高能鈦寶石多通放大器熱透鏡效應(yīng)的抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鈦寶石激光放大器，特別是一種具有一定重復(fù)頻率、大尺寸光束、長(zhǎng)焦 熱透鏡的高能鈦寶石多通放大器熱透鏡效應(yīng)的抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 啁嗽脈沖放大(CPA)技術(shù)的發(fā)明為超短超強(qiáng)激光開(kāi)辟了新的道路；自1990s后，CPA 技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，迄今為止，世界上很多國(guó)家建立起了基于鈦寶石晶體（Ti: Sapphire)的數(shù)百太瓦(TW)甚至數(shù)拍瓦(PW)量級(jí)激光裝置。如此高的峰值功率的激光系統(tǒng) 為人類提供了前所未有的全新實(shí)驗(yàn)手段與極端物理?xiàng)l件。在如此高峰值功率激光系統(tǒng)中， 多通放大器一般采用高平均功率的激光脈沖來(lái)作為栗浦光。放大過(guò)程中，鈦寶石吸收的栗 浦能量除一部分轉(zhuǎn)化為激光外，大多數(shù)能量都轉(zhuǎn)化為熱并積聚在鈦寶石內(nèi)使其升溫。在熱 平衡狀態(tài)下，鈦寶石內(nèi)的溫度梯度使原本折射率完全均勻的工作物質(zhì)變成類透鏡介質(zhì)，即 "熱透鏡"。熱透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光束波前畸變，嚴(yán)重影響其的聚焦性能，自適應(yīng)光學(xué)一般被用 于波前畸變的校正。然而，熱透鏡效應(yīng)不僅僅會(huì)導(dǎo)致波前畸變，也會(huì)使光束聚焦，導(dǎo)致放大 過(guò)程中信號(hào)光與栗浦光尺寸不匹配，從而降低放大器的能量提取效率，甚至?xí)?duì)光學(xué)元件 產(chǎn)生損傷。因此，如何抑制高能鈦寶石多通放大器熱透鏡效應(yīng)一直是研究高性能的超強(qiáng)超 短激光的關(guān)鍵。
[0003] 目前，抑制熱透鏡的主要方法是
[0004] (1)利用熱透鏡設(shè)計(jì)出熱本征模式多通放大器，此方法可有效地抑制熱透鏡效應(yīng)， 但僅適用于千赫茲小光斑多通放大器。因此，在高能鈦寶石多通放大器中，該方法受到了限 制。
[0005] (2)通過(guò)引入額外的光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償熱透鏡聚焦，例如在放大過(guò)程中 引入負(fù)透鏡或是擴(kuò)束系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償熱透鏡聚焦，從而提升信號(hào)光與栗浦光的尺寸匹配，但這 必然會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0006] (3)利用液氮低溫冷卻鈦寶石晶體，此方法可有效去除熱透鏡效應(yīng)，但液氮的使用 經(jīng)濟(jì)花費(fèi)較大且工藝較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有抑制熱透鏡效應(yīng)方法的局限性，提供一種利用具有 特定發(fā)散角的擴(kuò)束系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償高能鈦寶石多通放大器中熱透鏡的方法。該方法可以大大提 高多通放大器的放大效率，且不需要引入額外光學(xué)元件，易于實(shí)現(xiàn)、方便調(diào)節(jié)，具有很大的 推廣價(jià)值。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] ①測(cè)量高能鈦寶石多通放大器中鈦寶石端面處的栗浦光尺寸和栗浦功率，然后確 定在此栗浦條件下鈦寶石的等效熱透鏡焦距；
[0010]②根據(jù)高能鈦寶石多通放大器的空間布局創(chuàng)建一由多個(gè)互相平行的透鏡組成的 透鏡陣列，其中，透鏡對(duì)應(yīng)鈦寶石，各透鏡的間距為相鄰兩次放大間信號(hào)光的傳輸距離；
[0011] ③根據(jù)鈦寶石端面處的栗浦光尺寸，擬定放大輸出信號(hào)光尺寸，使之小于栗浦光 尺寸，并假設(shè)放大輸出信號(hào)光為準(zhǔn)直平面波；
[0012] ④設(shè)定凸透鏡到鈦寶石端面的距離，根據(jù)透鏡陣列，利用ABCD矩陣反推出信號(hào)光 在凸透鏡端面處的尺寸及此光束的會(huì)聚角；
[0013] ⑤測(cè)量擴(kuò)束前高能鈦寶石多通放大器的入射信號(hào)光的尺寸和發(fā)散角；
