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1、(10)申请公布号 CN 102360147 A (43)申请公布日 2012.02.22 CN 102360147 A *CN102360147A* (21)申请号 201110298062.1 (22)申请日 2011.09.28 G02F 1/35(2006.01) G02B 5/18(2006.01) G02B 5/10(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海光学精密机械研究 所 地址 201800 上海市嘉定区 800 211 邮政 信箱 (72)发明人 贾伟 周常河 (74)专利代理机构 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人 张泽纯 (54) 发明名称 基于深刻蚀。
2、透射式石英光栅的啁啾控制装置 (57) 摘要 一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制 装置， 包括一对平行放置的高密度、 深刻蚀、 透射 式熔融石英光栅对和一块二次非球面反射镜， 所 述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为 750nm， 刻 蚀深度为1900nm， 占空比为0.6。 本发明结构通过 引入较强的空间啁啾， 可以使光栅表面承载的激 光功率密度大幅降低， 同时可以保证在凹面反射 镜焦点处获得超高能量超短脉冲的激光光场。本 发明用于啁啾控制具有结构简单、 高的激光破坏 阈值、 光谱范围宽 (100 纳米 ) 和衍射效率高等优 点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局。
3、 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 CN 102360164 A1/1 页 2 1. 一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置， 特征在于其构成包括一对平行放 置的深刻蚀透射式石英光栅 (2、 3) 和一块凹面反射镜 (5)， 所述的深刻蚀透射式石英光栅 的周期为 750nm， 刻蚀深度为 1900nm， 占空比为 0.6。 2. 根据权利要求 1 所述的基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置， 其特征在于所 述的凹面反射镜 (5) 为离轴抛物面反射镜。 权 利 要 求 书 CN 102360147 A CN 102360164 A1/5 页 3 基于深。
4、刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置 技术领域 0001 本发明涉及啁啾控制装置， 特别是一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装 置。 技术背景 0002 超短超强激光脉冲具有峰值功率高， 持续时间短等优点， 因此在物理、 生物、 化学 以及微制造和微加工方面有广泛的应用。特别是具有超高能量的超短脉冲， 由于时间非常 短， 功率可以达到 10 拍瓦量级 (1pw 1015w)， 这种激光系统可以为人类提供前所未有的全 新手段和极端物理条件， 因此可以用来开展许多具有重要科学和实际意义的研究， 如快点 火驱动惯性约束聚变工程等。为了获得超高能量和超短脉冲， 通常采取的措施是利用展宽 器使飞秒脉冲携。
5、带足够大的线性啁啾， 从而将脉冲宽度展宽到纳秒 (10-9s) 量级， 然后通过 再生放大系统和一系列高能放大器， 从中获得超大能量， 最后经过压缩装置补偿线性啁啾 并压缩至飞秒(10-15s)量级， 实现超高功率激光输出。 这种方法称为光学参量啁啾脉冲放大 技术 (OPCPA)， 基于在先技术 D.Strickland and G.Mourou，“Compression of amplified chirped optical pulses， ” Opt.Commun.56， 219-221(1985)， 是目前普遍采用的获得大功 率超短激光脉冲的手段， 也是实现拍瓦甚至艾瓦(1ew1018。
