双注入OPCPA相干组束超高功率激光系统

摘要

一种双注入式OPCPA相干组束超高功率激光系统，该系统将相干组束方法与双注入式OPCPA混合式超高功率飞秒激光系统相结合，最终实现数PW乃至EW级的超高功率激光输出。本发明该系统利用了OPCPA单程增益高和无热效应等优点，使不同光束经过相同光路，大大降低了OPCPA放大中相位变化不确定性的影响和控制不同光束间同步性的难度，可以提高超高功率激光系统的相干合束效果，实现更高能量激光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光系统，特别是一种双注入OPCPA相干组束超高功率激光系 统。

背景技术

近几十年来，超短超强激光器不断发展，其峰值功率达到拍瓦(10¹⁵W)量级， 聚焦峰值功率能够达到10²¹W/cm²-10²³W/cm²。超短超强激光器为众多学科领域提 供了前所未有的实验手段和极端物理条件，在超强场激光物质相互作用的实验中得 到广泛应用，例如超快X射线辐射、高次谐波的产生、激光尾波场粒子加速和快点 火激光核聚变等。对于绝大多数超强场激光物质相互作用实验来说，起决定作用的 是激光聚焦后焦点处的峰值功率密度。因此如何提高激光器的峰值功率密度是高功 率激光领域的研究焦点。

然而受到激光介质和压缩光栅等关键器件的工作口径的限制，传统的利用提高 单束激光能量的方法已难满足能量密度大幅提高的要求，因此多束激光相干叠加是 未来提高峰值功率密度的有效途径。峰值功率的大幅度提高(>10²⁵W/cm²)将为基 础量子电动力学提供理论和实验验证条件，例如，真空偏振效应、真空中正负电子 对的产生等。相干光束叠加技术将为峰值功率的进一步提高(>10²⁵W/cm²)提供更 可行的方法。将现有的CPA-OPCPA或全OPCPA超高功率激光系统与相干组束技术 相结合无疑是大幅度提高激光功率的有效方法。传统的相干合束方法是将分束后的 脉冲分别放大压缩(经过不同的放大过程和压缩器)，再进行聚焦合束，但是相干合 束法对单光束的光束质量和光束间的同步性要求极高，传统相干合束法对超高功率 激光系统的光束质量控制带来极高的难度。

例如俄罗斯激光物理所实现的小能量OPCPA激光系统的相干组束试验(见图 4)，获得了迄今为止最短的相干合成脉冲，输出能量为50μJ，脉冲宽度为49fs，频 率为10Hz，合成效率为97％。其实验方法是将飞秒振荡器1’产生75MHz脉冲，经 过展宽器2’展宽，AOPDF3’预补偿和电光调制器4’选频，经分束镜5’分为两束光。 第一光束经过非线性晶体6’放大，再经压缩器7’压缩后进入聚焦透镜11’；第二光束 经过非线性晶体9’放大，经压缩器10’压缩后进入聚焦透镜11’。通过时间控制系统 8’调节两路光束间的延时，通过调节色散补偿器件12’补偿光栅差异造成的色散差 异，使得两束激光同时聚焦在焦点上发生相干叠加。13’为双光束时间抖动测量系统， 将测得的时间误差信号传递给延时调节器件8’对延时进行调节。但是由于该实验方 法采用两个非线性晶体放大、两个压缩器压缩，引入了较大的光束间光学性能差异， 增加了超高功率低重复频率拍瓦激光系统的相干合束难度，如何减小光束间的差异 成为超高功率飞秒激光相干叠加的关键技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种双注入OPCPA相干组束超高功率激光系统。该系统提 出了双注入式的激光放大和压缩方法，形成了双注入式相干组束模式。该系统利用 了OPCPA单程增益高和无热效应等优点，使不同光束经过相同光路，大大降低了 OPCPA放大中相位变化不确定性的影响和控制不同光束间同步性的难度，可以提高 超高功率激光系统的相干合束效果，实现更高能量激光输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种双注入式OPCPA相干组束超高功率激光系统，特点在于该系统包括高信噪 比前端、展宽器、前端放大链、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、 第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第一延时器、 第二延时器、OPCPA终端放大器、压缩器、PZT延时调节器件、第一分光镜、第二 分光镜、延时测量器件、PID闭环回路延时控制器、聚焦系统和OPCPA高能泵浦源， 激光脉冲种子光经所述的高信噪比前端、展宽器、前端放大链后，经分束镜分为信 号光和信号光，在信号光光路上依次是所述的第一延时器、第二反射镜、OPCPA终 端放大器、第五反射镜、压缩器、PZT延时调节器件、第一分光镜和聚焦系统，后 汇聚于焦点；在所述的信号光光路上依次是所述的第一反射镜、第二延时器、第三 反射镜、OPCPA终端放大器、第四反射镜、压缩器、第六反射镜、第二分光镜和聚 焦系统，后汇聚于焦点，在所述的第一分光镜和第二分光镜的分光方向是所述的延 时测量器件和PID闭环回路延时控制器，所述的PID闭环回路延时控制器的输出端 与所述的PZT延时调节器件的控制端相连，所述的OPCPA高能泵浦源输出的泵浦 光经所述的第七反射镜对所述的OPCPA终端放大器进行泵浦。

