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    【激光技術分享】高能量雙光柵壓縮器系統設計

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    隨著激光技術的發展,尤其是90年代基于鈦藍寶石自鎖膜技術(KLM)和啁啾脈沖放大技術(CPA)的出現,激光器可以產生脈寬為飛秒,峰值功率為太瓦以上的超短脈沖。為物理學,化學,生物學以及光譜學等學科對微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段。

    目前,提升激光脈沖峰值功率依然是世界各科研單位爭先追逐的目標。如2017年,中國科學院上海光學精密機械研究所基于CPA技術率先實現了峰值功率為5PW和10PW的激光脈沖輸出。但是,這么高的峰值功率,必然會對激光器中的光學元件造成損傷。故國際上針對PW級的激光系統一般分為兩類放大方式,即基于啁啾脈沖放大技術(CPA)和基于啁啾脈沖光參量放大技術(OPCPA)。如圖1,即為CPA原理圖。

    圖78.jpg

    圖1. 啁啾脈沖放大技術原理圖


    該兩種技術為了降低放大過程中,激光脈沖對光學元件的損傷,都先用一個展寬器將激光脈沖由飛秒脈沖展寬成皮秒或納秒脈沖,然后在增益介質中對展寬后的種子脈沖進行放大,最后用一個對應的壓縮器對放大脈沖進行壓縮,從而得到能量極高(焦耳量級)、脈寬極短(飛秒量級)、峰值功率極高(百太瓦或拍瓦量級)的激光脈沖,為探索微觀世界和超快過程提供了工具。所以,在大能量的激光放大系統中,壓縮器的設計至關重要。

    這里就針對一套大能量拍瓦級系統,以雙光柵壓縮系統為例,設計一個合理有效的壓縮器。

    注意:

    1. 本例不基于任何一個已存在的系統,如有雷同,純屬巧合。

    2. 如需參考本例進行壓縮器設計,請注意代入正確的激光參數(波長、帶寬、脈寬、能量、光束口徑等),并仔細確認計算結果(如有疑問可聯系本公號協助確認),切忌直接套用壓縮器尺寸進行設計或采購。

    一、設計目標

    放大器出射的光脈沖具體參數如表1:

    圖79.png

    表1. 放大器出射光參數


    我們這里采取雙光柵壓縮結構,如圖2所示. 經由放大器輸出的寬帶激光脈沖入射到光柵1上進行光譜展開,然后經過光柵2準直后,由90°折返屋脊鏡降低高度,再經光柵2收集和光柵1準直,經反射鏡后輸出壓縮器。實現光脈沖在時間上的脈寬壓縮。其所用到的光學元件有:光柵1,光柵2,屋脊鏡。

    圖80.png

    圖2. 雙光柵式壓縮器. G1,光柵1;G2,光柵2, RM,屋脊鏡;


    二、設計步驟

    其具體實施步驟如下:

    1. 確定光斑大小

    由于入射寬帶激光脈沖有28J,根據光柵的損傷閾值經驗值(例如JY公司提供,0.4 J/cm2,飛秒短脈沖 0.12 J/cm2),為了保證光柵無損傷,通過以下計算,可得:R≥66.7mm 即Φ=133mm.

    圖81.png

    為了增大安全系數,取光束口徑為Φ=190mm.


    2. 設定光柵入射角

    一般對衍射光柵來說,入射角為Littrow角時光柵衍射效率最大。根據光柵方程:sinγ+sin(γ-θ)=λ?d,其Littow角(θ=0)為26.7°. 但是對于反射式壓縮器來說,以Littrow角入射到光柵上時,其衍射光與入射光無法在空間上分開。所以,為了使衍射光與入射光分開,暫定入射角為40°.

    注:在CPA系統中,壓縮器的光柵參數和入射角在進行選擇時,還需要考慮展寬器參數和放大器本身的色散情況,確保CPA系統的整體色散(包含二階色散、三階色散及更高階色散)能夠得到補償。


    3. 確定光柵對間距

    根據Treacy公式[1]可以計算出,圖2所示結構的壓縮器壓縮量為2ns時,光柵對的斜距離為:

    圖82.png

    這里,關于光柵對的色散公式推導,不再贅述。詳參見參考文獻[1].


    4. 確定光柵1尺寸

    光斑以190mm的口徑和40°的角度入射,在光柵上光斑為橢圓形,其長短軸分別為248mm和190mm??紤]到要上下分開入射脈沖和出射脈沖,并為折返鏡留出足夠的空間。則確定光柵1的尺寸為350mm*450mm(寬*高);


    5. 確定光柵2尺寸

    入射光在光柵1上展開后,在空間中傳播1300mm,橫向尺寸≥586mm,為保證調節余量,故確定光柵2的尺寸為680mm*450mm(寬*高);


    6. 確定折返鏡尺寸

    橫向586mm的光束經過光柵2準直后的橫向尺寸為450mm,為保證調節余量,故確定折返鏡的橫向尺寸為550mm,縱向光斑尺寸為269mm。故兩塊折返鏡的尺寸為550*305mm。


    7. 光柵效率

    這里設計的壓縮器系統效率為60%,故每塊光柵衍射效率在整個帶寬范圍內(1300nm~1700nm)和對應的入射角附近(這里為40°),必須確保88%以上的效率。

    圖83.jpg圖83.jpg

    圖3. 設計壓縮器光路示意圖


    由上圖可知,對于PW量級的壓縮器,由于其入射光的光斑尺寸很大,故需要定制超大口徑的光柵,為了減小單塊光柵的尺寸,往往可以采用四光柵的壓縮器結構。如圖4,在四光柵結構條件下,壓縮器參數是保持不變的。

    圖84.jpg

    圖4. 四光柵壓縮器光路示意圖


    8. 檢驗

    可以將上述參數輸入ZEMAX軟件或其他類似的光學軟件中進行光學追跡,若沒有漏光、切光的現象,則可以確定該系統參數?,F總結如下表3:

    圖85.png
    表3. 壓縮器中各元件參數


    這樣,就可以去各個公司去訂購光柵和折返鏡了。


    備注:這里筆者只是以最常見的四通結構的雙光柵結構壓縮器為例,為大家描述壓縮器中各參數怎么確定。對于其它種類的壓縮器和展寬器,如八通結構的雙光柵壓縮器,大能量下基于四塊光柵的壓縮器,Offner展寬器和Martinez展寬器等,都可以做到舉一反三,更好的應用于科研生活中。

    這里的光柵尺寸參數均為最合理的參數,具體采購光柵尺寸要依據所采購光柵的公司的實際情況來訂。


    引用文獻:

    [1] Treacy E B. Optical pulse compression with diffraction gratings [J]. IEEE J. Quantum Electron., 1969, QE-5(9): 454-458.



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