6、w)量级飞秒激光脉冲输出的重 要技术。 0003 在拍瓦超高功率激光系统中， 极高的激光能量密度对元器件的抗激光破坏能力提 出了非常高的要求， 因此大大增加了设计和加工器件的难度。特别是对最终实现脉冲时域 压缩， 并输出 10 拍瓦量级飞秒激光的光栅对装置， 由于脉冲激光携带的时域啁啾和空间啁 啾得到补偿， 脉冲宽度大幅压缩， 因此所采用的光栅器件必须具有极高的激光破坏阈值。 同 时， 压缩光栅还必须具有宽光谱高效率的特性， 以支持飞秒量级的脉冲输出。 考虑到以上两 点， 如何在拍瓦激光系统中应用基于反射式光栅对的脉冲压缩装置将面临着极大的挑战。 0004 目前普遍采用对称结构的四光栅压缩装置。
7、， 它可以获得接近傅里叶变换极限的飞 秒脉冲输出， 首先利用第一组光栅对引入二阶群速度色散 (group velocity dispersion， GVD)， 实现输入长脉冲时域啁啾的部分补偿， 但同时会产生一定的空间光谱走离并形成空 间啁啾， 然后利用第二组对称的光栅对补偿空间啁啾和剩余的时域啁啾， 最终得到超高功 率的超短飞秒激光压缩脉冲输出， 并通过反射式凹面镜聚焦获得超高能量密度的激光场。 在这种脉冲压缩装置中， 由于光束在到达最后一块光栅时空间啁啾和时域啁啾都被完全补 偿， 在光束截面中的所有位置上都形成完美的飞秒脉冲， 因此最后这块光栅的每一处都将 承受超强的激光功率， 这是传统压。
8、缩装置面临的最大挑战。 0005 事实上， 对于超高功率激光系统应用在需要聚焦的领域， 如激光聚变工程， 其主要 目标是在反应靶上实现超高能量密度的光场， 而对激光在传输到反应靶之前的能量分布以 及时域特性没有特别的要求。这就有可能为我们提供一种较容易实现的脉冲压缩技术， 在 保证宽光谱高效率衍射的前提下， 降低对光栅激光破坏阈值的要求。和传统的脉冲压缩装 置不同， 这种技术不需要把第一组光栅对产生的空间光谱啁啾进行补偿， 相反， 通过增大空 说 明 书 CN 102360147 A CN 102360164 A2/5 页 4 间啁啾量可以降低光谱在光束横截面内的叠加程度。 虽然每种光谱分量在。
9、光束同一波前中 基本实现了时域同位相， 但是在空间上是分离的， 因此， 在光束截面的每一个位置都只对应 某一中心波长的窄带光谱， 这种窄带光谱只能维持较长的脉冲宽度， 从而降低了对光栅的 抗激光破坏能力的要求。 而对于空间啁啾的补偿， 可以通过最终使用的聚焦反射镜实现， 并 在靶面上 ( 即凹面镜焦点 ) 得到无时间啁啾和空间啁啾的超高功率飞秒激光脉冲。 发明内容 0006 为了解决在拍瓦超快激光系统中光栅承受激光破坏能量过大的问题， 我们提出一 种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置， 该装置用于啁啾控制具有结构简单、 高的 激光破坏阈值、 光谱范围宽 (100 纳米 ) 和衍射效率高等优。
10、点。 0007 本发明的技术解决方案如下 ： 0008 一种基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置， 特点在于其构成包括一对平行 放置的深刻蚀透射式石英光栅和一块凹面反射镜， 所述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为 750nm， 刻蚀深度为 1900nm， 占空比为 0.6。 0009 所述的凹面反射镜为离轴抛物面反射镜。 0010 本发明的技术效果如下 ： 0011 首先， 这种脉冲压缩技术利用深刻蚀透射式光栅对将时域啁啾转换成空间啁啾， 在出射光栅面上实现窄带的长脉冲， 从而降低对光栅器件的激光破坏阈值要求， 而空间啁 啾的消除是通过聚焦反射镜在焦点靶面处实现的， 这对于超高功率激光系统的应用。
