[发明专利]借助于衍射元件的用于超短激光脉冲的空间重组的系统

说明书

本发明涉及基于利用衍射光学元件DOE(1)来组合光束从而通过叠加而重组的系统。根据本发明，衍射光学组件(21)放置在该衍射光学元件的上游，从而使得能够借助于适当的成像系统来优化在超短脉冲速度的组合效率。

技术领域

本发明的领域为大量超短脉冲激光源(也即脉冲宽度小于1皮秒)的相干重组的领域。本发明的架构涉及这些激光脉冲的空间重组技术，这些激光脉冲被假定为在其他方面是完全同步的。

背景技术

超短脉冲激光源的相干重组尤其应用于高能激光源的实现。

根据选择在远场中并置光束或者选择在近场中(也即在系统的出射光瞳的水平)叠加光束，用于对相干光束进行空间重组的方法分为两种类型。

图1a中显示了用于通过并置来重组的系统。在这种情况下，从激光源F_k(k从0变化至N)产生的待重组的光束通过校准透镜阵列MLC而在近场中为平行且校准的，并且以尽可能紧凑的方式而彼此并排地设置。然后通过自由传播直到远场而执行光束的叠加。这种系统不牵涉任何色散硬件部件，并且因此等同地应用于小于1皮秒的脉冲宽度。然而，这种系统的主要缺点在于其相对较低的效率，尤其是栅瓣中的能量损失具有相当大的份额。

对于近场叠加系统而言，其例如能够通过利用电磁场的偏振来重组光束：从激光源F_k产生并且通过校准透镜CL_k而校准的光束借助于分别关联于半波片HWP_k的偏振分光立方体PBS_k而在近场中叠加，如图1b中的示例所示。根据该系统，对于N个光束的重组效率由下式给出：

其中，η是每对(偏振分光立方体/半波片)的透射系数。该架构的优点在于，对于较少数量的待重组的光束而言，其实现相对容易：通常最大约10个。一方面，对于大量的光束，该系统的实现变得非常复杂，而另一方面，重组效率随光源的数量而迅速下降(在η＝99％的情况下，对于1000个重组光束，效率下降至10％)。

无论是涉及通过校准和平行光束的自由传播而在远场重组，还是涉及通过利用分光片或偏振分光立方体的近场光束的叠加，这些系统都不适用于大量脉冲(通常>100或实际上>1000)的重组，即由于效率的问题(远场设备的栅瓣)或近场系统的实现的问题。

用于通过叠加来重组的另一种技术利用衍射光学元件来组合光束。根据图1c所示的该技术，傅里叶变换设置中的透镜23能够校准待重组的光束(所述光束从激光源F_k产生)，并且将光束导向位于透镜23的焦平面的衍射光学元件或DOE 1。在透镜23的物平面A中的光源点的空间分布(周期为P_A的周期性分布)变换为入射在光学元件DOE 1上的角度的分布。光学元件1通常是周期性相位光栅(例如，达曼光栅类型的周期性相位光栅)，其确保了所有入射光束在0级的相长干涉以及在所有其他级的相消；该光栅的周期Λ和入射角度θ_2k通过用于衍射光栅的已知公式而相关联：

该架构的优点尤其在于高效率(在连续方式下展现出超过90％的效率)，并且由于这种集合定位、可能的二维布置以及单一透镜的使用，该架构是非常适于大量光束(通常>100)的架构。另一方面，这种技术不能原样应用于超短脉冲方式中。

待解决的技术问题在于，尽可能高效率地通过相干过程而将激光脉冲的每个的能量转换成单个脉冲，同时相对于基本脉冲而尽可能少地降低最终脉冲的光束品质，并且同时可兼容于大量的加和的脉冲以及亚皮秒的脉冲持续时间。

发明内容

提出的方案基于利用衍射光学元件DOE来组合光束，从而通过叠加来进行重组。根据本发明，光学衍射组件放置在该衍射光学元件的上游，从而能够经由适当的成像系统来优化超短脉冲方式的组合效率。