ЦЕПЬ УСИЛЕНИЯ С ИЗМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТЫ И С НЕСКОЛЬКИМИ ВЫХОДАМИ
AMPLIFICATION CIRCUIT WITH FREQUENCY CHANGE AND SEVERAL OUTPUTS

Изобретение относится к области цепей усиления с изменением частоты и с несколькими выходами.
Известно, что цепь усиления (с одним выходом включает в себя на входе расширитель, выполняющий функцию временного расширения лазерного импульса со степенью расширения tx_étirement, при этом растянутый импульс усиливается усилителем и затем сжимается временным компрессором со степенью сжатия tx_compression=tx_étirement (tx_stretch на английском языке), помещенным в вакуумную камеру, как показано на Фиг,1. Иногда, в литературе встречается условие tx_compression=-tx_étirement, не используемое далее. Компрессор имеет своей функцией компенсацию расширения расширителя. Расширитель и компрессоры включают в себя обычно дифракционные решетки.
i
i
Цепь усиления с М выходами включает в себя на выходе из расширителя 100, М усилителей, расположенных каскадом, каждый усилитель 20, при изменяющемся i от 1 до М, связан со своим собственным компрессором (таким образом, имеется М компрессоров 30), совокупность выходов каждого компрессора образует М выходов цепи, как показано на Фиг.2. При выходе из каждого лазера-усилителя, лазерный пучок может быть послан на компрессор, связанный с упомянутым усилителем, или на следующий усилитель.
При проходе импульса через цепь усиления, импульс должен отвечать некоторым ограничениям, в том числе по параметрам потока и энергии каждого оптического элемента - что вынуждает задавать для каждого оптического элемента минимальный диаметр падающего пучка. В случае цепи усиления с несколькими выходами, это означает, что чем больше имеется усилителей, тем больше этот минимальный диаметр пучка увеличивается (увеличивается пространственное размытие пучка) сообразно положению усилителя в каскаде, и также увеличиваются размеры соответственного усилителя. Когда размеры каждого элемента рассчитываются точно в зависимости от этого диаметра, в частности, по соображениям габаритов и стоимости, это означает увеличение размеров оптического элемента и, таким образом, его стоимости. Минимальный диаметр наиболее важен в конце цепи, то есть на входе выходного компрессора n°М. Последний компрессор на последнем выходе принимает лазерный импульс большой энергии и, таким образом, большого диаметра, чтобы гарантировать стойкость к лазерному потоку решеток, используемых в этом компрессоре. Для ограничения виньетирования пучка лазера в этом компрессоре решетки отдалены одни от других, что обуславливает увеличение степени сжатия, которая при этом уже не равна степени расширения расширителя (которая была рассчитана для стойкости к потоку оптических устройств усилителей-лазеров без учета этого виньетирования). Фактически следует помнить, что степень сжатия пропорциональна расстоянию между решетками. Поскольку степень расширения должна быть равной степени сжатия для получения на выходе длительности импульса, ограниченной преобразованием Фурье, расширитель должен быть приспособленным к этому последнему компрессору и должен иметь степень расширения, равную степени сжатия последнего компрессора (компрессор n°М). Необходимо далее приспосабливать все промежуточные компрессоры (компрессоры от n°1 до М-1) со степенью расширения расширителя. Расстояние между их решетками становится важнее, чем если бы они были использованы как единственный выход, что вынуждает увеличивать размеры их решеток и их вакуумной камеры.
Проиллюстрируем эту проблему в следующем примере с очень большими энергиями и большими мощностями.
Рассмотрим, например, цепь с двумя выходами с расширителем со степенью расширения, равной 10 пс/нм, энергией 25 Дж на выходе из усилителя n°1, мощностью 1 пВт на выходе из компрессора n°1, энергией 250 Дж на выходе из усилителя n°2, мощностью 10 пВт на выходе из компрессора n°2.
2
2
Дифракционные решетки, которые включает в себя каждый компрессор, имеют обычно стойкость к потоку порядка 200 мДж/см. Каждый компрессор, таким образом, рассчитан для работы со средним потоком 100 мДж/см для получения запаса надежности и для избегания риска получить повреждение.
