專利名稱：一種完全無像差的超短激光脈沖展寬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種實(shí)現(xiàn)完全無像差的超短激光脈沖展寬器。
激光是本世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。在目前激光物理和技術(shù)的研究中，啁啾脈沖放大(CPA，Chirped-Pulse Amplification的首字縮寫)是其中最為領(lǐng)先和熱門的研究內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)主要由振蕩器、脈沖展寬器、放大器和再壓縮器四部分組成(

圖1)，基本的工作過程是首先由振蕩器產(chǎn)生飛秒(即fs，1fs＝10-15秒)量級脈寬的種子激光脈沖；然后利用具有正色散的展寬器將其展寬為數(shù)百皮秒(即ps，1ps＝10-12秒)脈寬的啁啾脈沖，同時(shí)維持其光譜寬度不變；再次經(jīng)過必要的放大后，最后利用與展寬器色散相反量的壓縮器將其啁啾抵消，從而得到與種子脈寬相近的放大結(jié)果。由于展寬后的峰值功率已被大大降低，這樣在隨后的放大過程中啁啾激光脈沖可以得到充分放大而不會(huì)過早產(chǎn)生非線性效應(yīng)和放大飽和效應(yīng)。在CPA技術(shù)中，通用的壓縮器是平行結(jié)構(gòu)放置的光柵對，因此，尋求與這種標(biāo)準(zhǔn)壓縮器具有完全相反色散量并有理想展寬率的展寬器，是CPA技術(shù)的關(guān)鍵所在。實(shí)際上，CPA技術(shù)中研究最多的是展寬器，每次重要進(jìn)展都是因展寬器的改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。
八十年代中后期CPA技術(shù)剛出現(xiàn)時(shí)，所用的展寬器為數(shù)公里長的單模光纖構(gòu)成，由于損耗高、展寬率有限、色散與光柵對不匹配、使用不便等缺點(diǎn)，九十年代初便被結(jié)合透射式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的反光柵對所取代，其理論上雖可提供光柵壓縮器能完全補(bǔ)償?shù)恼?，但?shí)際上由于透鏡的材料色散等原因，采用這種展寬器的CPA不能獲得小于100fs的放大結(jié)果。1994年前后，人們開始改用球面反射式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的展寬器，從而使獲得100fs以下的放大脈沖成為可能，爾后又被進(jìn)一步改進(jìn)為球面拋物鏡和球面柱面鏡結(jié)構(gòu)，雖然兩種方案都得到了放大脈沖小于30fs的紀(jì)錄結(jié)果，但前者的展寬率極低(200)，后者八次通過光柵衍射，損耗較大。而且上述方案的空間尺寸都較長，與CPA技術(shù)的臺面尺寸優(yōu)點(diǎn)相抵觸，并都存在著引起光脈沖空間啁啾及時(shí)間啁啾的光學(xué)像差。
如文獻(xiàn)1和21.Cheriaux等；Aberration-free stretcher design for ultrashort pulseamplification(用于超短脈沖放大的無像差展寬器設(shè)計(jì))；Opt.Lett；Vol.21，414(1996)2.Detao.Du等；Terawatt Tisapphire laser with a spherical reflec-tive optic pulse expander(采用球面反射光學(xué)展寬器的太瓦脈沖鈦寶石激光)；Opt.Lett；Vol.20，2114(1995)所介紹，1995年法國及美國科學(xué)家先后獨(dú)立提出了共心凹凸球面鏡結(jié)構(gòu)的展寬器，從而使展寬器的體積大為減小，此外這種結(jié)構(gòu)還能部分消除光學(xué)像差，現(xiàn)成為目前最先進(jìn)的脈沖展寬器，但是這種所謂的“無”像差展寬器由于采用的是球面鏡結(jié)構(gòu)，因此一方面在偏離共心處仍然存在著像差，并對具有超寬頻譜的窄脈沖有著不可忽略的四階色散；另一方面由于在光柵的非衍射方向也存在光學(xué)變換，從而伴隨有不必要的空間啁啾，這也正是用這種展寬器仍未能獲得小于30fs放大結(jié)果的主要原因。
