[发明专利]一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法

说明书

本发明公开了一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，属于激光技术领域，利用长脉冲泵浦光的飞行焦点在等离子体中的背向拉曼放大，调节飞行焦点强度和飞行速度，使得只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散噪声被放大，放大后的种子光产生时间剪切效果，从而获得脉宽远小于泵浦光超短脉冲；本发明通过飞行焦点技术来产生飞秒量级拉曼散射噪声和种子光用于背向拉曼放大，从而解决系统的同步抖动问题。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光产生方法。

背景技术

目前获得高能、超短（一般是指脉冲时间宽度在10^-12-10^-15s之间，即1ps-1fs之间）、超强脉冲激光的主要技术途径是啁啾脉冲放大技术，其基本工作原理是：利用展宽器（通常由棱镜、光栅等色散元件组成）将一束短脉冲激光在时域上进行展宽(由于每一时刻的瞬时频率不同，展宽后的脉冲被称为啁啾脉冲)，展宽后的激光脉冲在放大器中进行放大，提取足够的能量，最后再通过压缩器将脉宽压窄，从而获得极高的脉冲峰值功率。

然而，随着脉冲功率密度不断提高，压缩光栅的损伤正在成为激光功率密度进一步提高的瓶颈。如现有的PW激光装置（1PW=10¹⁵ W）需要的光栅口径达到1m左右，几乎已经达到现有制造工艺的极限。因此，寻找新型高损伤阈值的材料来压缩超短脉冲成为未来高峰值激光发展的一个重要的方向。

等离子体作为一种不存在损伤阈值的介质而受到广泛关注。其主要原理为相对较长的泵浦光（皮秒量级）和较短的种子光（亚皮秒）在等离子体中对射，两者通过等离子体中有质动力产生高强度的电子朗缪尔波，该电子波将泵浦光的能量散射到种子光中，从而使种子光得到放大；在非线性放大阶段，种子光能耗尽泵浦光的能量，不仅能得到放大而且能得到压缩。通过理论计算和数值模拟发现，以现有的激光作为光源，种子光能被压缩到数十飞秒，在厘米口径的等离子体里面可以实现数百PW甚至EW（1PW=10¹⁸ W）的激光功率输出。

然而，这项技术面临着实验转换效率远低于理论预测的问题。其中一个比较重要的问题为泵浦脉冲与种子脉冲的同步问题：等离子体背向拉曼放大要求泵浦光与种子光的同步抖动精确到皮秒量级，而通常情况下激光系统的同步抖动达到几个皮秒，因而对放大过程有着很大的影响。如果直接采用拉曼散射噪声或者长脉冲种子光，则同步控制将变得十分简单，因为无论系统怎么抖动，拉曼散射噪声总会和泵浦光同时出现，或者长脉冲种子光总有一部分与泵浦光重合。然而，等离子体背向拉曼放大要求种子光的脉宽为亚皮秒量级。这一点与拉曼散射噪声（脉宽约为泵浦光脉宽）和长脉冲种子光是相矛盾的。因此，寻找新型方法产生亚皮秒量级的拉曼散射，或者把长脉冲种子光先压缩到亚皮秒然后再放大显得尤其重要。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所示：一种超短脉冲激光产生方法，利用长脉冲泵浦光的飞行焦点在等离子体中的背向拉曼散射，调节飞行焦点强度和飞行速度，使得只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散噪声被放大，放大后的种子光产生时间剪切效果，从而获得脉宽远小于泵浦光超短脉冲。

本发明涉及的一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，利用飞行焦点在等离子体中的背向拉曼放大效应来实现。具体而言，本发明的超短脉冲激光产生方法，包括如下内容：优选利用色差聚焦系统产生飞行焦点，调节飞行焦点速度使之与种子光的群速度相等，因此，有一部分拉曼散射噪声或者种子光始终与飞行焦点重合，其余部分拉曼散射噪声或者种子光则始终处于泵浦光的焦点外。然后，调节飞行焦点的强度，使得只有焦点处足以产生等离子体而进行背向拉曼放大。由于飞行焦点瑞利距离内对应的脉宽很短，放大后的种子光产生时间剪切效果，产生脉宽远小于初始种子光和泵浦光的超短脉冲。