專利名稱：超短脈沖時間和空間凈化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超短脈沖激光，特別是一種超短脈沖時間和空間凈化裝置，可以同時提高超短脈沖的時間對比度和空間模式，不需要采用額外的色散補償元件，裝置簡單易搭建，主要適用于飛秒超短激光脈沖，應用于高強度超快激光技術及超快強場物理研究領域。
背景技術：
在過去的幾十年中，飛秒激光的產(chǎn)生和應用取得了長足的進展，隨著摻鈦藍寶石(Tisapphire)鎖模激光器及啁啾脈沖放大(CPA)技術的出現(xiàn)，通過臺式化設備獲得超強超短激光脈沖成為可能。超強超短激光脈沖是許多基礎研究中的重要工具，在激光物理研究領域有著不可替代的作用，比如高次諧波，等離子體通道，阿秒脈沖的產(chǎn)生等都需要高強度的超短激光脈沖作為光源。然而在這些超短激光脈沖的應用中，對脈沖的對比度和空間的模式往往有很高的要求。在強場的情況下，低對比度的衛(wèi)星脈沖的存在，特別是主脈沖之前的衛(wèi)星脈沖，會在主脈沖到達之前先破壞靶。一般CPA激光器輸出脈沖的對比度＜103，因此在部分實驗中需要對超短脈沖進行凈化以提高脈沖的對比度。
在先技術中，D.Homoelle等人提供了一種典型的脈沖凈化裝置(OpticsLetters，Vol.27，No.18，1646-1648，2002)，其光路布置見圖1所示。水平偏振的線偏振超短脈沖入射到第一1/4波片1上，第一1/4波片1的快軸方向和入射的超短線偏振脈沖的偏振方向成22.5°，通過第一1/4波片1后，超短脈沖的偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振，然后通過聚焦透鏡2聚焦到毛細管3內(nèi)。通過毛細管3后脈沖再通過準直透鏡4準直再入射到第二1/4波片5上，第二1/4波片5的快軸方向和第一1/4波片1的快軸方向垂直，最后通過檢偏器6輸出，其快軸方向與入射脈沖偏振方向垂直。由于超短脈沖在毛細管3中產(chǎn)生非線性作用，使得主脈沖的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，而由于脈沖強度低，衛(wèi)星脈沖的偏振狀態(tài)基本不發(fā)生變化，通過第二1/4波片5后衛(wèi)星脈沖的偏振方向與入射脈沖的偏振方向一致，主脈沖上產(chǎn)生與入射脈沖偏振方向垂直的分量，最后與入射脈沖偏振方向垂直的主脈沖部分通過檢偏器6輸出，其輸出脈沖的對比度得到很大的提高。
在先裝置中，主脈沖偏振的改變由通過充惰性氣體的毛細管3得到，由于傳輸過程中的非線性效應的影響，超短脈沖的寬度得到了很大的展寬，甚至分裂，需要額外通過一個色散補償裝置對脈沖進行壓縮，這導致整個系統(tǒng)變得比較復雜，效率降低，并且成本增加。另外，由于毛細管3本身的破壞閾值的限制，整個裝置不適用于大能量的超短脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述在先技術中的不足，提供一種超短脈沖時間和空間凈化裝置，它應具有同時達到時間凈化、壓縮脈沖寬度和改善光束空間模式的效果，裝置簡單，容易搭建，操作方便。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種超短脈沖時間和空間凈化裝置，在輸入的線偏振超短脈沖激光的光路上有第一1/4波片、聚焦透鏡、第二1/4波片和檢偏器，該檢偏器的光軸方向與所述的入射線偏振超短脈沖激光的偏振方向垂直，所述的第一1/4波片的快軸方向與所述的入射線偏振超短脈沖激光的偏振方向成22.5°，其特征是①所述的第一1/4波片和第二1/4波片為零級1/4波片，二者的快軸方向相互正交；②在所述的聚焦透鏡和第二1/4波片之間還有一非線性正色散透明固體材料和鍍銀凹面反射鏡；③所述的鍍銀凹面反射鏡與所述的聚焦透鏡位于同一高度，其間距為兩者焦距之和并共焦點，所述的非線性正色散透明固體材料位于聚焦透鏡的幾何焦點之后；