11、基本没 有太大影响， 却放松了对元器件的抗激光破坏能力的要求 ； 0012 其次， 将光束传输过程所产生的影响也同时进行了考虑， 通过优化光栅参数以及 光栅对的相对位置， 消除光束传输中可能造成的影响 ； 同时， 深刻蚀石英光栅和反射式金属 光栅或介质膜光栅相比， 具有高的激光破坏阈值， 光谱范围宽 (100 纳米 )， 衍射效率高等优 点 ； 0013 另外， 这种基于深刻蚀石英光栅的透射式啁啾控制装置还具有结构简单的优点， 因此是一种产生超高功率超短脉冲激光的潜在技术方案。 附图说明 0014 图 1 是本发明深刻蚀石英光栅啁啾控制技术原理装置图。 0015 图 2 最后一块光栅上是展宽的。
12、飞秒脉冲， 极大地降低了飞秒激光峰值强度。只有 在凹面镜的焦点， 才会出现完美压缩的傅立叶变换极限的飞秒短脉冲。 具体实施方式 0016 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明， 但不应以此限制本发明的保护范 围。 0017 先请参阅图 1， 图 1 是本发明基于深刻蚀石英光栅啁啾控制技术原理装置图。由 图可见， 本发明基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置的构成包括一对平行放置的 深刻蚀透射式石英光栅 2、 3 和一块凹面反射镜 5， 所述的深刻蚀透射式石英光栅的周期为 750nm， 刻蚀深度为 1900nm， 占空比为 0.6。所述的凹面反射镜 5 为离轴抛物面反射镜。 说 明 书 CN。
13、 102360147 A CN 102360164 A3/5 页 5 0018 将带有正群速度色散的长脉冲 1 以 Littrow 角入射到一块透射式深刻蚀石英 光栅 2 上， 产生角色散并由另一块与之平行的透射式深刻蚀石英光栅 3 形成光谱空间走 离。利用高密度深刻蚀光栅的负色散特性补偿入射脉冲的二阶群延迟色散 (groupdelay dispersion， GDD)， 同时产生较强的空间啁啾， 使得脉冲在光束截面上产生缓慢变化的光谱 分布 4， 然后通过聚焦反射镜 5 将带有空间啁啾的脉冲会聚到焦点上， 消除空间啁啾并获得 高功率密度的飞秒激光场 6。在这个过程中， 由于在光束离开光栅时，。
14、 其截面上每一处的光 谱都是窄带的， 如图 2， 因此只可以支持时间宽度非常长的脉冲， 这种光谱空间走离效应一 方面使光束能量分开， 另一方面也使得脉冲宽度变长， 因此光栅所承受的激光功率将随着 空间啁啾的增大而显著降低， 通常可以降低一到两个数量级。 同时， 考虑到传输距离可能对 光束啁啾特性产生影响， 通过优化光栅参数， 以及光栅对之间的相对位置， 对出射脉冲的时 域啁啾进行预调制， 可以最终消除光束传输过程中产生的影响， 并在焦点上得到无时域啁 啾和空间啁啾的完美压缩脉冲。 0019 这种深刻蚀石英光栅啁啾控制装置和传统的脉冲压缩装置相比， 优化时考虑了两 大因素 ： 0020 1) 聚。
15、焦反射镜的作用。以往的传统的反射式光栅脉冲压缩装置没有综合考虑聚 焦反射镜的作用， 使得最后一块光栅的承载激光强度过高 ； 本方案考虑了聚焦反射镜的作 用， 使得最后一块光栅的承载激光强度显著下降， 只有在聚焦反射镜的焦点处才压缩飞秒 脉冲， 这对最终的激光打靶没有不利影响。 0021 2)从光栅出射到聚焦反射镜焦点的传播距离导致的啁啾。 以往传统的反射式光栅 脉冲压缩装置没有综合考虑从光栅出射面到聚焦反射镜焦点的传播距离的影响。 本发明考 虑了传播距离的影响， 使得只有在最终的焦点处， 才出现压缩的飞秒脉冲， 而在这之前出现 的是有啁啾的、 展宽的飞秒脉冲。 0022 对于带有正啁啾的入射脉。
16、冲， 可以表示为 ： 0023 0024 0025 其中 ： b0， 表示啁啾为正， 为入射飞秒激光的脉冲宽度(full width at half maximum， FWHM)， z 是光束位置到束腰的距离， 是束腰半径。光束经过光栅对后的位相变 化可以表示为 ： 0026 0027 其中 ： L 是光栅对之间的垂直距离， d 为光栅周期， 为入射角， 为中心波长光 波衍射角， 为随波长变化的衍射角。由此可以推算出光栅对引入的二阶色散为 ： 0028 0029 这时产生的二阶色散是负的， 而入射脉冲携带了正啁啾， 因此可以进行时域啁啾 的补偿。同时由 (4) 式可以看出， 光栅对所引入的二阶。