В этом случае требуется компрессор n°2 очень объемный, для которого необходимо разнести различные дифракционные решетки во избежание какого-либо виньетирования. Степень сжатия такого компрессора становится значительной, обычно 14 пс/нм, отличающаяся от степени расширения. Необходимо тогда пересматривать конфигурацию всей цепи.
Первое решение заключается в использовании компрессора n°1 с той же степенью сжатия, что и компрессор n°2, и эта степень сжатия равна степени расширения, составляя 14 пс/нм в нашем примере. Для этого дифракционные решетки компрессора n°1 более удалены, чем для степени расширения 10пс/нм; таким образом, они должны быть больше. Вакуумная камера компрессора n°1 должна также быть более объемной.
Другое решение заключается в использовании компрессоров различных степеней сжатия, например 10 пс/нм для компрессора n°1, 14 пс/нм для компрессора n°2, и в изменении степени расширения расширителя в зависимости от рассматриваемого выхода, например, механизируя вторую решетку расширителя. Итак, расширитель - это критический элемент.
Пример расширителя 10 с дифракционными решетками показан на Фиг.3; речь идет о расширителе, содержащем триплет Оффнера 1 и две дифракционные решетки 11, 12, параллельные между собой. В этой конфигурации, оптические элементы, которые образуют триплет Оффнера, составлены из вогнутого зеркала 2 и из выпуклого зеркала 3, радиус кривизны которого составляет половину радиуса кривизны для вогнутого зеркала. Эти зеркала располагаются в концентрической геометрии. Триплет Оффнера производит изображение того же размера, что и предмет. Он помещен на пути, который проходят импульсы между двумя наклоненными дифракционными решетками 11, 12. Можно подвергнуть одному или нескольким прохождениям (отмеченным как nbre_pass_ETR далее) в расширитель посредством одной тыловой призмы (призма 13), как показано на чертеже. Величина дисперсии, привносимой расширителем, определяется расстоянием G_ETR между двумя решетками 11, 12.
Во время механизированного перемещения одной из двух решеток, они должны оставаться взаимно параллельными, чтобы не привносить хроматических аберраций. Их гравированные штрихи должны оставаться также параллельными относительно друг друга: штрихи одной решетки параллельны штрихам другой решетки.
Как видно из Фиг.3, необходимо, таким образом, перемещать наибольшую из двух решеток (решетку 11), таким образом, наиболее тяжелую, с очень хорошей стабильностью относительно качания/поворота/наклона.
Быстрое прохождение от одного выхода до другого может потребовать, таким образом, возобновление регулировки расширителя и, таким образом, контроля хроматических аберраций на выходе из расширителя. Такая процедура занимает время. Из Фиг.3 также видно, что необходимо значительным образом переразмерить призму 13.
Таким образом, в настоящее время имеется потребность в цепи усиления с изменением частоты и с несколькими выходами, обеспечивающей одновременное удовлетворение всех вышеупомянутых требований, в отношении стабильности регулировки, простоты функционирования, габаритов и стоимости.
Более точно, изобретение имеет объектом цепь усиления импульса, с изменением частоты с М выходами, при М>1, которая содержит:
- расширитель со степенью расширения tx_étirement,
- М усилителей, расположенных каскадом,
- М выходных компрессоров, соответственно помещенных на выходе каждого усилителя.
Она отличается главным образом тем, что содержит:
- устройство частичного сжатия, помещенное между расширителем и первым усилителем, это устройство частичного сжатия, имеет, по меньшей мере, одну степень частичного сжатия, степень (или степени) частичного сжатия, которая (которые) ниже tx_étirement, и
- оптический коммутатор, сконфигурированный с возможностью приема выходного пучка из расширителя и направления его непосредственно на первый усилитель из каскада или на устройство частичного сжатия, в зависимости от выходного компрессора, выбранного среди выходных компрессоров.
Это устройство частичного сжатия, которое помещается между расширителем и усилителем n°1, позволяет приспособить степень расширения к степени сжатия различных выходных компрессоров.
Пучок, выходящий из расширителя, посылается посредством оптического коммутатора, либо на устройство частичного сжатия, либо непосредственно на усилитель n°1. Таким образом, пользователь быстро переходит от одного режима функционирования к другому, без возобновления регулировок расширителя, как в технике предшествующего уровня.
