超强超短激光的时空联合调控装置与方法制造方法及图纸

一种超强超短激光的时空调控整形装置，包括：反射式闪耀光栅，用于将入射的超强超短激光光束频率分散，实现时频傅里叶变换；反射式柱形镜，用于矫正所述光束质量；以及反射式相位板，置于所述反射式柱形镜的焦点处，用于在所述光束频域上添加螺旋相位，从而使经该反射式相位板反射后的光束，再次经所述反射式柱形镜和反射式闪耀光栅后，实现时频傅里叶逆变换。本发明专利技术反射式光学元件有较高的损伤阈值；适用于超强激光的大光斑尺寸；避免在相对论光强下引起的非线性效应。强下引起的非线性效应。强下引起的非线性效应。

【技术实现步骤摘要】
超强超短激光的时空联合调控装置与方法


[0001]本专利技术属于超强(>10
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W/cm2)超短(～30fs)激光整形领域，具体是一种超强超短激光的时空调控整形装置与方法。

技术介绍

[0002]光是一种可行的信息载体，利用各种形式的光
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物质相互作用，在数据传输、光通信、光子学和光电子学方面有许多应用。特别是光学测量技术，包括干涉测量法、光谱学和椭圆测量法。传统上，空间分布简单的光场如平面波和基本高斯光束被用于这些应用。近年来，多参量光场调控已成为一种新兴的方法，可以在具有时空的多个自由度(即振幅、相位、偏振比和椭圆度)中定制光束的三维分布，从而提供了更高的自由度。这将会实现高容量信息传输或强度和相位分布的特定形状，以实现所需的优化光
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物质相互作用，如超分辨率成像、光镊、光通信、量子计算和天体物理学。
[0003]目前，多参量光场调控很少在相对论强度区域(通常大于10
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W/cm2)提出并实现，因为高强度、高通量的光可能会在实验光路中破坏传统的透射光学透镜或相位板。在此之前，一种反射式单一空间相位调制方法已经被用于实现强度超过10
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W/cm2的相对论空间涡旋激光(即拉盖尔
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高斯模式激光)。已经设计并实现了一种大尺寸反射式相位板应用于超强激光驱动高能质子加速实验。在未来的实验中，也将以类似的反射方式实现超强时空调控激光。这将会为超强激光驱动等离子体相互作用中增加新的自由度操纵来满足对时间尺度有要求的应用，例如时空涡旋谐波的产生，用于探测超快动力学的孤立超短电子和辐射脉冲的产生，以及成像纳米结构的产生。
[0004]目前，在相对论激光强度下，已经实现了单一空间相位调制。
[0005]在2017年，A.Leblanc等人在《Nature Physics》5，440
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443上发表的“超高强度光学等离子全息图”一文中介绍了一种利用等离子体全息图实现光束的空间整形，通过在平面固体目标上启动等离子体膨胀与全息预脉冲光束聚焦。其中一个经过调制的等离子体表面在电离后可以在几皮秒内用于衍射和空间形状的超强激光束。
[0006]在2020年，王文鹏等人在《Physical Review Letter》125，034801上发表的“相对论反射空心激光驱动的空心等离子体加速”一文中介绍了利用大尺寸反射式相位板实现了对相对论激光的空间相位调制，输出了超强拉盖尔
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高斯模式激光。其反射式相位板具有32级阶梯，尺寸在230毫米
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170毫米，相位板厚度为150毫米；文章提到实现了采用大尺寸反射式相位板对相对论激光的相位调制。
[0007]在2022年，E.Porat等人在《Journal of Optics》24,085501上发表的“螺旋相位等离子体镜”一文中介绍了利用激光直写到螺旋相位等离子体镜。这种反射镜为超高激光强度下的任意空间光束整形提供了一种解决方案。利用轨道角动量l＝1和激光强度为10
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Wcm
‑2的空间涡旋激光证明了这些等离子体光学器件的使用。
[0008]然而，以上方案都仅能对超强超短激光实现空间相位调制。对于超强超短激光的时空相位调控，至今没有相关研究报道。

