阅读说明：本技术 飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿装置方法 (Device and method for compensating femtosecond laser pulse front edge and wavefront distortion ) 是由 吴分翔 许毅 杨晓骏 冷雨欣 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿装置和方法,装置包括：薄膜偏振片、1/4波片、第一负透镜、第二负透镜、离轴抛面镜、可变形镜。激光脉冲经薄膜偏振片反射后沿轴方向依次经过1/4波片、第一负透镜、第二负透镜,再经离轴抛面镜反射后准直输出,输出脉冲经可变形镜零度反射后按原路返回,最后经薄膜偏振片透射输出。本发明不仅可以实现脉冲波前畸变的补偿,还能同时实现脉冲前沿畸变的动态补偿,在时域和空域上提高脉冲质量,使激光聚焦强度大大增强。具有调节方便、简单高效,实用性强的特点。(The invention discloses a device and a method for compensating the leading edge and wavefront distortion of a femtosecond laser pulse, wherein the device comprises: the lens comprises a thin-film polarizer, an 1/4 wave plate, a first negative lens, a second negative lens, an off-axis parabolic mirror and a deformable mirror. The laser pulse is reflected by the film polaroid, then sequentially passes through the 1/4 wave plate, the first negative lens and the second negative lens along the axial direction, is reflected by the off-axis parabolic mirror and then is output in a collimation manner, and the output pulse returns along the original path after being reflected by the deformable mirror at zero degree and finally is transmitted and output by the film polaroid. The invention can not only realize the compensation of the wave front distortion of the pulse, but also realize the dynamic compensation of the front distortion of the pulse, improve the pulse quality in a time domain and a space domain and greatly enhance the focusing intensity of the laser. Has the characteristics of convenient adjustment, simplicity, high efficiency and strong practicability.)

飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿装置方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲前沿畸变和波前畸变，以及利用负透镜和可变形镜来补偿脉冲前沿畸变和波前畸变，尤其是动态补偿脉冲前沿畸变的装置和方法。

背景技术

啁啾脉冲放大(CPA)技术的发明以及钛宝石生长技术的突破，使得超强超短激光技术得到了迅速发展，其峰值功率已达到了拍瓦量级，脉冲宽度也已实现了数十飞秒量级。目前，多个国家正在竞相研制10拍瓦量级的超强超短激光系统，相应激光脉冲的聚焦强度也有望突破10²³W/cm²。如此高的激光脉冲聚焦强度可为众多学科研究创造前所未有的实验手段和极端物理条件，从而推动一系列强场激光物理及相关研究的发展。例如，激光尾波场电子加速、高能质子和离子加速、固体高次谐波等。在大多数强场激光物理及相关研究中，激光脉冲的聚焦强度往往是决定研究成败的重要因素之一。激光脉冲聚焦强度除了取决于激光脉冲的输出能量，还与其时空质量密切相关。然而，受限于激光增益介质的生长技术以及光学元件的损伤阈值，激光脉冲的放大能量达到了瓶颈。因此，通过优化高峰值功率飞秒激光系统的时空质量来提高聚焦强度是超强超短激光发展的核心问题和研究热点。高峰值功率飞秒激光系统的时空质量除了脉冲宽度和对比度之外，还包括脉冲前沿和波前质量。

脉冲前沿，即脉冲的能量前沿，可以理解为波包的峰值所对应的平面或曲面。当激光脉冲经过透镜后，色散作用将导致脉冲前沿相对脉冲波前产生依赖于光束空间位置的延迟，形成脉冲前沿畸变。而且随着光束口径的增大，脉冲前沿的畸变量会迅速增长。此外，激光系统中光栅的倾斜也会引入色差，从而导致脉冲前沿畸变。脉冲前沿畸变会使得激光脉冲在聚焦时不同空间位置处的光线到达焦点区域的时间不同，从而引起焦点区域的脉冲时间宽度的展宽，造成真实聚焦脉冲峰值强度的下降。尤其使对于飞秒脉冲，脉冲前沿畸变往往远大于脉冲宽度。

脉冲波前，即脉冲的位相面，可以理解为波包的位相所对应的平面或曲面。脉冲波前畸变主要分为静态和动态波前畸变，前者来自于系统光学元件本身的不完美以及机械夹持应力，后者主要来自于系统的热效应以及非线性效应。脉冲波前畸变影响激光脉冲的聚焦能力，从而大大降低激光的聚焦强度。