本實(shí)用新型的目的本實(shí)用新型的目的是針對目前飛秒脈沖展寬器的不足和缺陷，提供一種能完全排除光學(xué)像差和噪聲“啁啾”的展寬器，從而使CPA技術(shù)經(jīng)過最后的壓縮階段能獲得與種子脈寬相近的高質(zhì)量放大脈沖。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型是通過采用全息光柵及新型凹凸拋物柱面反射鏡組成的放大率為1的望遠(yuǎn)鏡而實(shí)現(xiàn)的，附圖2為典型結(jié)構(gòu)的主視圖(a)和側(cè)視圖(b)。兩凹面拋物柱面反射鏡與一個(gè)凸面拋物柱面反射鏡相對位置為小角度結(jié)構(gòu)，凸面拋物柱面反射鏡的焦距為f，為保證放大率為1的效果，凹面拋物柱面反射鏡的焦距相應(yīng)的為-2f，并與凸面拋物柱面反射鏡間的距離固定為2(|2f|-|f|＝2|f|。各反射鏡的柱面與柱面、拋物面與拋物面相互平行放置，凹面拋物柱面反射鏡與凸面拋物柱面反射鏡的反射面相對(向)放置，全息光柵的刻劃線方向與反射鏡柱面方向一致，在主視圖面內(nèi)呈傾角放置以適合衍射方向的要求，當(dāng)一束激光入射到本實(shí)用新型展寬器的全息光柵后，其將在平行于拋物面(主視面)的平面內(nèi)發(fā)生色散衍射，光柵上該入射點(diǎn)與凹面拋物柱面反射鏡的距離決定了這種展寬器的展寬量，系統(tǒng)中對屋脊反射鏡、平面反射鏡與光柵間的距離沒有特殊要件，實(shí)際中根據(jù)情況視方便而定。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)。
1.光學(xué)系統(tǒng)采用的是反射式結(jié)構(gòu)，沒有附加的材料色散，放大后的光脈沖易于壓縮回原來種子脈沖的寬度。
2.由于采用了拋物面反射鏡，因此完全避免了軸向和非軸向的光學(xué)像差，從而排除了壓縮系統(tǒng)難以補(bǔ)償?shù)目臻g啁啾。
3.由于采用了柱面反射鏡結(jié)構(gòu)，故在光柵的非衍射面沒有光學(xué)成象變換，避免了可能引起的光學(xué)畸變和空間啁啾4.由于采用了放大率為1的凹凸反射鏡望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，因此展寬器的長度被大大地縮短，有利于做到更加緊湊的臺面放大結(jié)構(gòu)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說明圖1為CPA技術(shù)的一般原理圖。
圖2為本實(shí)用新型提供的一種完全無像差超短激光脈沖展寬器的結(jié)構(gòu)圖實(shí)施例，(a)為主視圖，(b)為側(cè)視圖，其中1、3為凹面拋物柱面全反鏡，2為凸面拋物柱面全反鏡，4、5為全息光柵，6為平面全反鏡，7為直角屋脊反射鏡。
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的另一結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為主視圖，(b)為側(cè)視圖，其中1為凹面拋物柱面全反鏡，2為凸面拋物柱面全反鏡，3為全息光柵，4為平面全反鏡或角度屋脊反射鏡(為作圖方便，圖中僅畫為屋脊反射鏡)，其中凹、凸拋物柱面反射鏡頂點(diǎn)間的距離固定為2|f|且共軸放置，f為凸面拋物柱面反射鏡的焦距。
圖4為本實(shí)用新型的又一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例1實(shí)施例1可按圖2來制作一臺完全無像差的新型超短激光脈沖展寬器，其中(a)為主視圖，(b)為側(cè)視圖，具體描述如下1、3為凹面拋物柱面反射鏡，口徑為a1×b1的長方形，其中拋物面方向的長度為a1，柱面方向的長度為b1，拋物面的方程為y2＝2p1x，作為典型值，一般可取a1≈200mm，b1≈50mm，p1≈1000mm。
2為凸面拋物柱面反射鏡，口徑為a2×b2的長方形結(jié)構(gòu)，其中拋物面方向?yàn)閍2，柱面方向?yàn)閎2，拋物面方程為y2＝-p1x，其與1和3的頂點(diǎn)距離d均固定為p1/2。作為典型值，可取a2≈120mm，b2≈20mm，凹凸鏡間距d＝(p1/2)≈500mm.
