一种新型的脉冲放大装置及放大方法

摘要

一种新型的脉冲放大装置及放大方法，包括光路上依次设置的振荡器和放大器，还包括第一相位板和第二相位板，其中第一相位板和第二相位板位分居放大器两侧，这两个相位板具有完全相同的形状和大小，并且由完全相同的材料制造而成，如果以相位板的中心定义为相位板的原点坐标，如果第一相位板上某个点的坐标为（x,y），对于穿过该相位板的光束来说该处的相位为Φ1xy，对于第二相位板上相同的点（x,y），对于相同的光束来说该处的相位为Φ2xy，则对于整个相位板所有的位置点来说，Φ1xy+Φ2xy=恒量，并且每个相位板均是非均匀相位板，光束在两个相位板上是以垂直的方式在完全相同的位置和范围内穿过的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的啁啾脉冲放大装置，主要涉及的是粒子强场实验研究，属于高能物理领域。 

背景技术

光是由在与其传播方向垂直的平面内相互正交振荡的电场和磁场组成。光的强度正比于组成光波的电场的平方与磁场的平方之和。由于激光具有极好的空间和时间相干性，所以激光光束中的电场比通常非相干光源的电场大许多个数量级。目前认为物质的最小单位原子是由原子核与绕原子核运动的电子组成的。传统原子物理学研究的主要内容是物质中电子在原子内电场作用下表现出来的行为和性质。近年来，由于超短脉冲啁啾放大( chirped pulse amplification) 技术的重大突破, 目前的超短脉冲激光聚焦后已经可以产生比原子内电场强得多的电场，从而使人类终于拥有了可以彻底改变和控制物质中电子的运动并进而改变物质性质和状态的能力。原子内的电场强度非常大。以氢原子为例, 束缚电子在氢原子中运动的原子内电场强度高达5*10⁹V/ cm. 这个电场究竟有多强? 作个简单的比较: 自然界中闪电的力量是巨大的, 雷霆万钧就是形容其威力的；但是, 闪电所产生的电场仅仅相当于原子内电场的百万分之一!如果把原子内电场的强度用于加速电子的话,只需要10cm 的加速距离就可以将电子加速到5*10¹⁰eV 的能量, 这大约相当于在日内瓦27km 周长的LEP 加速器上加速许多圈才能获得的能量。要想使激光的电场大到可以与原子内电场相比, 激光的光场至少要达到3*10¹⁶W/ cm²。这对于一般长脉冲( 脉宽> 10^-9s) 激光来说, 是个可望而不可及的目标。正是由于这个原因, 人类对于物质在强于原子内电场的电场中的运动规律的研究基本上是一个空白；而这一状况现在有了巨大的改变。近年来超短脉冲啁啾放大技术的重大突破, 使得激光强度提高了5到6个数量级。这种新型激光的聚焦光强高达10²⁰W/ cm², 所产生的电场强度远大于原子的内电场, 脉冲啁啾放大技术的基本原理如图1 所示：从宽频带超短脉冲( < 10^-12s) 振荡器发出图1超短光脉冲展宽- 放大- 压缩得到超短激光脉冲，其先通过一个色散延迟光学元件( 例如光栅) 使其脉冲宽度得到10³到10⁵ 倍的展宽, 然后注入激光放大器中进行放大, 以得到尽可能大的能量。由于此时的激光脉冲很宽, 所以放大后的激光脉冲光强仍低于激光介质的破坏阈值。在激光放大器之后, 再通过一个共轭色散补偿光学元件, 把放大后的激光脉冲再压缩回到原来的脉冲宽度。这样产生的激光聚焦后可以产生超过10²⁰W/ cm² 光强。目前, 英国的卢瑟福实验室、法国的里梅尔实验室和美国的利弗莫尔国家实验室的激光装置都已具有了这样的能力。我国和其他国家的激光装置也都在改造之中。值得一提的是, 用啁啾放大技术对原有的激光装置的改造比起依靠扩大激光输出口径、增多激光输出路数来提高激光功率的方案来要经济、合算得多。这些都属于现有技术中大家公知的技术，更具体的详情可参见张杰的《强场物理-一门崭新的学科》一文。正是由于啁啾脉冲放大技术的如此重要性，世界各国对于啁啾脉冲放大的研究也是异常踊跃，出现了各种各样的啁啾脉冲放大器，其所采用的原理都是如上面所指出的，其中所采用的展宽器和压缩器所采用的都是光栅或者光栅对，光栅或者光栅对制作相对复杂，成本高，在一些要求不太高的场合可能并不适合所有研究人员的选择，本发明针对此提出了一种能够替代上述展宽器和压缩器的放大装置。