虽然目前已经提出了一些补偿脉冲前沿畸变和波前畸变的方法，但都是独立的。由于脉冲前沿和波前是相对的，仅补偿脉冲前沿畸变并不能获得理想的平面脉冲前沿，它还存在与脉冲波前一致的畸变。此外，脉冲前沿畸变的补偿都是基于理论计算结果，可能与实际结果存在较大误差。因此，需要对脉冲前沿畸变进行动态补偿。而且，只有同时补偿脉冲前沿及波前畸变，才能获得完美的平面脉冲前沿，使飞秒激光脉冲获得最高的聚焦强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿装置和方法，在时域和空域上同时提高脉冲质量，使脉冲聚焦强度得到有效提升，从而推动强场激光物理及相关研究的发展。本发明突破了现有补偿方法的局限性，在实现脉冲波前畸变补偿的同时，还完成了脉冲前沿畸变的动态补偿，具有调节方便、简单高效，实用性强的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿装置，包括：薄膜偏振片、1/4波片、第一负透镜、第二负透镜、离轴抛面镜、可变形镜，所述的第一负透镜和第二负透镜分别放置在高精度平移台上；激光脉冲经所述的薄膜偏振片反射后沿光轴方向依次经过所述的1/4波片、第一负透镜、第二负透镜，再经所述的离轴抛面镜反射后准直输出，输出脉冲经所述的可变形镜零度反射后按原路返回，经所述离轴抛面镜反射后，依次经所述的第二负透镜、第一负透镜和1/4波片透射，最后入射到所述的薄膜偏振片，并经该薄膜偏振片透射输出。

所述的薄膜偏振片和1/4波片都是宽带消色差的，从而不会限制飞秒激光脉冲的带宽，也不会引入额外的脉冲前沿畸变。

所述的第一负透镜不仅能部分补偿激光脉冲前沿畸变，还能使激光脉冲发散，从而提高所述的第二负透镜脉冲前沿畸变的补偿能力。

所述的第二负透镜焦距比所述的第一负透镜焦距长，且共焦放置。

所述的第一负透镜和所述的第二负透镜的焦距是根据飞秒激光系统中总的脉冲前沿畸变量来确定的。

所述的离轴抛面镜的焦距是根据所述的第一负透镜和第二负透镜的焦距以及它与所述的第二负透镜的间距来确定的，三者构成像传递系统。

所述的第一负透镜和第二负透镜的位置可通过高精度平移台进行微调，从而实现脉冲前沿畸变的动态补偿。

所述的可变形镜，不仅实现了脉冲波前畸变的校正，还让脉冲原路返回实现脉冲前沿畸变的二次补偿。

本发明解决上述技术问题所采用的又一技术方案为：

一种飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

①计算飞秒激光系统中总的脉冲前沿畸变量T_total；

②确定所述的脉冲前沿及波前畸变补偿装置的入射脉冲半径r；

③设定所述的第二负透镜与第一负透镜的焦距比m；

④根据步骤①中的T_total和步骤②中的r，计算出所述的第一负透镜的焦距f₁和口径d₁，以及所述的第二负透镜的焦距f₂和口径d₂；

⑤设定所述的离轴抛面镜距离所述的第二负透镜的距离L，再按像传递要求，确定所述的离轴抛面镜的焦距f₃和口径d₃；

⑥根据所述的离轴抛面镜的口径，确定所述的可变形镜的口径d₄；

⑦将所述的薄膜偏振片、1/4波片、第一负透镜、第二负透镜和离轴抛面镜按光轴依次安装，其中所述的第一负透镜和第二负透镜共焦、并与所述的离轴抛面镜构成像传递系统；

⑧将可变形镜安装在所述的离轴抛面镜之后，使脉冲发生零度反射，按原路返回，实现脉冲前沿畸变的二次补偿；

⑨利用所述的可变形镜对脉冲的波前畸变进行实时校正；

⑩根据飞秒激光系统输出脉冲的聚焦质量，微调所述的第一负透镜和第二负透镜的位置，进行脉冲前沿畸变的动态补偿。

所述步骤①中飞秒激光系统中总的脉冲前沿畸变量计算如下：

其中，r_i为飞秒激光系统中第i个透镜的入射脉冲半径；c为真空中的光速；f_i为第i个透镜的焦距；n和dn/dλ为透镜材料的折射率和色散；λ为待测脉冲的中心波长。