Это позволяет одновременно избежать механизации дифракционного компонента расширителя и получить промежуточные компрессоры (от 1 до М-1), насколько возможно компактные.
Когда М>2, устройство частичного сжатия может включать в себя частичный компрессор с регулируемой степенью сжатия, например, полученной механизацией одной из дифракционных решеток для частичного компрессора с дифракционными решетками.
Альтернативно, когда М>2, устройство частичного сжатия включает в себя L частичных компрессоров, 1<L<М, каждый частичный компрессор имеет постоянную степень сжатия.
Цепь усиления в соответствии с изобретением обычно конфигурируется с возможностью усиления импульса, длительностью ниже 100 фс.
Устройство частичного сжатия помещается между расширителем и усилителем n°1. Оно позволяет приспособить степень расширения к степеням сжатия различных выходных компрессоров. Промежуточные выходы (от 1 до М-1) оптимизированы, таким образом, по габаритам. Это позволяет одновременно избежать механизации дифракционного компонента расширителя и также получить компактные компрессоры, насколько это возможно.
Изобретение также имеет объектом способ использования цепи усиления импульса, отличающийся тем, что он включает в себя следующие этапы:
- расширение импульса расширителем,
- в зависимости от выходного компрессора, выбранного среди вышеупомянутых выходных компрессоров, посылка импульса на устройство частичного сжатия оптическим коммутатором, или непосредственный переход к следующему этапу,
- посылка импульса на каскад усилителей, начиная с первого усилителя до усилителя, связанного с выбранным выходным компрессором,
- посылка импульса на вышеупомянутый выбранный выходной компрессор.
Пучок, выходящий из расширителя, может быть послан посредством оптического коммутатора, либо на устройство частичного сжатия, либо непосредственно на усилитель n°1. Таким образом, пользователь быстро переходит от одного режима функционирования к другому, без возобновления регулировок расширителя как в технике предшествующего уровня.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятны из чтения нижеследующего подробного описания, служащего не ограничительным примером, и в связи с приложенными чертежами, на которых:
Фиг.1, уже описанная, схематично изображает цепь усиления с изменением частоты и с одним выходом, в соответствии с существующим уровнем техники,
Фиг.2, уже описанная, схематично изображает цепь усиления с изменением частоты и с несколькими выходами, в соответствии с существующим уровнем техники,
Фиг.3, уже описанная, схематично изображает пример расширителя в соответствии с существующим уровнем техники,
Фиг.4 схематично изображает пример компрессора в соответствии с существующим уровнем техники,
Фиг.5 схематично изображает цепь усиления с изменением частоты и с несколькими выходами в соответствии с изобретением,
Фиг.6 схематично изображает пример частичного компрессора с постоянной степенью сжатия цепи усиления в соответствии с изобретением,
Фиг.7 схематично изображает первый пример частичного компрессора с регулируемой степенью сжатия и с отводной призмой цепи усиления в соответствии с изобретением,
Фиг.8 схематично изображает второй пример частичного компрессора с регулируемой степенью сжатия и с двумя парами решеток цепи усиления в соответствии с изобретением.
На всех чертежах одни и те же элементы обозначаются одинаково.
Как указано в преамбуле, цепь усиления включает в себя, главным образом, расширитель, усилитель, компрессор. Рассматривается расширитель и компрессор с дифракционными решетками.
Расширитель и компрессор похожи друг на друга: расширитель - это компрессор с отрицательным эквивалентным расстоянием между своими дифракционными решетками, произведенным оптической системой увеличения -1, откуда и правило, цитированное в преамбуле.
Пример расширителя 10 с двумя дифракционными решетками 11, 12 показан на Фиг.2. Можно использовать также расширитель с единственной дифракционной решеткой. Принцип работы расширителя с единственной дифракционной решеткой тот же, но единственная решетка отдалена от центра кривизны триплета Оффнера.
Расширитель 10 характеризуется следующими геометрическими параметрами:
- Расстояние между 2 решетками: G_ETR. В случае расширителя с единственной дифракционной решеткой, G_ETR составляет удвоенное расстояние между дифракционной решеткой и центром кривизны триплета Оффнера.
- Угол падения на 1-ую решетку 12 (или на единственную решетку): θ_ETR.