发明内容

本发明针对上面的问题，提出了一种新型的啁啾脉冲放大装置。

本发明提供了一种啁啾脉冲放大装置，包括光路上依次设置的振荡器和放大器，其特征在于：还包括第一相位板和第二相位板，第一相位板和第二相位板分居放大器两侧，这两个相位板具有完全相同的形状和大小，并且由完全相同的材料制造而成，如果以相位板的中心定义为相位板的原点坐标，如果第一相位板上某个点的坐标为（x,y），对于穿过该相位板的光束来说该处的相位为Φ1xy，对于第二相位板上相同的点（x,y），对于相同的光束来说该处的相位为Φ2xy，则对于整个相位板所有的位置点来说，两个相位板相同位置处的相位和为常量，也即Φ1xy+Φ2xy =恒量，并且每个相位板均是非均匀相位板，也即整个相位板上的相位数值不能完全相同，光束在两个相位板上是以垂直的方式在完全相同的位置和范围内穿过的，其中的第一相位板和第二相位板由透光性材料制造而成，其中每个相位板均是一个板状结构，包括两个侧面，其中一个侧面为平面，另外一个侧面为具有不同高度凸柱结构的面，其中两个相位板相同位置的两个凸柱的高度和是恒定的，也即如果将两个相位板的具有凸柱的面相对放置并合并，那么正好会形成一个内部没有任何空间长方体，因为两个相位板相同位置处的两个凸柱的高度和在整个相位板上是一致的，它们组成了一个互补式的结构。

根据本发明的一个实施例，所述的第一相位板和第二相位板为由相同材料制造的玻璃，石英或树脂板。

 

附图说明

图1为现有技术中啁啾脉冲放大装置的示意图； 

  图2为本发明的啁啾脉冲放大装置示意图；

  图3示出了本发明所采用的相位示意图。

具体实施方式

以下在结合附图的基础上对于本发明的内容进行更加详细的描述。 

图2示出了本发明的高功率激光装置的示意图。其中1表示振荡器，3表示放大器，这些都属于现有技术，在此不再进行详细阐述。其中2和4为本发明中采用的两个相位板，这两个相位板分居在放大器的两侧，下面对于这两个相位板进行详细的说明，这两个相位板具有完全相同的形状和大小，并且由完全相同的材料制造而成，如果以相位板的中心定义为相位板的原点坐标，其中相位板2上某个点的坐标为（x,y），对于穿过该相位的光束来说该处的相位为Φ1xy，相位板4上点（x,y），对于相同的光束来说该处的相位为Φ2xy，则对于整个相位板来说，两个相位板相同位置处的相位和为常量，也即Φ1xy+Φ2xy =恒量，也即两个相位板上相同坐标处的两个点的相位和不变，并且每个相位板均是非均匀相位板，也即整个相位板上的相位数值不能完全相同，并且光束在两个相位板上是以垂直且完全相同的位置和范围内穿过的，也即如果光束照射在相位板2上范围为（x1，y1）到（x2，y2），那么在照射到相位板4上的范围也应当是（x1，y1）到（x2，y2）。