[0014] ⑥根據(jù)所測(cè)擴(kuò)束前入射信號(hào)光的尺寸和發(fā)散角，設(shè)計(jì)一由凹透鏡和凸透鏡組成的 擴(kuò)束系統(tǒng)，使擴(kuò)束后的信號(hào)光在凸透鏡端面處有與步驟④中的信號(hào)光在凸透鏡端面處相同 的尺寸，且擴(kuò)束后的信號(hào)光具有與步驟④中會(huì)聚角相等的發(fā)散角；
[0015] ⑦在高能鈦寶石多通放大器之前放置所述的擴(kuò)束系統(tǒng)，使擴(kuò)束系統(tǒng)的中心與高能 鈦寶石多通放大器的光軸重合，且凸透鏡與鈦寶石端面的距離與步驟④中凸透鏡到鈦寶石 端面的距離相等。
[0016] 所述的鈦寶石的等效熱透鏡焦距由下述公式計(jì)算獲得：
[0017]
[0018]其中fT為熱透鏡焦距，k為鈦寶石晶體熱導(dǎo)率，rP為鈦寶石表面栗浦光半徑，α為鈦 寶石對(duì)栗浦光能量的吸收效率，β為鈦寶石晶體的量子效率，Ρρ為栗浦功率，dn/dT為鈦寶石 的熱梯度。
[0019] 所述的熱透鏡(鈦寶石)被認(rèn)為是時(shí)間穩(wěn)定的薄球面凸透鏡，且透鏡陣列中，每一 個(gè)透鏡的焦距都一樣，為鈦寶石的等效熱透鏡焦距。
[0020] 所述的放大輸出信號(hào)光尺寸的擬定需略小于栗浦光，這樣是為了降低熱導(dǎo)畸變。
[0021] 所述的擴(kuò)束系統(tǒng)，由一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡以一定的間距構(gòu)成，此間距小于它 們的焦距之和。擴(kuò)束后的光束具有一定發(fā)散角，且正好可以補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)所導(dǎo)致的光束 聚焦，從而實(shí)現(xiàn)放大光束的準(zhǔn)直輸出，并有效提升鈦寶石多通放大器的能量提取效率。
[0022] 所述的高能鈦寶石多通放大器熱透鏡效應(yīng)的抑制方法，只適用于一定重復(fù)頻率、 大尺寸光束、長(zhǎng)焦熱透鏡的高能鈦寶石多通放大器。
[0023]與先技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著特點(diǎn)：
[0024] 1.不需要額外的光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。
[0025] 2.通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)的擴(kuò)束系統(tǒng)，可以對(duì)高能鈦寶石多通放大器在任意栗浦功率 下產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)所引起的光束聚焦做出完全補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)光的準(zhǔn)直輸出。
[0026] 3.通過(guò)對(duì)熱聚焦的補(bǔ)償，提高了信號(hào)光與栗浦光之間的尺寸匹配，尤其是在后面 的放大過(guò)程中。能夠有效提高放大器的能量提取效率。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1:本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0028] 圖2:本發(fā)明的實(shí)施例的相應(yīng)透鏡陣列示意圖；
[0029] 圖3:本發(fā)明所設(shè)計(jì)的擴(kuò)束系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以圖1所示的鈦寶石四通放大器為實(shí)施實(shí)例，一種高能鈦寶石四通放大器熱透鏡 效應(yīng)的抑制方法包括以下步驟：
[0031] ①測(cè)量鈦寶石多通放大器中鈦寶石3端面處的栗浦光尺寸和栗浦功率，然后確定 在此栗浦條件下鈦寶石3的等效熱透鏡焦距。
[0032]②根據(jù)鈦寶石多通放大器的空間布局（參閱圖1)，創(chuàng)建一由四個(gè)互相平行的透鏡4 組成的透鏡陣列(參閱圖2)，其中，透鏡4對(duì)應(yīng)鈦寶石3,透鏡4間的間距為相鄰兩次放大間信 號(hào)光的傳輸距離。
[0033]③根據(jù)栗浦光在鈦寶石3端面的尺寸，擬定放大輸出信號(hào)光尺寸，使之與栗浦光尺 寸匹配，并假設(shè)放大輸出脈沖為準(zhǔn)直平面波。
[0034]④設(shè)定凸透鏡2到鈦寶石3端面的距離，根據(jù)透鏡陣列，利用AB⑶傳輸矩陣反推出 信號(hào)光在凸透鏡2端面處的尺寸以及此光束的會(huì)聚角。
[0035]⑤測(cè)量擴(kuò)束前入射光的尺寸和發(fā)散角。
[0036]⑥根據(jù)實(shí)際所測(cè)入射光參數(shù)，設(shè)計(jì)一由凹透鏡1和凸透鏡2按一定間距構(gòu)成的擴(kuò)束 系統(tǒng)(參閱如圖3)，使擴(kuò)束后的信號(hào)光半徑與計(jì)算值相等，并具有與上述會(huì)聚角相等的發(fā)散 角。