4、5為全息光柵，近Littow角入射。
6為普通平面全反鏡，實(shí)際使用中可加工為直徑20～30mm的圓形或半圓形鏡片。
7為直角屋脊反射鏡。
在實(shí)際制作結(jié)構(gòu)中，兩凹面拋物柱面反射鏡1，3與凸面拋物柱面反射鏡2的相對位置為小角度結(jié)構(gòu)，凹、凸拋物柱面反射鏡間的距離均固定為2|f|，其中凹面拋物柱面反射鏡的焦距要求為2f，凸面拋物柱面反射鏡的焦距要求為-f，各反射鏡的柱面與柱面、拋物面與拋物面相互平行放置，凹、凸拋物柱面反射鏡面對面放置，全息光柵4、5的刻劃線方向與各反射鏡的柱面方向一致，在主視圖面內(nèi)呈傾角放置以適合衍射方向的要求，展寬器的展寬率根據(jù)全息光柵與凹面拋物柱面反射鏡間的距離而決定。
實(shí)施例2圖3為對實(shí)施例1稍作改動(dòng)后采用單個(gè)凹面拋物柱面反射鏡及單個(gè)衍射光柵的緊湊經(jīng)濟(jì)型結(jié)構(gòu)，(a)、(b)分別為對應(yīng)的主視圖及側(cè)視圖，其中1為拋物柱面凹面反射鏡、2為拋物柱面凸面反射鏡、3為高效率全息衍射光柵、4為平面反射鏡或屋脊反射鏡(采用平面鏡可做到更小的夾角，圖中未畫出)、5為寬帶平面全反鏡，各元件的參數(shù)位置與實(shí)施例1基本相同，即凹、凸拋物柱面反射鏡間的距離固定為2|f|，其中凹面拋物柱面反射鏡的焦距要求為2f，凸面拋物柱面反射鏡的焦距要求為-f，各反射鏡的柱面與柱面、拋物面與拋物面相互平行放置，凹、凸拋物柱面反射鏡面對面放置，光柵的刻劃線方向與各反射鏡的柱面方向一致，在主視圖面內(nèi)呈傾角放置以適合衍射方向的要求。具體展寬過程如圖3所示當(dāng)待展寬的入射光脈沖(01)通過本實(shí)施例經(jīng)過一次展寬后，由平面鏡或屋脊反射鏡4將其以沿傾斜于原光路的方向再反射回展寬系統(tǒng)中，最后即得到光斑形狀復(fù)原了的二次展寬激光脈沖(02)。這種結(jié)構(gòu)中光脈沖的來回反射以兩鏡的軸線為對稱，與實(shí)施例1中正入射情況不同的是本實(shí)施例中光在該面內(nèi)(側(cè)視面)的反射具有一定的小角度，但由于是柱面結(jié)構(gòu)，因此不存在任何像差，這正是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一。
實(shí)施例3圖4同樣為對實(shí)施例1稍作改動(dòng)后采用單個(gè)凹面拋物柱面鏡及單個(gè)衍射光柵的又一種緊湊經(jīng)濟(jì)型結(jié)構(gòu)，圖4(a)、(b)分別為主視圖和側(cè)視圖，各元件的參數(shù)位置與實(shí)施例2基本相同，所在區(qū)別是本實(shí)施結(jié)構(gòu)中凹、凸拋物柱面反射鏡的柱面方向及全息光柵的刻線方向相互也以小夾角放置，光脈沖的來回反射不再以兩鏡的軸線為對稱，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是光柵3的寬度不要求很寬，因此成本可以得到進(jìn)一步降低。
權(quán)利要求1.一種完全無像差的超短激光脈沖展寬器，包括1～2個(gè)全息光柵、1個(gè)平面反射鏡、1個(gè)屋脊反射鏡或平面反射鏡，其特征還在于包括2個(gè)凹面拋物柱面反射鏡和1個(gè)凸面拋物柱面反射鏡，其中各凹、凸拋物柱面反射鏡柱面與柱面的方向呈相互平行放置；兩拋物凹面鏡與凸面鏡的反射面呈面對面放置且相互成小夾角分布；全息光柵的刻線方向與反射鏡的柱面方向一致，在平行于拋物面方向根據(jù)衍射要求呈傾角放置。
2.按權(quán)利要求1所述的完全無像差的超短激光脈沖展寬器，其特征在于一對凹、凸拋物柱面反射鏡的柱面方向及全息光柵的刻線方向相互平行，凹、凸鏡反射面呈面對面垂直放置，全息光柵在平行于拋物面方向根據(jù)衍射要求呈傾角放置。
3.按權(quán)利要求1所述的完全無像差的超短激光脈沖展寬器，其特征在于一對凹、凸拋物柱面反射鏡的柱面方向及其與全息光柵的刻線方向相互呈小夾角，凹、凸鏡反射面呈面對面放置，全息光柵在平行于拋物面方向根據(jù)衍射要求呈傾角放置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種實(shí)現(xiàn)完全無像差的超短激光脈沖展寬器,它包括1—2個(gè)全息光柵,1個(gè)平面反射鏡、一個(gè)屋脊反射鏡、1—2個(gè)凹和一個(gè)凸面拋物柱面反射鏡,其中各反射鏡柱面與柱面,拋物面相互平行放置,凹、凸面拋物柱面反射鏡面對面放置,全息光柵的刻線方面與反射鏡的柱面方向一致,在平行于拋物面內(nèi)根據(jù)衍射要求成傾角放置組成,本實(shí)用新型消除了光學(xué)相差和噪聲“啁啾”現(xiàn)象,獲得與種子脈寬相近的高質(zhì)量放大脈沖光。
文檔編號H01S3/10GK2364598SQ9820739
公開日2000年2月16日 申請日期1998年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月31日
發(fā)明者魏志義, 張 杰 申請人:中國科學(xué)院物理研究所