[发明专利]用于啁啾脉冲放大的自准直平面调制光谱调制整形装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于激光脉冲放大(CPA)系统的光谱调制整形装置，特别涉及一种用于大能量高功率激光啁啾脉冲放大系统的自准直平面调制光谱调制整形装置，属于工程光学应用技术领域。

背景技术

在超短超强高功率激光技术中，许多因素限制了激光系统输出功率的进一步提高，其中固体激光介质的增益窄化和增益饱和效应是一个较为棘手的问题。增益窄化效应是由于放大介质原子发射线有限宽，由于频率牵引效应，从而使输出脉冲的频谱变窄，这不但会导致脉冲波形的畸变，而且还会使脉冲很难压回到原来的宽度。而增益饱和效应是导致啁啾脉冲产生畸变的另一个重要原因，它是由于脉冲前沿消耗了放大介质的反转粒子数，导致放大脉冲前沿的光强放大倍数大于后沿的光强放大倍数，从而使放大脉冲的波形前后沿不对称，因此使放大脉冲得不到有效的放大，并使脉冲的频谱产生红移，引起脉冲畸变。在实际工作中，为了补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应以及提高高功率激光输出脉冲信噪比(SNR)参数，需要利用光谱整形装置使放大前的脉冲光谱分布的中心波长附近出现一定形状和大小的凹陷。在惯性约束核聚变(ICF)研究中，其物理实验对高功率激光输出的脉冲参数要求非常苛刻，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系统设计中，人们更加关心调制其相应的脉冲时空特性和光谱特性，其中对啁啾脉冲进行光谱调制和光谱整形，目的主要是尽量消除CPA过程中增益窄化效益和增益饱和效应的影响，同时力图提高高功率激光光束输出的SNR参数。如文献：[楚晓亮，张彬，蔡邦维等，“啁啾脉冲多程放大及其逆问题的研究”，《物理学报》，54(10)，2005，10，4696-4701]；[张彬，吕百达，“多级和多程脉冲激光放大器的逆问题”，《中国激光》，1997，24(6)，495-500]；[王韬，范滇元，“高功率激光放大器脉冲的整形设计”，《强激光与粒子数》，1999，11(2)，139-142]；[黄小军，魏晓峰，彭翰生等，“百太瓦级超短脉冲激光装置研制”，2004’四川光电子学会议。]

同样由上述文献还可知国际通用方法中使用的光谱整形装置主要存在以下缺点：1、在再生放大器中加入可调谐空气隙标准具来调整光谱的装置，但这种调整较复杂，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系统中用光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)替代了再生放大器，因而不适用。2、使信号光源中心波长蓝移，即相对于增益介质中心波长蓝移，并且使长波长方向有较长的脉冲沿，直接调整光谱的装置。但是这种装置对超过太瓦级(10¹²)的系统不实用。3、长波长注入法，使增益窄化效益来补偿饱和效应的影响的装置，但这种装置又影响到系统的稳定性。4、采用可编程声光色散滤波器(AOPDF)的装置，虽然能提供较大的增益补偿能力和较大的色散补偿范围。如中国工程物理研究院在国内首次引进AOPDF，并成功用于星光百太瓦装置。但是这种装置的AOPDF的色分辨率仅能用于钛宝石这样的宽带啁啾脉冲系统，对于钕玻璃系统不适用。

同时注意到在大能量高功率条件下，透射介质如滤光片和双折射晶体，或有机选择元件如铰链型有机聚合物调制均不适用，如文献所述：[朱鹏飞，杨镜新，薛绍林，李美荣，林尊琪，“超短脉冲的光谱整形”，中国激光，30(12)，2003，1075：1078]；[冷雨欣；林礼煌；徐至展，“掺钛蓝宝石再生放大器的光谱整形”，光学学报，22(2)，2002’170：174]；以及专利号ZL200410025678.1和专利号ZL200410024684.5的专利。

目前用于光谱整形的透射方法的装置有：1.利用干涉滤光片选择透射的装置。但是这种装置存在原理和工程技术上的困难，原理上易造成相位副作用，工程上由于目前的镀膜工艺水平限制，滤波带设计在十几个纳米时，就无法有效控制透射率曲线的带宽和中心凹陷的程度。而且光谱调制对入射角精度要求高，且缺乏灵活性。2.利用双折射率晶体组合镜中寻常光和非常光干涉产生选择透射的装置。但是这种装置存在原理和工程上的困难，一是透射式元件，会对通过它的激光产生副作用，例如引起法布里-伯罗效应、相位畸变等；二是双折射晶体的厚度取决于待整形激光光束的光谱宽度，激光的光谱越窄，要求晶体的厚度越厚。例如对13nm的超短脉冲整形，要求双折射晶体的厚度为25毫米，而双折射晶体不可能做的很大。3.采用铰链型有机聚合物波导或经电晕极化具有光电效应的有机聚合物波导实现选择反射的装置，但是这种装置对于大能量高功率激光系统不适用。

发明内容