④所述的非線性正色散透明固體材料固定在一光學滑軌的滑塊上，借助該光學滑軌的運動以改變所述的非線性正色散透明固體材料相對于聚焦透鏡的幾何焦點的距離。
在所述的鍍銀凹面反射鏡和第二1/4波片之間還有一鍍銀平面反射鏡。
所述的非線性正色散透明固體材料為BK7玻璃片。
與在先技術相比，本發(fā)明具有以下顯著的特點(1)利用高能量超短激光脈沖在非線性正色散透明固體材料傳輸過程中的非線性橢圓旋轉(zhuǎn)和時空自聚焦效應同時達到時間凈化，壓縮脈沖寬度和改善光束空間模式的效果，裝置簡單，容易搭建，操作方便。而在先技術基本上都是分時間凈化和色散補償兩個步驟完成，其中為精確補償時間凈化過程中帶來的線性和高階色散，往往需要精確設計色散延遲線，例如采用啁啾介質(zhì)鏡甚至自適應光學系統(tǒng)等技術，這大大增大了裝置的成本和復雜程度。
(2)在不同入射脈沖能量情況下，只需移動非線性正色散透明固體材料在光路中的位置即可改變?nèi)肷涞剿龅姆蔷€性正色散透明固體材料上的光強，可避免材料受到破壞，并保持脈沖時間凈化，壓縮脈寬和改善光束空間模式的效果，因此可以適用于不同能量的入射脈沖，特別是大能量的脈沖。而在先技術中采用的充惰性氣體空心光纖的方法調(diào)節(jié)控制比較困難，而且不同脈沖能量入射時，所需的后繼色散補償元件也需要重新調(diào)整。此外在充惰性氣體空心光纖內(nèi)同時保持光束模式和避免氣體電離的需要，在先技術對于入射脈沖能量限制在毫焦量級。
(3)因為本發(fā)明無需另外的色散補償脈沖寬度的步驟，脈沖凈化總體的系統(tǒng)效率高。而在先技術因為需要格外的色散補償元件，往往會給系統(tǒng)帶來較大的能量損失。


圖1為在先技術超短脈沖時間凈化裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置示意圖。
圖3為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的入射超短脈沖在對數(shù)坐標系下的自相關圖形。
圖4為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的出射超短脈沖在對數(shù)坐標系下的自相關圖形。
圖5為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的入射超短脈沖在笛卡兒坐標系下的圖形。
圖6為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的出射超短脈沖在笛卡兒坐標系下的圖形。
圖7為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的入射光束的空間模式圖形。
圖8為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的出射光束的空間模式圖形。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖2，圖2為本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化裝置的結(jié)構(gòu)在輸入的線偏振超短脈沖激光的光路上有第一1/4波片7、聚焦透鏡8、第二1/4波片13和檢偏器14，該檢偏器14的光軸方向與所述的入射線偏振超短脈沖激光的偏振方向垂直，所述的第一1/4波片7的快軸方向與所述的入射線偏振超短脈沖激光的偏振方向成22.5°，其特征是①所述的第一1/4波片7和第二1/4波片13為零級1/4波片；所述的第一1/4波片7和第二1/4波片13的快軸方向相互正交；②在所述的聚焦透鏡8和第二1/4波片13之間還有一非線性正色散透明固體材料9、鍍銀凹面反射鏡11和鍍銀平面反射鏡12；③所述的鍍銀凹面反射鏡11與所述的聚焦透鏡8位于同一高度，其間距為兩者焦距之和并共焦點o，所述的非線性正色散透明固體材料9位于聚焦透鏡8的幾何焦點o之后；④所述的非線性正色散透明固體材料9固定在一光學滑軌10的滑塊上，借助該光學滑軌10的運動以改變所述的非線性正色散透明固體材料9相對于聚焦透鏡8的幾何焦點o的距離。