- Плотность штрихов каждой решетки: N_ETR.
Как уже указано, можно подвергнуть одному или нескольким проходам в расширитель.
Степень расширения составляет:
с:
λ0 - средняя длина волны спектра импульса,
c - скорость света,
θd_ETR - угол дифракции 1-го порядка от первой решетки 12 (или единственной решетки) для длины волны λ0, который определяется формулой:
sin(θd_ETR)+sin(θ_ETR)=λ0 N_ETR
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Принципиальная схема компрессора 30 показана на Фиг.4. Он включает в себя две пары дифракционных решеток 31, 32, и 33, 34. Четыре решетки имеют одно и то же число штрихов на мм. Решетки 31 и 34 имеют одни и те же размеры; так же и для решеток 32 и 33, но размеры этих последних могут превосходить размеры решеток 31 и 34. Падающий импульс 5 на первую решетку 31 отклоняется вследствие дифракции ко второй решетке 32, параллельной первой. Он отклоняется этой второй решеткой, которая его посылает к третьей решетке 33, которая его отклоняет к четвертой решетке 34. При выходе из этой 4-ой решетки 34 длительность импульса оказывается 5 сжатой.
Геометрические параметры компрессора составляют:
- расстояние между 2 решетками каждой пары: G_CPR,
- угол падения на 1-ую решетку: θ_CPR,
- плотность штрихов решеток: N_CPR.
Степень сжатия составляет:
- θd_CPR угол дифракции первой решеткой для длины волны λ0 дается формулой:
sin(θd_CPR)+sin (θ_CPR)=λ0 N_CPR
Спектральная фаза расширителя и компрессора в точности противоположны если:
G_CPR=G_ETR x nbre_pass_ETR
θ_CPR=θ_ETR
N_CPR=N_ETR.
В идеальном случае, когда никакой рассеивающий материал не помещен в цепь усиления, спектральная фаза – нулевая, и длительность лазерного импульса ограничена преобразованием Фурье, что является его теоретическим минимумом. Вполне очевидно, лазерный пучок цепи усиления пересекает рассеивающие материалы, например, кристаллы усиления. Но степень расширения рассеивающих элементов незначительна по сравнению со степенью расширения расширителя или компрессоров; мы пренебрегаем здесь этой степенью расширения (или, эквивалентно, спектральной фазой), привнесенной этими рассеивающими элементами.
В соответствии с изобретением, устройство 50 частичного сжатия помещается между расширителем 10 и усилителем n°1 (201).
В связи с Фиг.5 описывается пример цепи усиления 100 с изменением частоты и с М выходами в соответствии с изобретением.
Она содержит:
- расширитель 10, связанный с одним
- оптическим коммутатором 40, связанным с
- устройством 50 частичного сжатия, которое имеет в качестве функции возможность адаптации степени расширения к степени сжатия каждого выходного компрессора, и
1
- с первым усилителем 201, связанным с первым выходным компрессором 30,
2
М
1
М
2
М
2
М
- другие усилители 20,…20, все усилители 20,…20 располагаются каскадом, каждый последующий усилитель 20, 20 связан с последующим выходным компрессором 30,…30. Степени сжатия выходных компрессоров возрастают, последний компрессор М имеет максимальную степень сжатия.
1
М-1
В соответствии с выбранным выходом, лазерный импульс на выходе из усилителя 20,…20 направляется либо на компрессор, связанный с этим усилителем, либо к следующему усилителю, оптическим коммутатором (не показанном на чертеже), помещенным на выходе каждого усилителя, за исключением последнего.
Оптический коммутатор 40 (также как, в случае необходимости, коммутаторы на выходе усилителей) является оптическим инвариантом. Он может быть системой откидных зеркал, которая содержит два параллельных зеркала, установленных на один и тот же механизированный элемент перемещения, или зеркало, установленное на пластину вращения для обращения к частичному компрессору или его избегания. Таким образом, устройство частичного сжатия можно выбирать или избегать в зависимости от положения этой системы зеркал.
Некоторые конфигурации рассматриваются для устройства 50 частичного сжатия в соответствии со степенями сжатия выходных компрессоров.