[0037]⑦在多通放大器之前放置此擴(kuò)束系統(tǒng)，使之中心與光軸重合，且凸透鏡2與鈦寶石 3端面的距離不變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高能鈦寶石多通放大器熱透鏡效應(yīng)的抑制方法，其特征在于該方法包括以下步 驟： ① 測(cè)量高能鈦寶石多通放大器中鈦寶石(3)端面處的栗浦光尺寸和栗浦功率，然后確 定在此栗浦條件下鈦寶石(3)的等效熱透鏡焦距； ② 根據(jù)高能鈦寶石多通放大器的空間布局創(chuàng)建一由多個(gè)互相平行的透鏡(4)組成的透 鏡陣列，其中，透鏡(4)對(duì)應(yīng)鈦寶石(3)，各透鏡(4)的間距為相鄰兩次放大間信號(hào)光的傳輸 距離； ③ 根據(jù)鈦寶石(3)端面處的栗浦光尺寸，擬定放大輸出信號(hào)光尺寸，使之小于栗浦光尺 寸，并假設(shè)放大輸出信號(hào)光為準(zhǔn)直平面波； ④ 設(shè)定凸透鏡（2)到鈦寶石（3)端面的距離，根據(jù)透鏡陣列，利用ABCD矩陣反推出信號(hào) 光在凸透鏡(2)端面處的尺寸及此光束的會(huì)聚角； ⑤ 測(cè)量擴(kuò)束前高能鈦寶石多通放大器的入射信號(hào)光的尺寸和發(fā)散角； ⑥ 根據(jù)所測(cè)擴(kuò)束前入射信號(hào)光的尺寸和發(fā)散角，設(shè)計(jì)一由凹透鏡（1)和凸透鏡(2)組成 的擴(kuò)束系統(tǒng)，使擴(kuò)束后的信號(hào)光在凸透鏡(2)端面處有與步驟④中的信號(hào)光在凸透鏡(2)端 面處相同的尺寸，且擴(kuò)束后的信號(hào)光具有與步驟④中會(huì)聚角相等的發(fā)散角； ⑦ 在高能鈦寶石多通放大器之前放置所述的擴(kuò)束系統(tǒng)，使擴(kuò)束系統(tǒng)的中心與高能鈦寶 石多通放大器的光軸重合，且凸透鏡（2)與鈦寶石（3)端面的距離與步驟④中凸透鏡（2)到 鈦寶石(3)端面的距離相等。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制方法，其特征在于，所述的鈦寶石（3)是時(shí)間穩(wěn)定的薄球 面凸透鏡，所述的透鏡陣列中每一個(gè)透鏡(4)的焦距都一樣，為鈦寶石(3)的等效熱透鏡焦 距。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制方法，其特征在于所述的擴(kuò)束系統(tǒng)由一個(gè)凹透鏡（1)和一 個(gè)凸透鏡(2)以一定的間距放置構(gòu)成，此間距小于它們的焦距之和;擴(kuò)束后的光束具有一定 發(fā)散角，且正好可以補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)所導(dǎo)致的光束聚焦，從而實(shí)現(xiàn)放大光束的準(zhǔn)直輸出，并 有效提升鈦寶石多通放大器的能量提取效率。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制方法，其特征在于，所述的高能鈦寶石多通放大器具有一 定的工作重復(fù)頻率，信號(hào)光為大尺寸光束，且熱透鏡為長(zhǎng)焦透鏡。
【專利摘要】一種高能鈦寶石多通放大器熱透鏡效應(yīng)的抑制方法，通過(guò)計(jì)算確定鈦寶石在具體泵浦條件下的熱透鏡焦距，再根據(jù)放大器的空間布局創(chuàng)建一相應(yīng)的透鏡陣列，在放大輸出準(zhǔn)直平面波的假設(shè)上，利用ABCD矩陣反向計(jì)算出信號(hào)光在擴(kuò)束系統(tǒng)中凸透鏡處的半徑和此光束的會(huì)聚角，再根據(jù)實(shí)際入射信號(hào)光設(shè)計(jì)一相應(yīng)擴(kuò)束系統(tǒng)，使擴(kuò)束后凸透鏡處的信號(hào)光半徑與上述計(jì)算值相等，并具有與上述會(huì)聚角相等的發(fā)散角，從而能夠正好補(bǔ)償熱透鏡對(duì)光束的聚焦作用。本發(fā)明在不引入任何額外的光學(xué)元件的基礎(chǔ)上，對(duì)熱透鏡產(chǎn)生的光束聚焦做出了完全補(bǔ)償，避免了熱自聚焦現(xiàn)象所引起的激光工作物質(zhì)損傷，并有效提升了放大器的能量提取效率。本發(fā)明具有簡(jiǎn)單高效，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【IPC分類】H01S3/094, H01S3/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105514775
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610006385
【發(fā)明人】吳分翔, 許毅, 冷雨欣
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2016年1月6日