在本實施例中所述的非線性正色散透明固體材料9由BK7玻璃制成的片。
線偏振的超短脈沖通過第一零級1/4波片7將線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，其中第一1/4波片的快軸方向與入射脈沖偏振方向成22.5°，然后橢圓偏振光通過長聚焦透鏡8聚焦，聚焦后的光束再通過一個鍍銀凹面鏡11準直成平行光束。將一片幾毫米厚的BK7玻璃做為非線性正色散固體材料9安置在一個滑塊位置可固定的光學滑軌10上，放在聚焦透鏡8與鍍銀凹面鏡11之間的光路中，位于透鏡幾何焦點o之后的一段距離，并使激光光束與該BK7玻璃片9的入射面垂直。激光脈沖在BK7玻璃9中傳輸時，脈沖高強度部分的偏振態(tài)會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而低強度部分(脈沖列中存在的基座或者衛(wèi)星脈沖)偏振態(tài)則不發(fā)生變化。準值后的光束再通過第二1/4波片13，其快軸方向與第一1/4波片7的快軸方向垂直。經(jīng)過第二1/4波片13后，脈沖的低強度部分返回到其初始偏振狀態(tài)，而高強度部分則發(fā)生旋轉(zhuǎn)。然后光束再通過一個檢偏器14，檢偏器14的光軸方向與初始入射脈沖偏振方向垂直，于是一部分高強度脈沖可以通過檢偏器14，而其余部分則被去除。通過檢偏器14的激光脈沖在時間上可以達到提高脈沖對比度的效果。此外，當入射脈沖的峰值功率大于BK7玻璃9的自聚焦閾值功率時，激光光束在玻璃材料中傳輸時會產(chǎn)生自聚焦等非線性過程，這種自聚焦效應可使脈沖在時間和空間上自壓縮，同時空間自聚焦效應與聚焦透鏡8的幾何發(fā)散共同作用相當于一個空間光闌，使得脈沖較高強度部分向中心會聚，而邊緣不規(guī)則的低強度部分則在空間上與主體脈沖分離，可以有效的改善光束的空間模式。調(diào)節(jié)玻璃9在光路中的位置還可改變?nèi)肷涞讲Ａ?的表面的激光強度，從而改變自聚焦程度的強弱，進而可以調(diào)節(jié)輸出超短脈沖的寬度。所以利用本發(fā)明裝置不僅可以達到在時間上凈化脈沖的作用，而且在無需格外的色散補償元件下即可得到與輸入脈沖寬度一致乃至更短的時間和空間凈化后的超短脈沖。其光路布置如圖2所示。
第一塊零級1/4波片7和第二塊零級1/4波片13用于改變脈沖的偏振態(tài)，兩者快軸方向正交；聚焦透鏡8用于聚焦光束；非線性正色散透明固體材料9固定于光學滑軌10的可固定滑塊上，放于聚焦透鏡8的幾何焦點O后一段距離，可在平行于光路的方向上前后移動；鍍銀凹面反射鏡11與聚焦透鏡8同一高度，間距約為兩者焦距之和，用于準直聚焦光束；鍍銀平面反射鏡12用來改變光路方向；檢偏器14的光軸方向與入射線偏振脈沖的偏振方向垂直，用于將凈化后的脈沖與廢棄脈沖分離。