技术实现思路
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[0009]本专利技术要解决的问题是：为了克服当前在非相对论光强下光学元件激光损伤阈值低、激光光斑直径过大不适用于常规光学元件、激光光强过强易引起非线性效应等问题，实现相对论领域下的时空联合调控，从而在相对论领域实现新激光模式对物质的多维(时间尺度和空间尺度)操控。
[0010]为解决上述问题，本专利技术的技术解决方案如下：
[0011]一方面，本专利技术提供一种超强超短激光的时空调控整形装置，其特点在于，包括：
[0012]反射式闪耀光栅，用于将入射的超强超短激光光束频率分散，实现时频傅里叶变换；
[0013]反射式柱形镜，其整形原理是其只影响光的垂直柱透镜轴向分量(一维)的发散或者汇聚。用于矫正所述光束质量；包括矫正像散和光斑形状。
[0014]反射式相位板，置于所述反射式柱形镜的焦点处，用于在所述光束频域上添加螺旋相位，从而使经该反射式相位板反射后的光束，再次经所述反射式柱形镜和反射式闪耀光栅后，实现时频傅里叶逆变换。
[0015]进一步，还包括：
[0016]激光器，用于提供超强超短激光光束；
[0017]反射镜组，用于反射所述光束，使其在自由空间传播产生衍射，形成时空光学涡旋；
[0018]离轴抛物面镜，用于将所述光束聚焦后入射至靶台。
[0019]进一步，所述的激光器输出激光中心波长800纳米的高斯模式的激光光束，经所述反射式闪耀光栅的某一特定级次的光多缝衍射和干涉后，使经反射式闪耀光栅的光束按不同的波长进行频率分散后，经所述反射式柱形镜进行单一轴向汇聚或发散，实现激光光束时频傅里叶变换后，经所述反射式相位板在频率域内增加0到2π的螺旋相位。
[0020]优选的，超强超短激光光束的焦斑直径(>150毫米)，所述反射式闪耀光栅的尺寸为长380毫米、宽280毫米、厚度50毫米；所述反射式柱面镜的尺寸为长230毫米、宽190毫米；所述反射式相位板的尺寸为长230毫米、宽170毫米、厚度150毫米。为了保证光学元件对光场整形的效果，光学元件的尺寸(长和宽)要大于激光焦斑直径150毫米。
[0021]优选的，所述反射式闪耀光栅满足2dsinθ＝mλ，其中，λ为闪耀波长，m为闪耀级次，d为刻槽周期(槽间距)。
[0022]优选的，λ＝800纳米，m＝1，d＝570纳米。
[0023]优选的，所述反射式柱面镜曲率半径R、焦距f、折射率n、厚度D满足1/f＝(n
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1)/R和(n
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1)D＝R。
[0024]优选的，所述反射式柱面镜曲率半径R＝25毫米、折射率n＝1.5、厚度D＝50毫米、焦距f＝50毫米。
[0025]优选的，所述反射式相位板具有32级阶梯，32级阶梯所携带的相位范围是0到2π。
[0026]另一方面，本专利技术还提供一种超强超短激光的时空调控整形方法，其特点在于，包括：
[0027]通过反射式闪耀光栅将入射的超强超短激光光束频率分散，实现时频傅里叶变换；
[0028]通过反射式柱形镜矫正所述光束质量；包括矫正像散和光斑形状。
[0029]通过反射式相位板在所述光束频域上添加螺旋相位，从而使经该反射式相位板反射后的光束，再次经所述反射式柱形镜和反射式闪耀光栅后，实现时频傅里叶逆变换。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0031]1.超强激光可以被反射式闪耀光栅、反射式柱形镜和反射式相位板实现光场在时间和空间两个维度的相位调制，从而产生时空光学涡旋。
[0032]2.由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超强超短激光的时空调控整形装置，其特征在于，包括：反射式闪耀光栅，用于将入射的超强超短激光光束频率分散，实现时频傅里叶变换；反射式柱形镜，影响光的垂直柱透镜轴向分量(一维)的发散或者汇聚，用于矫正所述光束质量，包括矫正像散和光斑形状；反射式相位板，置于所述反射式柱形镜的焦点处，用于在所述光束频域上添加螺旋相位，从而使经该反射式相位板反射后的光束，再次经所述反射式柱形镜和反射式闪耀光栅后，实现时频傅里叶逆变换。2.根据权利要求1所述的超强超短激光的时空调控整形装置，其特征在于，还包括：激光器，用于提供超强超短激光光束；反射镜组，用于反射所述光束，使其在自由空间传播产生衍射，形成时空光学涡旋；离轴抛物面镜，用于将所述光束聚焦后入射至靶台。3.根据权利要求1或2所述的超强超短激光的时空调控整形装置，其特征在于，所述的激光器输出激光中心波长800纳米的高斯模式的激光光束，经所述反射式闪耀光栅的某一特定级次的光多缝衍射和干涉后，使经反射式闪耀光栅的光束按不同的波长进行频率分散后，经所述反射式柱形镜进行单一轴向汇聚或发散，实现激光光束时频傅里叶变换后，经所述反射式相位板在频率域内增加0到2π的螺旋相位。4.根据权利要求1或2所述的超强超短激光的时空调控整形装置，其特征在于，超强超短激光光束的焦斑直径(>150毫米)，所述反射式闪耀光栅的尺寸为长380毫米、宽280毫米、厚度50毫米；所述反射式柱面镜的尺寸为长230毫米、宽190毫米；所述反射式相位板的尺寸为长230毫米、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文鹏，孙丰钰，詹其文，李儒新，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：