对于两个相位板来说，其非均匀性越高，则对于提高整个放大器的放大能量上限能力越强。对于两个相位板，其简单的例子可以为两个玻璃板，这两个玻璃板由完全相同的材质构成，为了使得这两个玻璃板满足上述的相位条件，可以简单对玻璃板的厚度进行调制，对于相同的光介质来说，相位即是厚度，所以只要使得两个玻璃板相同位置的厚度和保持为常量，例如第一个玻璃板点（x1，y1）处的厚度为1，第二个玻璃板点（x1，y1）处的厚度可设置为2，第一个玻璃板点（x2，y2）处的厚度为1.5，第二个玻璃板点（x2，y2）处的厚度为1.5，那么就满足了1+2=1.5+1.5=3的要求，同时将其他所有点的相位和均保持为3即可，并且将每个相位均制作为非均匀相位板即可，也即整个相位板的厚度不能相同。同时，为了制作上的方便，也可在制作的时候并不要求到每个点上的相位均改变，可以将整个相位划分为网格状结构，其中每个网格为一个单位，该单位网格内的相位是不变的，在这种情况下，只要保证两个相位板上相同位置的两个网格的相位和保持为常量即可。

图3示出了本发明所采用的一对相位板，其中2和4各表示一个相位板，这两个相位板可由任意的透光性材料制造，例如石英，玻璃，或者树脂等材料，其中每个相位板均是一个板状结构，包括两个侧面，其中一个侧面为平面，另外一个侧面为具有不同高度凸柱结构的面，其中两个相位板相同位置的两个凸柱的高度和是恒定的，也即如果将两个相位板的具有凸柱的面相对放置并合并，那么正好形成一个长方体结构，也即如图3中所示出的相位板2和相位板4，如果按照图示的方式将两个相位板合并，那么正好会形成一个内部没有任何空间长方体，因为两个相位板相同位置处的两个凸柱的高度和在整个相位板上是一致的，它们组成了一个互补式的结构。

采用本发明的相位板，首先，当激光束穿过第一个相位板之后即对激光束在空间上对相位进行了调制，由于相位板是非均匀的相位板，从而降低了激光束的空间相干性（也正是由于此，相位板的非周期性越强，其带来的空间相干性降低越大），从而使得激光束单位面积内能量密度的降低，而当光束通过第二个相位板之后，由于两个相位板的相位点处相位和是不变的，第二个相位板会对由第一个相位板造成的调制相位进行再次调制，使得激光束的空间相位分布恢复到最初的相干情形，通过这种方式，可在一定程度上取代原来的展宽器和压缩器。

同时还公开了根据上述装置的方法，包括，由振荡器输出的脉冲激光依次穿过第一相位板，放大器，和第二相位板，这两个相位板具有完全相同的形状和大小，并且由完全相同的材料制造而成，如果以相位板的中心定义为相位板的原点坐标，如果第一相位板上某个点的坐标为（x,y），对于穿过该相位板的光束来说该处的相位为Φ1xy，对于第二相位板上相同的点（x,y），对于相同的光束来说该处的相位为Φ2xy，则对于整个相位板所有的位置点来说，两个相位板相同位置处的相位和为常量，也即Φ1xy+Φ2xy =恒量，并且每个相位板均是非均匀相位板，也即整个相位板上的相位数值不能完全相同，光束在两个相位板上是以垂直的方式在完全相同的位置和范围内穿过的，其中的第一相位板和第二相位板由透光性材料制造而成，其中每个相位板均是一个板状结构，包括两个侧面，其中一个侧面为平面，另外一个侧面为具有不同高度凸柱结构的面，其中两个相位板相同位置的两个凸柱的高度和是恒定的，也即如果将两个相位板的具有凸柱的面相对放置并合并，那么正好会形成一个内部没有任何空间长方体，因为两个相位板相同位置处的两个凸柱的高度和在整个相位板上是一致的，它们组成了一个互补式的结构。