在本發(fā)明技術中，非線性正色散透明固體材料9采用一塊幾毫米厚的BK7玻璃片，并利用光束在玻璃材料中的非線性橢圓旋轉(zhuǎn)效應在時間上提高脈沖對比度，同時利用超短脈沖在玻璃材料中的自聚焦效應壓縮脈寬并改善光束模式，所以入射脈沖的功率需大于BK7玻璃的自聚焦閾值功率約1.8MW，也就是說本技術適用于壓縮較高能量飛秒激光脈沖。因為在空氣中存在實焦點，所以焦點附近的空氣中存在的非線性效應對于脈沖的偏振旋轉(zhuǎn)也有少量的貢獻。另外，聚焦透鏡8的焦距一般在1-2m，不必限定于某一確定值。為了在BK7玻璃9中保證足夠強的非線性效應，入射脈沖強度一般在1011W/cm2量級，所以當待壓縮脈沖功率較低時為了達到較大功率密度需選用焦距較短的透鏡。對于mJ量級的入射脈沖，BK7玻璃材料厚度一般選擇3mm，再大能量的脈沖可選擇稍薄的材料。玻璃材料固定于二維光學調(diào)整架上，光束與材料入射面垂直，二維調(diào)整架與一維光學滑軌連接。為了有足夠的活動范圍，滑軌長度一般在200mm左右。此外要求滑軌上的滑塊在選定位置后可固定，以避免在實驗中帶來不確定因素。
上述超短脈沖時間和空間凈化裝置的具體使用步驟如下所述(1)首先水平偏振的超短激光脈沖入射到第一1/4波片7上，該1/4波片7的快軸方向與入射脈沖的偏振方向成22.5°。(2)通過1/4波片7后，超短脈沖的偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振，然后通過聚焦透鏡8聚焦。(3)非線性正色散透明固體材料9固定在光學滑軌10的滑塊上，放于透鏡的幾何焦點O后一段距離，超短脈沖在固體材料9內(nèi)傳輸時的非線性橢圓旋轉(zhuǎn)效應使得脈沖高強度部分的偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而強度較低的脈沖底座以及衛(wèi)星脈沖的偏振狀態(tài)則基本不發(fā)生變化。同時超短脈沖在固體材料9中的自聚焦效應可使脈沖在時間和空間上自壓縮，并改善光束空間質(zhì)量。(4)透過非線性正色散透明固體材料9后光束由一個鍍銀凹面反射鏡11準直，鍍銀凹面反射鏡11的焦點和入射的超短脈沖通過的焦點o一致。(5)準直后的光束反射到鍍銀平面反射鏡12上。(6)鍍銀平面反射鏡12將準直光束反射到第二1/4波片13上，該1/4波片13的快軸方向與第一1/4波片7的快軸方向垂直。(7)經(jīng)過第二波片13后光束再通過檢偏器14將凈化脈沖與廢棄脈沖分開，檢偏器14的光軸方向與入射線偏振超短脈沖的偏振方向垂直。(8)改變透明固體材料9距離聚焦透鏡8的幾何焦點o的位置可以調(diào)節(jié)脈沖在材料內(nèi)非線性效應的強弱，從而使得脈沖寬度得到不同程度的自壓縮，無需額外的色散補償裝置來壓縮脈沖。
本發(fā)明的超短脈沖時間和空間凈化基本原理是，橢圓偏振的超短激光脈沖在非線性正色散透明固體材料9中傳播時會產(chǎn)生非線性橢圓旋轉(zhuǎn)效應，可改變?nèi)肷浼す獾钠駪B(tài)，這種非線性效應是與入射激光強度成指數(shù)關系的，而當?shù)谝粋€零級1/4波片的快軸方向與入射的線偏振激光的偏振方向成22.5°時得到橢圓偏振光的偏振旋轉(zhuǎn)效率最佳。這種橢圓偏轉(zhuǎn)效應的強度相關特性使得脈沖峰值附近的高強度部分發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而低強度的脈沖底座及衛(wèi)星脈沖的偏振態(tài)則基本上沒有變化。然后激光脈沖再經(jīng)過一個零級1/4波片使得脈沖中偏振態(tài)沒有變化的部分恢復到原來的偏振態(tài)，而產(chǎn)生非線性橢圓旋轉(zhuǎn)的高強度部分則與原偏振態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時再經(jīng)過一個偏振器作為檢偏元件可將一部分高強度脈沖與其余部分分離，從而達到提高脈沖對比度的目的。不同于以往的整形方法，在本裝置中引入正色散透明固體材料不僅可以達到凈化時域脈沖的目的，超短脈沖在正色散材料中的自聚焦過程以及隨之產(chǎn)生的等離子體作用還會造成脈沖寬度壓縮；此外，裝置中采用發(fā)散光束入射到固體材料可在壓縮脈寬的同時實現(xiàn)對脈沖的空間模式改善。
