具有高对比度且峰值功率大于100太瓦的激光源

摘要

本发明涉及一种能够发出大于或等于100太瓦的能量脉冲的激光源(100)，包括激光链，所述激光链包括级联的：-固态激光振荡器(1)；-具有频率啁啾的第一放大级(2)；以及-具有频率啁啾的最后放大级(6)，这些第一放大级和最后放大级每一个都包括级联的展宽器、放大链和压缩器；-第一滤波器，称为非线性交叉偏振滤波器(3)，插入于这两个放大级(2，6)之间，具有一个或者两个非线性晶体和三阶非线性光学磁化率，能够产生交叉偏振波。所述激光链还包括：-在所述第一放大级(2)和所述最后放大级(6)之间的至少一个其它的非线性交叉偏振滤波器(5)，即，在所述激光链中有N个滤波器，其中N≥2；以及-N-1个色散补偿器(4)，(分别)设置在一个或多个所述第一滤波器(3)的输出端。

说明书

技术领域

本发明的领域是具有非常高的峰值功率的脉冲的激光器，从至少100 太瓦到几十拍瓦(Peta Watt)，并且甚至更大。在这个水平的峰值功率下， 脉冲通常是超短脉冲，也就是持续时间在200飞秒以下。

背景技术

这样的激光源尤其是用于激光-材料相互作用，包括例如加速粒子(质 子、电子、离子)或者产生在远紫外、X射线或者γ射线区中的二次辐射。 这样的脉冲聚焦在通常为固体的目标上，其目的例如是在后者的表面上产 生等离子体。

这些具有非常高的峰值功率的激光源本质是基于固态激光源技术和啁 啾脉冲放大原理，不管其涉及通过激光效应或者“CPA”的放大(“CPA” 是表述啁啾脉冲放大的首字母缩略语)，还是通过非线性光学效应例如荧光 参量或者“OPCPA”(“OPCPA”是表述光学参量啁啾脉冲放大的首字母 缩略语)的放大。

从使用具有非常高的峰值功率的激光器的时候起，就有必要将很多的 注意力放在脉冲的时间对比度的问题上。实际上，给定这些具有高峰值功 率的激光源的多放大器配置，总是存在有残留的光信号，该残留的光信号 在激光放大(CPA)情况下通过自发辐射(或者“ASE”)的放大或者在 参量放大(OPCPA)的情况下通过参量荧光的放大而产生。图1中所示的 此寄生信号具有比主脉冲大得多的时间宽度；其典型地存在于泵浦脉冲中， 通常具有大约几个纳秒的脉冲持续时间。更为重要的是，其在主脉冲之前 就已经出现。该时间对比度是主脉冲的峰值功率P1与ASE脉冲的峰值功 率P0之间的比率；P0的目标值和测量结果通常是位于主脉冲之前的50到 100皮秒之间的时间间隔中，以使得消除其他效应，例如不完全的压缩。问 题相同，如果比率非常高，则在具有非常高的峰值功率的主脉冲的情况下， ASE脉冲仍具有显著的峰值功率。如果考虑具有1拍瓦、时间对比度为10⁹∶ 1(P1/P0＝10⁹)的主脉冲的情况，则ASE将具有1兆瓦的峰值功率，在聚 焦到目标上的情况下，足以在主脉冲到达之前在目标(特别是如果其为固 体)上产生等离子体，该等离子体对意图的应用是灾难性的。

因此，必需对脉冲的时间对比度进行优化，要知道，为了利用形成的 目标任意固体材料都能获得满意的结果，必需将针对ASE的时间对比度的 目标设定为：对于1拍瓦的激光，10¹²∶1的量级，对于10拍瓦的激光，10¹³∶ 1的量级。

