啁啾脉冲放大系统中单光栅展宽器的优化

　　1　引　言

　　近年来,发展大能量、高峰值功率的超短光脉冲激光器,用于强场物理、超快X射线的产生和高密度等离子体等方面的研究,已引起了人们极大的关注。啁啾脉冲放大技术是目前成功、高效地产生高峰值功率超短光脉冲的一个重要手段。其核心就是将超短光脉冲在放大之前进行时域上的展宽,目的在于降低放大过程中激光脉冲的强度,避免对放大器光学元件造成的损伤。目前,最常用的展宽器为E. B. Treacy 1969年提出的光栅对系统[1],及O.E. Martinez 1987年在此基础上建立的基于光栅对的展宽及压缩系统[2]。Ming Lai于1993年又发明了一种更紧凑的单光栅展宽系统[3],如图1所示,此系统克服了上述结构的复杂性,同时也减少了光栅个数。但至今对于在相同脉冲展宽比条件下,入射角的变化对光栅展宽器的光栅宽度及光栅对间距的影响却未有过系统研究[4~7]。通过对单光栅展宽系统在入射角大于利特罗角和入射角小于利特罗角两种入射情况下光栅宽度的数值计算,我们发现对同一飞秒脉冲在相同展宽比条件下,入射角小于利特罗角时所需光栅宽度要远小于入射角大于利特罗角时所需的光栅宽度,计算结果显示光栅宽度有12%~29%的减少。同时,对入射角小于利特罗角时的光栅宽度与入射角的变化关系进行数值模拟,证实存在一最佳入射角,此时所对应的光栅宽度达到最小值。在上述过程中,理论分析表明入射角小于利特罗角时,此单光栅展宽器的等效光栅对间距,较入射角大于利特罗角时也有较大缩短,计算结果为77%~88%的缩短。这充分说明,在入射角小于利特罗角时,已有单光栅展宽器被进一步优化,即缩短了所需的光栅宽度,同时减小了展宽器占用的空间。上述结果无疑为实现小型、经济的桌面高功率啁啾脉冲放大系统奠定了坚实基础。

　　2　单光栅展宽系统的结构及理论分析和数值计算

　　单光栅展宽系统是一双层结构,如图1((a)侧视图,(b)俯视图)所示,图中1为光栅,2为水平屋脊镜,3为垂直屋脊镜。光脉冲由水平屋脊镜和垂直屋脊镜中间入射到光栅上,第一次展宽利用光栅的下部,第二次展宽利用光栅的上部,每次展宽的光路如图1(b)所示,整个展宽过程光脉冲四次通过光栅,从而确保激光束空间特性的恢复。

　　现在来计算单光栅展宽系统的光栅宽度,图2为其等效光路图。由图2可知,光栅宽度L由三部分组成:入射光斑在光栅上的投影a,入射光线与出射光线间距在光栅上的投影b及光脉冲经一次展宽后的宽度c,即

　　光脉冲经一次展宽后的宽度c,可利用此单光栅展宽器的等效的光栅对(图3)作计算。如图3所示可得