所述的前端放大链为OPCPA放大链或CPA放大链。

所述的第一信号光和第二信号光共用同一个泵浦光，且第一信号光、第二信号 光均与泵浦光满足非共线角匹配条件，泵浦光脉宽根据注入的光束脉宽和间隔调节。 通过调节第一延时器和第二延时器，调节第一信号光和第二信号光的延时，使其完 全包含于泵浦光内。所述的分束光可继续分束得到四束光或更多束光，并两两光束 共同注入同一块非线性晶体和同一个压缩器，形成OPCPA双注入式多光束相干组束 系统。

本发明具有以下技术效果：

本发明双注入相干组束超高功率飞秒激光系统，以CPA或OPCPA放大链为前 端放大级、双注入式OPCPA放大器为终端放大级，将经前端放大级放大后的光脉冲 分为两束，两束光经过同一个OPCPA放大器放大、同一个压缩器压缩，再经聚焦透 镜聚焦于同一点上实现相干叠加。该系统既克服了单光束OPCPA放大过程中非线性 晶体口径对放大能量的限制，又充分利用了OPCPA放大过程中高增益、无热效应的 优点，减少了合束过程中光束间的差异，大大降低了合束难度。本系统单光路可以 实现原有超高功率激光系统的输出指标，加之相干组束结构，可以实现峰值功率的 大幅度提升。整个系统具有结构紧凑，稳定性高的优点，可以应用于具有重要科学 意义和战略高技术创新的重要领域。

本发明的技术方案适用于不同工作波段，只须根据需要选择不同工作介质即可。

本发明的技术方案不仅适用于双光束的相干叠加，也适用于多光束的相干叠加， 只需将第一信号光和第二信号光按照所述分光方式继续分光，即可分得4束乃至更 多束光，并使得两两光束按照所述方式共用同一非线性晶体和压缩器，就能实现双 注入式多光束相干组束。

本发明的技术方案不仅适用于数十PW的激光系统，也适用于更高量级乃至EW 的输出。

本发明的技术方案不仅适用于飞秒量级的激光系统，同样适用于皮秒、纳秒量 级的激光系统，只需调整展宽和压缩器即可。

本发明适用于任何以OPCPA终端器为终端放大级的高功率激光系统。

附图说明

图1为本发明双注入OPCPA相干组束超高功率激光系统的结构示意图

图2为信号光与泵浦光角度关系示意图

图3为信号光与泵浦光时间关系示意图

图4为俄罗斯激光物理所OPCPA相干叠加系统的结构示意图

具体实施方式

以CPA/双注入OPCPA混合拍瓦飞秒激光系统为例(CPA/双注入OPCPA混合 拍瓦飞秒激光系统是指以CPA为前端放大级，双注入OPCPA为终端放大器的拍瓦 飞秒激光系统)对本发明作进一步说明。

图1为本发明双注入OPCPA相干组束超高功率激光系统的结构示意图，由图可 见，本发明双注入OPCPA相干组束超高功率激光系统包括高信噪比前端1、展宽器 2、CPA放大级3、分束镜4、第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反 射镜11、第五反射镜12、第六反射镜15、第七反射镜23、第八反射镜24、第一延 时调节器6和第二延时调节器7、OPCPA终端放大器10、压缩器13、PZT延时调节 器件14、聚焦系统20、第一分光镜16、第二分光镜17、延时测量器件18、PID闭 环回路延时控制器19、聚焦系统20，OPCPA高能泵浦源22，垃圾桶25,，聚焦透镜 焦点21，PZT延时调节器件14、延时测量器件18和PID闭环回路延时控制器19 组成第一信号光s1和第二信号光s2闭环时间控制系统。所述的CPA-OPCPA混合式 拍瓦激光系统工作过程见【专利申请号：201210580094.5】，所述的压缩器设计结构 见【专利申请号：201410738650.6】。