目前，用于提高时间对比度的技术是：

-增加可饱和吸收体，或者

-基于在非线性晶体中产生交叉偏振波的技术实施非线性滤波器，交叉 偏振波接下来会表示为“XPW”，或者

-使用等离子体镜。

可饱和吸收体实施起来非常简单，但是其贡献有限，因为其使得不可 能将脉冲的对比度提高大于一个或者两个数量级。这主要是归因于这些材 料的激光损坏阈值相对低的事实。

在2004年在具有高峰值功率的激光链中第一次展示了XPW滤波器技 术。XPW滤波器的架构相对简单，但是其效率不是很高(在输出端，最大 可获得输入脉冲能量的30％)并且对比度(输出对比度＝输入对比度的立方) 的理论增大严重受限于所使用的偏振器的消光比，其意味着净增益仅为4 到5的数量级，这仍然明显优于可饱和吸收体。XPW滤波器包括两个偏振 器和在两个偏振器之间的一个或者两个非线性晶体。

现在使用等离子体镜技术来提高具有高峰值功率的激光链的对比度已 经有好几年的时间了。该原理是基于链的输出端的光束的使用，因此是在 时间压缩之后。将光束聚焦到透明介质上；ASE脉冲因此透射，但是从主 脉冲开始时起就有足够的强度来在透明材料的表面处产生等离子体。等离 子体是反射性的，因而形成了等离子体镜，并且等离子体将镜反射主脉冲 的大约70％，其会“去除”大部分的在等离子体产生之前透射的ASE脉冲。 然而，必需再次重复该操作以获得对比度的大约4到5个数量级的增大。 此主脉冲，被反射两次后，接着被聚焦在目标上。

这种技术具有几个缺点。能量损失因此是大约50％的量级并且这是确 定的，因为其与XPW滤波器的情况不同，后面不再有放大器。此外，这种 技术的实施相对复杂。首先，该装置的组装要在真空下，因为其涉及压缩 光束，并且在给定光束的尺寸时，组装相当笨重。其次，因为聚焦激光器 的光斑产生较高的反射性等离子体时也会局部地对光学表面产生不可逆的 损坏，所以很显然，在每一次发射之后，必需移动等离子体镜。

为了对于固体目标获得10¹¹∶1的量级或者甚至10¹²∶1的量级的时间 对比度，在主脉冲之前最小几十皮秒处，单独考虑任何这些技术是不够的， 因而必需组合这些技术。由于上述事实，给定可饱和吸收体技术对于提高 对比度的相对较小的贡献，在使用这些装置之前激光链的起始处的“自 然”对比度为10⁵到10⁶∶1的量级的情况下，可饱和吸收体和两种其它技 术中的一种的组合不能满足要求。因此，为获得所要求的对比度水平，在 了解到后一种装置具有前述的缺点后，必需组合XPW滤波器和双等离子体 镜。

因此，到目前为止仍然需要一种同时满足峰值功率、时间对比度、能 量、和实施简便方面的所有前述的要求的系统。

发明内容

本发明的基本思想是关联至少两个XPW滤波器以将对比度提高7到8 个数量级的对比度，利用极其简单、低成本并且完全无源的装置，即一种 没有需要移动或者更换的部件的装置。通过中间压缩器的方式，实现了对 由第一XPW滤波器，即由通过在非线性晶体和偏振器的传输，所引入的色 散，使得在第二XPW滤波器的输出端处产生具有优化特性(持续时间和光 谱相位)的脉冲。

更准确地，本发明的主题是一种能够发出大于或者等于100太瓦的能 量的脉冲的由激光链构成的激光源，其包括级联的：

-固态激光振荡器，

-具有频率啁啾的第一放大级和最后放大级，每个放大级包括级联的展 宽器、放大链和压缩器，

-第一滤波器，具有一个或者两个非线性晶体和三阶非线性光学磁化率 (susceptibility)，能够产生交叉偏振波，该第一滤波器称为非线性交叉偏振 滤波器，插入到这两个放大器之间。

激光链的主要特征在于所述激光链在第一放大级和最后放大级之间包 括至少一个其它的非线性交叉偏振滤波器，即，在激光链中有N个滤波器 和N-1个色散补偿器，其中N≥2，色散补偿器(分别)设置在一个或多个 第一滤波器的输出端。