所述步骤④中第一负透镜的焦距f₁和第二负透镜的焦距f₂满足：

所述步骤④中第一负透镜第二负透镜的口径d₁>r，d₂>mr。

所述步骤⑤中离轴抛面镜的焦距

口径

所述步骤⑥中可变形镜的口径d₄≥d₃。

与先技术相比，本发明具有以下显著特点：

1.先利用一负透镜使脉冲发散，再利用一负透镜补偿脉冲前沿畸变，而不是直接对平行光进行补偿，这大大加强了装置的补偿能力；

2.利用可变形镜将脉冲原路返回，在完成波前校正的同时实现脉冲前沿畸变的二次补偿；

3.同时实现脉冲前沿及波前畸变的补偿，从而在真正意义上意义上获得理想的平面脉冲前沿；

4.不局限于理论，可根据实际聚焦质量对脉冲前沿畸变进行动态补偿。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明实施实例的结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明一种飞秒激光脉冲前沿及波前畸变补偿装置的结构示意图，由图可见，装置包括：薄膜偏振片1、1/4波片2、第一负透镜3、第二负透镜4、离轴抛面镜5、可变形镜6，所述的第一负透镜3和第二负透镜4分别放置在高精度平移台上；激光脉冲经薄膜偏振片1反射后沿轴方向依次经过1/4波片2、第一负透镜3、第二负透镜4，再经离轴抛面镜5反射后准直输出，输出脉冲经可变形镜6零度反射后按原路返回，经离轴抛面镜5反射后，依次经第二负透镜4、第一负透镜3和1/4波片2透射后，入射到薄膜偏振片1，最后经薄膜偏振片1透射输出。

利用上述装置进行飞秒激光脉冲前沿及波前畸变补偿，该方法包括下列步骤：

①计算飞秒激光系统中总的脉冲前沿畸变量T_total；

②确定所述的脉冲前沿及波前畸变补偿装置的入射脉冲半径r；

③设定所述的第二负透镜4与第一负透镜(3)的焦距比m；

④根据步骤①中的T_total和步骤②中的r，计算出所述的第一负透镜3的焦距f₁和口径d₁，以及所述的第二负透镜4的焦距f₂和口径d₂；

⑤设定所述的离轴抛面镜5与所述的第二负透镜4之间的间距L，再按像传递要求，确定所述的离轴抛面镜5的焦距f₃和口径d₃；

⑥确定所述的可变形镜6的口径d₄，d₄≥d₃；

⑦将所述的薄膜偏振片1、1/4波片2、第一负透镜3、第二负透镜4和离轴抛面镜5按光轴依次安装，其中所述的第一负透镜3和第二负透镜4共焦、并与所述的离轴抛面镜5构成像传递系统；

⑧将所述的可变形镜6安装在所述的离轴抛面镜5之后，使脉冲发生零度反射，按原路返回，实现脉冲前沿畸变的二次补偿；

⑨利用所述的可变形镜6对脉冲的波前畸变进行实时校正；

⑩根据飞秒激光系统输出脉冲的聚焦质量，微调所述的第一负透镜3和第二负透镜4的位置，进行脉冲前沿畸变的动态补偿。

实施例：

本发明的实施例是1PW钛宝石激光系统，如图2所示，系统包括振荡器7、展宽器8、再生放大器9、前置放大器10、第一透镜扩束组11、第一功率放大器12、第二透镜扩束组13、第二功率放大器14、第三透镜扩束组15、终端放大器16，第四透镜扩束组17，压缩器18。最终输出的脉冲光束直径为230毫米，所测得的近场局部脉宽为30飞秒。系统脉冲前沿畸变主要来自于四级透镜扩束组，所引入的最大脉冲前沿畸变计算值为202飞秒。系统脉冲波前畸变主要来自于每一级放大器的热效应和大口径光学元件自重和机械加持应力，所测波前质量pv值为1.03λ，rms值为0.18λ，对应的SR值为0.36。根据图2所述的1PW激光系统的要求，所述的补偿装置需要在第二透镜扩束组13之前完成脉冲前沿及波前畸变的补偿，此处入射激光脉冲的直径为18mm。

根据上述情况，先设定第二负透镜4与第一负透镜3的焦距比为4:1，计算得到所述的脉冲前沿及波前畸变补偿装置中第一负透镜3的焦距为-204mm，直径为50mm；第二负透镜4的焦距为-816mm，直径为100mm，第二负透镜4与第一负透镜3距离612mm；再设定离轴抛面镜5与第二负透镜4的间距为204mm，按像传递要求计算可知其焦距需为712mm，输入脉冲直径为108mm，因此，离轴抛面镜5的直径为120mm；薄膜偏振片1和1/4波片2的口径为50.8mm，可变形镜6的口径为120mm。此时，剩余脉冲前沿畸变小于2fs，可以根据飞秒激光系统输出脉冲的聚焦质量微调第一负透镜3和第二负透镜4的位置来实现完全补偿；另外，经过可变形镜的校正，系统波前质量为0.14λ(pv)，0.02λ(rms)，对应的SR值为0.98。