Задаются:
- tx_étirement_tenue_flux: степень минимального расширения расширителя 10, необходимая для стойкости к потоку оптики цепи лазерного усиления.
i
- tx_étirement(i) степень расширения расширителя 10, необходимая для ограничения одновременно виньетирования компрессором n°i (компрессор 30), и гарантии стойкости к потоку оптики цепи лазерного усиления выше по ходу этого компрессора n°i; имеем, таким образом:
tx_étirement(i)>tx_étirement_tenue_flux
i-1
и поскольку энергия, принятая компрессором n°i превосходит энергию, принятую компрессором n°i-1 (компрессор 30), имеем:
tx_étirement(i)≥tx_étirement (i-1)
М
1
М
Относительно компрессора n°М, именно виньетирование ограничивает расстояние между решетками этого компрессора n°М (компрессор 30) больше, чем стойкость к потоку оптики различных лазерных усилителей от 20 до 20.
- tx_étirement_max=max [tx_étirement(i)]=tx_étirement (М).
Степень расширения расширителя 10 составляет tx_étirement_max.
- tx_compression_partiel, степень сжатия устройства 50 частичного сжатия, которая является оптимизируемым параметром.
Для выходов i, которые контролируются:
tx_étirement(i)≤tx_étirement_max-tx_compression_partiel
лазерный пучок на выходе из расширителя 10 направляется на устройство 50 частичного сжатия оптическим коммутатором 40.
Для других выходов (таких, что tx_étirement(i)>tx_étirement_max-tx_compression_partiel), лазерный пучок на выходе из расширителя 10 отклоняется оптическим коммутатором 40, чтобы избежать устройства 50 частичного сжатия; он непосредственно отклоняется на усилитель n°1. Это случай именно для последнего выхода (= выход из компрессора n°М).
Таким образом, лазерный импульс проходит вначале в расширитель 10. В зависимости от выхода n°i, который используется, i изменяется от 1 до М, либо импульс посылается в устройство частичного сжатия 50, либо он посылается непосредственно на следующий этап.
1
i
i
i+1
Лазерный импульс проходит затем в последовательность усилителей от 20 до 20. Он отклоняется затем на компрессор 30. Он не проходит в усилитель 20.
Различные компрессоры различных выходов имеют геометрические параметры, эквивалентные таковым для расширителя: θ_CPR(i) и N_CPR(i) близки к параметрам θ _ETR и N_ETR расширителя. Они являются равными в теории, но фактически являются близкими, учитывая рассеивающие материалы (кристаллы усиления, например) между расширителем и компрессорами. Их расстояние между решетками G_CPR(i) адаптировано к желаемой степени сжатия.
i
Устройство частичного сжатия - это, например, компрессор Treacy 50a, описанный в связи с Фиг.6, с геометрическими параметрами, эквивалентными параметрам других компрессоров 30 и расширителя 10: тот же θ_CPR, тот же N_CPR. Оно содержит:
Первую дифракционную решетку 51a, вторую дифракционную решетку 52a. У решеток 51a и 52a одно и то же число штрихов, они параллельны, и их штрихи параллельны между собой. Они могут быть различных размеров, обычно ширина для 52a больше, чем таковая для 51a. Призма 60a позволяет послать лазерные лучи к 52a и изменять их высоту. Таким образом, лазерные лучи проходят в порядке 51a, 52a, 60a, 52a, 51a.
Расстояние G_CPR_partiel(i) составляет порядок:
G_CPR_partiel(i)=G_ETR x nbre_pass_ETR-G_CPR(i).
Из этого выводим степень сжатия частичного компрессора: tx_compression_partiel. Можно также записать: tx_compression_partiel(i)=tx_étirement(М)-tx_étirement(i).
1
М-1
Когда промежуточные выходные компрессоры от n°1 до М-1 (от 30 до 30) все имеют одну и ту же степень сжатия, устройство 50 частичного сжатия включает в себя обычно единственный частичный компрессор 50a постоянной степени сжатия, пример которого показан, Фиг.6.
i
Когда не все компрессоры от n°1 до М-1 имеют одинаковую степень сжатия (с растущими степенями сжатия), устройство 50 частичного сжатия может включать в себя несколько частичных компрессоров, обычно столько же, как и компрессоров 30 с различными степенями сжатия. Степень частичного сжатия каждого из этих частичных компрессоров постоянна и определена в зависимости от соответствующего ему выходного компрессора(-ов). Эти частичные компрессоры располагаются параллельно.