激光源可选地包括具有频率啁啾的第三级放大级，其插入在两个非线 性交叉偏振滤波器之间，此第三放大级包括级联的展宽器、放大链和压缩 器，该压缩器也是一种色散补偿器。

色散补偿器能够是具有受控色散的镜压缩器。

放大级典型地是CPA或者OPCPA放大器。

附图说明

通过阅读下述由非限定性示例给出的说明并参照附图，本发明的其它 特点和优点会变得明显。

图1示意性地表示作为时间的函数的主脉冲和ASE的峰值功率。

图2示意性地表示根据本发明的第一实施例的激光源的第一示例。

图3示意性地表示根据本发明的激光源的第二示例。

具体实施方式

提出的解决方案的基本思想是组合至少两个XPW滤波器以将脉冲的 对比度提高7到8个数量级。

更准确地，根据本发明的激光源100，如图2中示出了其示例，包括级 联的基本配置：

-固态激光振荡器1，

-具有频率啁啾的第一CPA或者OPCPA放大级2，在其输出端的对比 度为10⁵或者10⁶的量级，

-第一XPW滤波器3，优选为XPW HE滤波器，

-色散补偿器4，包括例如一对具有受控色散的镜，

-另一个XPW滤波器5，

-具有频率啁啾的最后CPA或者OPCPA放大级6，在其输出端的对比 度为10¹²或者10¹³的量级。

回想起具有频率啁啾的放大器包括级联的展宽器、具有一个或多个放 大器的放大链、和压缩器。在每个放大器中，激光束通过一次或多次。

XPW滤波器包括两个偏振器和一个或者两个具有三阶非线性光学磁化 率的非线性晶体。在本发明上下文中使用的XPW滤波器中，可能提到了专 利1662306中描述的滤波器。例如，这能够是XPW滤波器，其包括使得可 能从滤波器的输入端的脉冲获得具有直线偏振的场E的第一偏振器P1。该 电场聚焦在立方晶体C上，即其在入射场和生成场之间不具有任何群速度 偏移，例如BaE₂晶体，其在大的光谱区域上从紫外到红外都是透明的。场 E能够聚焦到晶体C外部，但在后者附近。此晶体C将入射场的部分转换 为具有直线偏振的场E’1，其与E的偏振方向正交。入射场的另一部分由晶 体C透射而未经转换：该未经转换的场，与入射场的偏振相同，是ASE的 载体。

根据第一实施例，滤波器包括具有立方几何结构的第二晶体，其能够 在输入端接收场E’1和剩余场E并且能够根据剩余场E生成与E’1具有相 同偏振并具有相同时间特性的场E’2，并且因此能够与场E’1生成相长干涉。

根据另一个实施例，晶体C足够在多通(multi-pass)配置中产生此场 E’2。

具有与P1的偏振正交的直线偏振的第二偏振器P2使得可能衰减或甚 至消除携带ASE的场，仅使得场E’1+E’2也就是主脉冲的场通过。

如之前所示，这些滤波器3中的第一个优选是XPW HE(高能量)滤 波器，如此命名是因为归因于其中晶体上的光束的尺寸与此能量水平兼容 的配置，其能够接收输入能量为0.5mJ到15mJ之间的脉冲。该配置的示例 描述于“Efficient cross polarized wave generation for compact，energy-scalable， ultrashort laser sources”中，Ramirez等，Optics Express，第19卷，第1期， 第93-98页(2011)。第二滤波器5是如上所述的XPW HE滤波器或者传统 的XPW滤波器，其输入能量在0.1到0.5mJ之间。

在第一滤波器3引入由光束通过偏振器和其中发生XPW效应的非线性 晶体传输而感生的一些色散的情况下，必须要以补偿该色散，以使得在第 二(其它)XPW滤波器5上呈现具有优化特性的光束。给定此色散的相对 低的值，通过有具有受控色散的镜(通常是一对镜)的压缩器4产生补偿， 该镜目前是商业可获得的元件并且其色散特性可以根据所要产生的补偿进 行调整。

