隨著激光技術(shù)的發(fā)展，尤其是90年代基于鈦藍(lán)寶石自鎖膜技術(shù)(KLM)和啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的出現(xiàn)，激光器可以產(chǎn)生脈寬為飛秒，峰值功率為太瓦以上的超短脈沖。為物理學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)以及光譜學(xué)等學(xué)科對(duì)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(zhēng)先追逐的目標(biāo)。如2017年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所基于CPA技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)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(huì)對(duì)激光器中的光學(xué)元件造成損傷。故國(guó)際上針對(duì)PW級(jí)的激光系統(tǒng)一般分為兩類放大方式，即基于啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)和基于啁啾脈沖光參量放大技術(shù)(OPCPA)。如圖1，即為CPA原理圖。

圖1. 啁啾脈沖放大技術(shù)原理圖

該兩種技術(shù)為了降低放大過程中，激光脈沖對(duì)光學(xué)元件的損傷，都先用一個(gè)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(zhì)中對(duì)展寬后的種子脈沖進(jìn)行放大，最后用一個(gè)對(duì)應(yīng)的壓縮器對(duì)放大脈沖進(jìn)行壓縮，從而得到能量極高(焦耳量級(jí))、脈寬極短(飛秒量級(jí))、峰值功率極高(百太瓦或拍瓦量級(jí))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(tǒng)中，壓縮器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

這里就針對(duì)一套大能量拍瓦級(jí)系統(tǒng)，以雙光柵壓縮系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一個(gè)合理有效的壓縮器。

注意：

1. 本例不基于任何一個(gè)已存在的系統(tǒng)，如有雷同，純屬巧合。

2. 如需參考本例進(jìn)行壓縮器設(shè)計(jì)，請(qǐng)注意代入正確的激光參數(shù)（波長(zhǎng)、帶寬、脈寬、能量、光束口徑等），并仔細(xì)確認(rèn)計(jì)算結(jié)果（如有疑問可聯(lián)系本公號(hào)協(xié)助確認(rèn)），切忌直接套用壓縮器尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)或采購。

一、設(shè)計(jì)目標(biāo)

放大器出射的光脈沖具體參數(shù)如表1：

表1. 放大器出射光參數(shù)

我們這里采取雙光柵壓縮結(jié)構(gòu)，如圖2所示. 經(jīng)由放大器輸出的寬帶激光脈沖入射到光柵1上進(jìn)行光譜展開，然后經(jīng)過光柵2準(zhǔn)直后，由90°折返屋脊鏡降低高度，再經(jīng)光柵2收集和光柵1準(zhǔn)直，經(jīng)反射鏡后輸出壓縮器。實(shí)現(xiàn)光脈沖在時(shí)間上的脈寬壓縮。其所用到的光學(xué)元件有：光柵1，光柵2，屋脊鏡。

圖2. 雙光柵式壓縮器. G1，光柵1；G2，光柵2， RM，屋脊鏡；

二、設(shè)計(jì)步驟

其具體實(shí)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(jù)光柵的損傷閾值經(jīng)驗(yàn)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(jì)算，可得：R≥66.7mm 即Φ=133mm.

為了增大安全系數(shù)，取光束口徑為Φ=190mm.

2. 設(shè)定光柵入射角

一般對(duì)衍射光柵來說，入射角為L(zhǎng)ittrow角時(shí)光柵衍射效率最大。根據(jù)光柵方程：sinγ+sin(γ-θ)=λ?d，其Littow角(θ=0)為26.7°. 但是對(duì)于反射式壓縮器來說，以Littrow角入射到光柵上時(shí)，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(tǒng)中，壓縮器的光柵參數(shù)和入射角在進(jìn)行選擇時(shí)，還需要考慮展寬器參數(shù)和放大器本身的色散情況，確保CPA系統(tǒng)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(bǔ)償。

3. 確定光柵對(duì)間距

根據(jù)Treacy公式[1]可以計(jì)算出，圖2所示結(jié)構(gòu)的壓縮器壓縮量為2ns時(shí)，光柵對(duì)的斜距離為：

這里，關(guān)于光柵對(duì)的色散公式推導(dǎo)，不再贅述。詳參見參考文獻(xiàn)[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(zhǎng)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(diào)節(jié)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(jīng)過光柵2準(zhǔn)直后的橫向尺寸為450mm，為保證調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)的壓縮器系統(tǒng)效率為60%，故每塊光柵衍射效率在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)（1300nm~1700nm）和對(duì)應(yīng)的入射角附近（這里為40°），必須確保88%以上的效率。

圖3. 設(shè)計(jì)壓縮器光路示意圖

由上圖可知，對(duì)于PW量級(jí)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(jié)構(gòu)。如圖4，在四光柵結(jié)構(gòu)條件下，壓縮器參數(shù)是保持不變的。

圖4. 四光柵壓縮器光路示意圖

8. 檢驗(yàn)

可以將上述參數(shù)輸入ZEMAX軟件或其他類似的光學(xué)軟件中進(jìn)行光學(xué)追跡，若沒有漏光、切光的現(xiàn)象，則可以確定該系統(tǒng)參數(shù)?，F(xiàn)總結(jié)如下表3：

表3. 壓縮器中各元件參數(shù)

這樣，就可以去各個(gè)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(jié)構(gòu)的雙光柵結(jié)構(gòu)壓縮器為例，為大家描述壓縮器中各參數(shù)怎么確定。對(duì)于其它種類的壓縮器和展寬器，如八通結(jié)構(gòu)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(yīng)用于科研生活中。

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

引用文獻(xiàn)：

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