本發(fā)明具體實施例入射的線偏振超短激光脈沖寬度約63fs，中心波長800nm，光譜寬度約21nm，重復頻率1kHz，入射脈沖功率為195mW。非線性正色散透明固體材料9選用3mm厚的BK7玻璃片，固定在行程為200mm的光學精密滑軌10上，然后放于聚焦透鏡8幾何焦點后約100mm處。聚焦透鏡8的焦距為1.5m，鍍銀凹面反射鏡11焦距為0.75m，距聚焦透鏡8約2.25m，檢偏器14的消光比大于106。對于從圖2所示的超短脈沖時間和空間凈化的裝置中輸出的脈沖，用自相關儀可同時測量其脈沖寬度和對比度，采用CCD測量輸入脈沖和輸出脈沖的空間模式。輸入脈沖的對比度大約為10(圖3)，脈沖寬度大約為63fs(圖5)，脈沖橫截面上能量分布不是很好的高斯型，邊緣部位有些不規(guī)則(圖7)；輸出脈沖的對比度得到明顯改善，觀察不到衛(wèi)星脈沖，限于測量的精度，可以得到輸出脈沖的對比度大于100(圖4)，脈沖寬度大約為57fs(圖6)，比入射脈沖寬度略小，輸出脈沖橫截面上能量分布如圖8所示，具有較好的高斯形狀。入射脈沖平均功率為195mW，經(jīng)過第二1/4波片13后總光束平均功率為137.5mW，總能量通過率約為70.5％；其中凈化脈沖效率約為10％，整個裝置效率約為6.5％，其中由于裝置中部分光學元件沒有鍍增透膜，導致整個系統(tǒng)鏡面反射損耗為31％。
權利要求
1.一種超短脈沖時間和空間凈化裝置，在輸入的線偏振超短脈沖激光的光路上有第一1/4波片(7)、聚焦透鏡(8)、第二1/4波片(13)和檢偏器(14)，該檢偏器(14)的光軸方向與所述的入射線偏振超短脈沖激光的偏振方向垂直，所述的第一1/4波片(7)的快軸方向與所述的入射線偏振超短脈沖激光的偏振方向成22.5°，其特征是①所述的第一1/4波片(7)和第二1/4波片(13)為零級1/4波片，二者的快軸方向相互正交；②在所述的聚焦透鏡(8)和第二1/4波片(13)之間還有一非線性正色散透明固體材料(9)和鍍銀凹面反射鏡(11)；③所述的鍍銀凹面反射鏡(11)與所述的聚焦透鏡(8)位于同一高度，其間距為兩者焦距之和并共焦點(o)，所述的非線性正色散透明固體材料(9)位于聚焦透鏡(8)的幾何焦點(o)之后；④所述的非線性正色散透明固體材料(9)固定在一光學滑軌(10)的滑塊上。
2.根據(jù)權利要求1所述的超短脈沖時間和空間凈化裝置，其特征是在所述的鍍銀凹面反射鏡(11)和第二1/4波片(13)之間還有一鍍銀平面反射鏡(12)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超短脈沖時間和空間凈化裝置，其特征是在所述的非線性正色散透明固體材料(9)為BK7玻璃片。
全文摘要
一種超短脈沖時間和空間凈化裝置，包括第一1/4波片、聚焦透鏡、第二1/4波片和檢偏器，其特征是①所述的第一1/4波片和第二1/4波片為零級1/4波片，二者的快軸方向相互正交；②在所述的聚焦透鏡和第二1/4波片之間還有一非線性正色散透明固體材料和鍍銀凹面反射鏡；③所述的鍍銀凹面反射鏡與所述的聚焦透鏡位于同一高度，其間距為兩者焦距之和并共焦點，所述的非線性正色散透明固體材料固定在一光學滑軌的滑塊上并置于聚焦透鏡的幾何焦點之后。本發(fā)明可提高超短脈沖的時間對比度，改善空間模式質(zhì)量，并且不需要采用額外的色散補償元件，裝置簡單易操作。
文檔編號H01S3/00GK1700536SQ200510025798
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權日2005年5月13日
發(fā)明者陳曉偉, 冷雨欣, 劉軍, 朱毅, 林禮煌, 李儒新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所