Альтернативно, устройство 50 частичного сжатия включает в себя один (или несколько) частичный компрессор с регулируемой степенью сжатия в зависимости от соответствующего выходного компрессора. Эта регулируемая степень получается, например, использованием компрессора, у которого:
- вторая дифракционная решетка 52a механизирована в перемещении в соответствии с направлением среднего луча, соответствующего длине волны центра спектра, между 51a и 52a в случае компрессора 50a с двумя решетками+отводящая призма, пример которого показан на Фиг.7, призма 60a является тогда снова переразмеренной по тем же причинам, что и расширитель, показанный на Фиг.2, или
- вторая и третья дифракционные решетки 52b, 53b механизированы в перемещении в соответствии с направлением среднего луча, соответствующего длине волны центра спектра, между 52b и 53b в случае компрессора 50b с двумя парами решеток 51b, 52b, 53b, 54b, как показано на Фиг.8.
1
М-1
Эта цепь усиления в соответствии с изобретением позволяет одновременно избежать механизации дифракционного компонента расширителя и использовать насколько возможно компактные промежуточные компрессоры (от 30 до 30).
Далее описывается пример осуществления, имеющий в качестве спецификаций:
- Спектр с центром 800 нм, гауссов, с шириной на половине высоты 60нм. Виньетирование спектра 720-890 нм должно быть минимизировано.
- 3 лазера-усилителя с кристаллами Ti:Sa, накачиваемые лазерами 532нм.
- 3 выходных компрессора (по одному после каждого лазера-усилителя).
- минимальная степень расширения: tx_étirement_tenue_flux=9,58 пс/нм. Эта степень расширения позволяет не повреждать оптику лазерных усилителей.
Параметры усилителей:
энергия на выходе усилителя(Дж)
энергия на выходе CPR (Дж)
выход 1
3,6
2,5
выход 2
35,7
25
выход 3
357,1
250
Выбирается работа с компрессорами на основе классических голографических решеток, с 1480 штрихов/мм.
Угол падения выбирается приблизительно 56° (компромисс между эффективностью дифракции в выбранном спектральном диапазоне и ограничением виньетирования).
2
Максимальный поток для голографических дифракционных решеток составляет приблизительно 110 мДж/см.
Получаем следующие диаметры на входе 3-х компрессоров:
диаметр входа CPR (мм)
площадь (см<sup>2</sup>)
компрессор 1
48
18
компрессор 2
152
182
компрессор 3
481
1816
Расстояние G_CPR(3)=980мм зафиксировано для ограничения виньетирования в компрессоре n°3.
Степень сжатия компрессора n°3 составляет 14,1 пс/нм. Таким образом, она выше, чем необходимо для обеспечения только стойкости к потоку, то есть больше, чем tx_étirement_tenue_flux=9,58 пс/нм.
В соответствии с изобретением, расширитель задуман как имеющий ту же степень расширения, что и компрессор М в конце цепи каскадов, в данном случае компрессор n°3.
Когда используются выходы 1 или 2, лазерный импульс посылается расширителем на устройство частичного сжатия, чтобы степень расширения расширителя (14,1 пс/нм), меньшая степени устройства частичного сжатия (4,52 пс/нм), была равна tx_étirement_tenue_flux (9,58 пс/нм).
Параметры различных элементов составляют:
θ _ETR
N_ETR
G_ETR
Nbre pass
степень расширения (пс/нм)
Расширитель
56°
1480 штрихов/мм
490мм
2
14,10
θ _CPR
N_CPR
G_CPR
степень расширения (пс/нм)
Частичный CPR
56°
1480 штрихов/мм
4,52
CPR1
56°
1480 штрихов/мм
9,58
CPR2
56°
1480 штрихов/мм
9,58
CPR3
56°
1480 штрихов/мм
14,10
Таким образом, компрессор 3 действительно наиболее объемный.
В этом примере, компрессоры 1 и 2 имеют одну и ту же степень сжатия; устройство частичного сжатия включает в себя тогда единственный компрессор с постоянной степенью сжатия.