17、色散跟距离 L 成正比， 所以当光栅对 说 明 书 CN 102360147 A CN 102360164 A4/5 页 6 之间的距离足够大时， 可以完全补偿入射脉冲携带的正啁啾。根据 Martinez 等人的理论计 算 ( 在先技术 ： O.E.Martinez，“Grating and prism compressors in the caseof finite beam size， ” J.Opt.Soc， Am.B， 1986， 3 ： 929 934)， 经过光栅对后， 脉冲在频域的表达形式 为 ： 0030 0031 0032 0033 其中 ： Ei() 是 Ei(t) 的傅立。
18、叶变换形式， 式 (5) 第二项因子是由光栅引入的位相 变化， 即二阶群速色散。 由于角色散引起光谱空间走离效应， 因此光束在出射时光谱是分开 的， 这可以从式 (5) 第三项因子中看出， 此时脉冲的时域啁啾虽然被补偿， 但是出现了空间 啁啾， 因此仍然不是压缩的飞秒激光， 脉冲由于光谱的分离而仍然保持较长的时间宽度， 相 对应的光场功率密度也大大降低， 可以避免光栅激光破坏阈值不够高而被打坏。然后通过 凹面反射镜 5 聚焦， 在焦点处各种光谱都叠加在一起， 所有的时域和空间色散基本消除， 于 是可以实现接近傅立叶变换极限的压缩脉冲输出， 其极限脉冲宽度可以表示为 ： 0034 0035 此时。
19、所需要的光栅间距可表示为 ： 0036 0037 当入射脉冲谱宽 60nm， 中心波长为 800nm， 脉冲宽度约 1ns 时， 可以通过以上公 式算出， 入射脉冲携带的线性正啁啾约 105rad/fs2， 最小可支持的脉宽约 15fs。基于在先 技术 Hongchao Cao， Changhe Zhou， Jijun Feng， Peng Lu， and Jianyong Ma， Design and fabrication of a polarization-independent wideband transmission fused-silicagrating， Appl.Opt.49。
20、， 4108-4112(2010)， 选 择 深 刻 蚀 光 栅 周 期 为 750nm， 深度 1.95 微米， 可以满足 100nm 带宽内的高效率衍射 ( 超过 90 )。采用 Littrow 角入射(约32度角)， 当光栅间距达到2m左右时， 可以基本补偿入射脉冲携带的时域啁啾， 同时脉冲引入了较强的空间啁啾。 为了消除空间啁啾， 需要特殊设计的大尺寸聚焦反射镜， 考虑采用无像差的二次非球面反射镜实现聚焦， 如离轴抛物面反射镜等， 这种反射镜将入 射平行光完全会聚在焦点上， 而与入射光波长无关， 并保证各条光线经过的距离完全相等， 不会引入时域啁啾， 因此可以很好的消除脉冲啁啾， 在焦。
21、点处实现压缩至接近极限脉冲的 激光光场。 0038 本发明针对超高功率超短脉冲激光中啁啾补偿压缩系统承载过大功率密度的问 题， 首次提出了一种基于高密度深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置， 通过控制脉冲携 带的空间啁啾得到宽度较长的脉冲， 使得出射激光在离开光栅时的功率密度大大降低， 从 而可以降低对压缩系统中光栅元件的激光破坏阈值要求， 最后通过聚焦反射镜消除空间啁 啾的影响， 在焦点位置实现无空间啁啾和时域啁啾的超高功率飞秒激光脉冲。本发明结合 了超高功率激光系统中聚焦反射镜的作用， 只在焦点处实现超高功率的光场， 在不影响最 终激光系统高能输出的前提下， 降低了对光栅等光学器件的激光破坏阈值要求 ； 同时采用 说 明 书 CN 102360147 A CN 102360164 A5/5 页 7 透射式深刻蚀石英光栅具有许多优点， 包括宽光谱、 高效率、 高阈值以及高稳定性等， 因此 本发明在超高功率超短脉冲激光系统中具有很好的应用前景。 说 明 书 CN 102360147 A CN 102360164 A1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102360147 A CN 102360164 A2/2 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102360147 A 。