[发明专利]一种中红外啁啾脉冲放大装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及的是一种中红外啁啾脉冲放大装置。 

背景技术

超短超强激光在近十几年里的快速发展，为人们探索微观超快现象及研究强场物理提供了前所未有的实验手段和发展机遇。中红外波段介于近红外波段与太赫兹（THz）波段之间，是非常重要的电磁辐射波段。典型的中红外波长为3-5 μm。超短超强的中红外飞秒激光在生物组织烧蚀、大气探测、高次谐波产生等前沿科学研究方面有着独特的重要应用；在光电对抗、先进防御等国家安全领域更是具有重大的应用潜力。

啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification，简称CPA）技术是目前产生高能量的超短超强飞秒（10^-15秒，fs）脉冲激光最主要的技术方案。首先，由飞秒激光振荡器提供低能量的超短脉冲种子源。通过Martinez型的光栅展宽器将超短脉冲展宽为100 ps～3 ns的啁啾脉冲。然后，由单级或者多级激光放大器对啁啾脉冲的能量进行放大。最后，再利用Treacy型的光栅压缩器，将放大后的啁啾脉冲重新压缩回飞秒级的超短脉冲，最终实现超短超强脉冲激光的输出。但是，现有的高功率飞秒激光器仍主要集中在近红外波段，比如已经商品化的800 nm钛宝石飞秒激光器。由于中红外能级型增益介质的严重匮乏，这项技术很难直接应用在大于3 μm的中红外波段。另一方面，光参量啁啾脉冲放大（Optical Parametric Chirped Pulse Amplification，简称OPCPA）技术的出现正好可以突破增益介质匮乏的限制，与常规的CPA不同，OPCPA以非线性晶体替代传统激光放大器中的增益介质，理论上，这项技术能够用于大幅度提升任意波长超短激光脉冲的能量。

将OPCPA技术应用于中红外波段，仍面临几个重要的技术难题。其中之一就是如何保证脉冲展宽和压缩过程中色散的精确补偿。传统的超短超强啁啾脉冲放大系统，一般都会以光栅对作为其脉冲展宽器以及压缩器。但是，由于缺乏对中红外光源的有效探测手段，要完成中红外光栅展宽器以及压缩器的精确调整是件非常困难的事情，特别是脉冲展宽器。这是因为相比于放大后的脉冲激光，中红外种子源的能量要低得多，更增添了光路调整的难度。因此，受制于现有的技术条件，为了避开中红外展宽器，人们主要还是以展宽后的近红外啁啾脉冲作为信号光，利用OPCPA，对信号光进行放大。在这个过程中，除了放大的近红外信号光，还能得到中红外波段的闲频光，更为重要的是，这时候的闲频光“天然地”带有跟信号光相反的时间啁啾，而且，与信号光一起得到了放大。最后，再用传统的光栅压缩器对其进行压缩，得到超短超强的中红外激光。

然而，上述技术方案存在着不可忽视的问题。在这个方案中，光栅展宽器与压缩器需要工作在不用的激光波长。可是，针对不同波长的光栅展宽/压缩器，它们所能提供的二阶色散量与三阶色散量的比值是不一样的，波长间的差异越大，这个比值的差别也就越大，因此，如果让光栅展宽器和压缩器分别工作在近红外和中红外波段，由于近红外与中红外波长的高度非简并，通过调整光栅压缩器的光栅间距，将展宽器提供的二阶色散完全补偿后，还将留下难以消除的三阶色散，残留的三阶色散会影响激光脉冲压缩后所能达到的宽度，无法得到近傅里叶变换极限的脉冲激光，严重的还会使压缩后的脉冲激光发生畸变。因此，这种由近红外光栅展宽器与中红外光栅压缩器组成的展宽压缩系统还只是应用于较小峰值功率的高功率激光系统中。需要说明的是，为了获得更高的峰值功率，不可避免的需要以高能量的长脉冲激光作泵浦源，随着脉冲展宽压缩倍数的增加，残留的三阶色散也就越多，对压缩脉冲的影响也更为严重。

当然，通过简单的调整光栅展宽器以及光栅压缩器的光栅入射角，可以在一定范围内改变它们二阶、三阶色散间的比值，以减小残留的三阶色散量，但是，这个可调节的量是很小的，更为重要的是，为了得到较高的展宽以及压缩效率，光栅通常都需要工作在近利特罗（littrow）角的入射角度，偏离这个角度，会严重影响光栅的衍射效率。

因此，现有技术有待于改进和发展。 

发明内容

本发明的目的在于针对，基于光栅对的脉冲展宽器与压缩器工作在不同波长的时候，展宽压缩系统会使压缩后的激光脉冲残留大量的三阶色散的缺陷，以棱栅对作为脉冲展宽器或者脉冲压缩器，通过选择合适的棱镜材料并对其棱角作适当的设计加工，消除压缩脉冲中残留的三阶色散，以此来提供一种适用于百飞秒以下中红外超短超强脉冲激光的中红外啁啾脉冲放大装置。

本发明的技术方案如下：