所述的相干叠加结构的实施过程为：

激光脉冲在CPA放大链后分成两束第一信号光s1和第二信号光s2，第一信号 光s1经过50％分光镜后，依次经过第一延时器、反射镜、OPCPA终端放大器、反 射镜、压缩器、PZT延时调节器件、聚焦系统后汇聚于焦点；第二信号光s2经过50％ 分光镜后，依次经过第一延时器、反射镜、OPCPA终端放大器、反射镜、压缩器、 反射镜、聚焦系统后汇聚于焦点。当放大后的第一信号光s1和第二信号光s2到达 焦点处的时间差小于150as时即可实现双光束的相干叠加。第一信号光s1和第二信 号光s2经过同一个OPCPA终端放大级10，并共用同一个OPCPA高能泵浦源22。 调节反射镜8、9，使得第一信号光s1和第二信号光s2均与泵浦光p满足非共线角 匹配条件。所述的第一信号光s1和第二信号光s2波长均为800nm，脉宽为2ns，泵 浦光p波长为527nm，脉宽为5nm。通过调节第一延时器6、第二延时器7来控制 第一信号光s1和第二信号光s2的延时，使第一信号光s1和第二信号光s2完全包含 于泵浦光p内，第一信号光s1、第二信号光s2和p光在满足空间和延时条件下通过 OPCPA终端放大器使得第一信号光s1和第二信号光s2得到放大，剩余泵浦光p经 反射镜24进入垃圾桶25。调节第四反射镜11、第五反射镜12使第一信号光s1、第 二信号光s2经过压缩器13，第一信号光s1、第二信号光s2被压缩至飞秒量级。压 缩后的第一信号光s1经过PZT延时调节器件，PZT延时调节器件可以调节第一信号 光s1从OPCPA到焦点21处的光程，从而调节第一信号光s1、第二信号光s2到达 焦点21处的时间同步性。利用第一分光镜16、第二17将s1、s2光分出3％，输入 延时测量器件18，延时测量器件18将测得光信号转化为电信号，并传递给PID闭 环回路延时控制器19。PID闭环回路延时控制器19分析处理该信号并向PZT延时 调节器件输出反馈信号。PZT延时调节器件通过调节第一信号光s1到达焦点21的 光程改变第一信号光s1的延时，使第一信号光s1、第二信号光s2到达焦点21的时 间误差小于150as。第一信号光s1、第二信号光s2经聚焦系统后在焦平面上相干叠 加。

具体操作步骤为：

1.CPA/双注入式OPCPA拍瓦飞秒激光系统中800nm种子脉冲光经高信噪比1、 展宽器展宽2、和CPA前端放大级3放大后至数焦耳量级，脉冲宽度为2ns， 斯特尔比率为0.6。泵浦光p光波长为527nm，脉宽为5ns。

2.800nm光经分光镜4分为第一信号光s1、第二信号光s2，通过调节第二反 射镜8、第三反射镜9，分别调整第一信号光s1、第二信号光s2和泵浦光p 光的角度：首先调经第二反射镜8，使第一信号光s1与泵浦光p的夹角成非 线性匹配角，再调整第三反射镜9，将第二信号光s2耦合进非线性晶体，使 第二信号光s2与泵浦光p光也成非共线匹配角，即第一信号光s1、第二信 号光s2与泵浦光p均满足非线性晶体的非共线匹配角度。

3.调节第一延时器6、第二延时器7，使得第一信号光s1、第二信号光s2先后 经过非线性晶体，时间间隔在1ns之内，使第一信号光s1、第二信号光s2 完全包含在脉宽为5ns的泵浦光p光内，并经非线性晶体放大。

4.调节第四反射镜11、第五反射镜12，使第一信号光s1、第二信号光s2通过 压缩器13被压缩至飞秒量级。

5.调节聚焦系统20，使第一信号光s1、第二信号光s2光束聚焦在同一焦点21。

6.利用第一分光镜16、第二分光镜17，从第一信号光s1、第二信号光s2主光 路中分出3％，经过延时测量器件18测量第一信号光s1、第二信号光s2相 位信息并转化为电信号，经PID闭环回路延时控制器19分析第一信号光s1、 第二信号光s2光束间时间误差信号，输出反馈信号，传递给PZT延时调节 器件14。PZT延时调节器件通过调节第一信号光s1光路长度调节第一信号 光s1、第二信号光s2时间同步性以控制第一信号光s1、第二信号光s2到达 焦点21的时间差，使得第一信号光s1、第二信号光s2间的时间抖动小于 150as。第一信号光s1、第二信号光s2即可在焦平面处实现相干组束。

本发明充分利用了OPCPA单程增益高和无热效应等优点，使不同光束经过相同 光路，大大降低了OPCPA放大中相位变化不确定性的影响和控制不同光束间同步性 的难度，可以提高超高功率激光系统的相干合束效果，实现更高能量激光输出。

本发明提出的技术方案不仅适用于双光束的相干叠加，也适用于多光束的相干 叠加，只需将第一信号光s1、第二信号光s2按照所述分光方式继续分光，即可分得 4束乃至更多束光，并使得两两光束按照所述方式共用同一非线性晶体和压缩器， 就能实现双注入式多光束相干组束。

另外本发明适用于任何以OPCPA为终端放大器的激光系统，前端放大链可以为 CPA放大或OPCPA放大。

本发明同样可以应用在纳秒、皮秒超高功率激光系统，只需合理设计激光系统 的展宽器和压缩器，再根据信号光被展宽量合理设计泵浦光的脉宽，即可实现光束 的相干叠加。因此，本发明对超高功率输出功率的提高有重要意义。