在第二XPW滤波器5之后能够存在色散补偿器，但在光束后面被立即 展宽的情况下和在能够通过具有频率啁啾的最后放大级6的压缩器的调整 产生补偿的情况下不是必需的。

XPW滤波器以容许输入能量(高达15mJ)的形式存在使得这样的组合 成为可能：实际上，如果例如第一XPW滤波器接收3mJ的能量并具有15％ 的效率，在给定损失情况下能够获得450μJ的光束，特别是压缩器中的其 镜具有受控色散的那些压缩器，使得其可能在第二XPW滤波器的输入端具 有达到300μJ的通路。当此第二滤波器具有20％的效率时，其使得有可能 传送60μJ的能量以注入到具有频率啁啾的第二放大级，即优选地足够的值 并且其在现有技术的水平下是容易。

复杂性的问题因而得以解决，因为XPW级非常简单，其包括一些晶体 和一些光学元件，其尺寸仍然小，因为所涉及的能量在链中的这个位置弱。

考虑到入射能量，第一滤波器3可选地设置在真空中，但是其为仅包 括非线性晶体和空间滤波装置的真空室，即典型地为直径5cm长度为50cm 的圆柱，并且因此是比1m³的量级的等离子体镜的情况小得多的体积室； 此外，所要求的真空水平比等离子体镜的情况下低得多(比其小两个数量 级)。

双重等离子体镜引起的第二个问题，就是能量损失，在此也得到解决， 因为由于XPW滤波器设置在激光链的开始处，补偿了其引入的显著损失 (总透射仅为百分之几)，所以其足以从具有频率啁啾的第二放大级的第一 多通放大器增加一个或者两个通路。

实施例的优选装置在使用该基本配置的以下架构中的包括级联的：

-锁模钛-蓝宝石振荡器1，

-第一钛-蓝宝石CPA 2，典型地传送3mJ，在其输出处的对比度为10⁵或者10⁶的量级，

-一个例如效率为15％的具有一个BaF2晶体的XPW HE滤波器3，

-装备有具有受控色散的一对镜的色散补偿器4，其总的透射为70％的 量级，

-效率为20％的具有两个BaF2晶体的XPW滤波器5，具有300μJ的 典型输入能量和60μJ的典型输出能量，

-根据该CPA的放大器的数目，第二钛宝石CPA6传送典型地包括在 100TW到30PW之间的峰值功率。

许多变形是可能的：

-BaF2可以由CaF2或SrF2或CaBaF2，或者CaSrF2或者金刚石或者 LiF或者YAG或者任意其他能够产生交叉偏振波的具有三阶非线性磁化率 的材料替代，

-CPA可以由OPCPA替代或者具有混合配置(OPCPA，然后CPA)是 可能的，

-对于CPA，放大介质可以为钛掺杂的蓝宝石，钕掺杂或者镱掺杂玻 璃构成的玻璃(或者其混合物)，或镱掺杂玻璃或者晶体，

-滤波器5可以为XPW HE滤波器，

-可能预见具有三个XPW滤波器的配置(例如两个XPW HE滤波器， 然后一个XPW滤波器)插入在具有频率啁啾的两个放大级之间，两个第 一XPW滤波器中每一个之后具有色散补偿器；在此情况下，有可能预见对 比度的与具有艾克瓦(exawatt)的峰值功率兼容的10至12个数量级的增 大。

-有可能预见如图3中所示的包括具有频率啁啾的三个放大级(CPA 或者OPCPA)的配置，在两个放大级之间(在第一个2和中间一个8之间， 或者在中间一个8和最后一个6之间；在图中的示例中，在放大级2和8 之间有两个滤波器3、7)具有一个或者两个XPW滤波器(或者XPW HE 滤波器)，在第一XPW滤波器中的每一个之后有色散补偿器，已知该第三 放大级8可以经由其压缩器起到色散补偿器的作用并且因而替代一个补偿 器。当该激光链包括N个滤波器(N≥2并且包括第一滤波器)时，在该N-1 个第一滤波器的输出端存在色散补偿器，即有N-1个补偿器。

本发明还具有另一个优点，其增大了XPW技术中固有的光谱展宽。实 际上，XPW级产生系数为√3的光谱展宽(并且因而脉冲持续时间减少这么 多)因为非线性现象取决于强度的立方。两个XPW级的实施因此是产生3 的因子的光谱展宽的种类。每个脉冲的持续时间的这种减少使得有可能降 低泵浦能量。于是，优选地使用CPA类型的具有频率啁啾的放大级。