用对激光进行偏振态和传输方向调控，促使激光相对于体布拉格光栅垂直且同轴的输入和输出，实现激光在体布拉格光栅的多程脉冲压缩；完成多程脉冲压缩的激光经偏振调控单元以及偏振反射单元输出。8.根据权利要求7所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法，其特征在于，种子源输出的激光传输至第一二分之一波片，旋转第一二分之一波片，调控激光的偏振态分量。9.根据权利要求7所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法，其特征在于，偏振态分量调控后的激光依次传输至第一偏振分光棱镜、法拉第转子以及第二二分之一波片，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜反射至四分之一波片并经四分之一波片调控为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至输出体布拉格光栅，完成一程以及二程脉冲压缩；由体布拉格光栅输出的圆偏振光传输至四分之一波片，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜透射至反射镜并再次传输至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜透射至四分之一波片并经四分之一波片调控为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至输出体布拉格光栅，完成三程以及四程脉冲压缩。
10.根据权利要求9所述的一种超短脉冲宽度多程压缩系统的使用方法，其特征在于，完成四程脉冲压缩的激光经过四分之一波片，激光偏振态发生改变，经第二偏振分光棱镜反射并依次传输至第二二分之一波片、法拉第转子，并经第一偏振分光棱镜反射输出。

技术总结
本发明涉及一种超短脉冲宽度多程压缩系统及方法，属于高功率超短脉冲放大和色散管理技术领域，系统包括偏振分量调控单元、偏振调控单元以及偏振反射单元，偏振分量调控单元对种子源输出的激光进行偏振态分量调控，偏振调控单元对激光的偏振态进行调控，偏振反射单元对激光的传输方向进行调控，促使激光相对于体布拉格光栅垂直且同轴的多次的输入和输出，本发明通过调控激光的偏振态，使激光相对于体布拉格光栅垂直且同轴的多次的输入和输出，提升色散量以及压缩量。色散量以及压缩量。色散量以及压缩量。


技术研发人员：向祥军 李剑彬 张帆 蒋学君 郑钧文 康民强 张锐 田小程 周丹丹 黄醒 董一方 范孟秋
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/12