CN1375896A - 激光脉冲时间宽度调节的装置 - Google Patents

Abstract

一种激光脉冲时间宽度调节的装置,是利用一台腔长可变化的激光器作为脉冲堆积器,主要包括由激光光源发射的种子激光脉冲,通过单向器射到置放在由两激光腔片构成的激光谐振腔内的检偏振片上导入激光谐振腔内,激光脉冲在激光谐振腔内来回振荡,经过放大介质的放大和脉冲的叠加,通过调节激光谐振腔的腔长变化,可以获得输出的脉冲时间宽度是连续可变的,与在先技术相比,本发明的装置不仅能够获得大范围的连续实时可调节的激光脉冲时间宽度,同时还能获得展宽后的脉冲能量是放大的。

Description

激光脉冲时间宽度调节的装置

技术领域：

本发明是一种关于激光脉冲时间宽度调节的装置，主要适用于调节以连续锁模脉冲列作为种子源的输出脉冲的时间宽度，应用于激光研究领域。

背景技术：

在强激光的一些重要应用中，例如激光核聚变(ICF)物理实验或光学参量放大(OPA)物理实验中，要求激光脉冲具有不同的时间宽度，并且脉冲的时间宽度可以在比较大的范围内实现实时连续调节。目前使用的典型时间整形装置主要是利用脉冲堆积的形式。在在先技术中，Miyanaga N和Nakatsuka M等人在Gekko XII激光系统中提供了一种典型调节装置(《强激光的传输与控制》，吕百达，324)，其光路布置见图1所示。锁模激光振荡器产生的脉冲经过传输和选单脉冲，在进入时间整形系统前为一个脉宽50ps的平顶线偏振脉冲，入射到反射镜1上，经过反射镜1反射后透过偏振片2和1/4波片4，变成圆偏振光，经过透镜5和透镜6扩束为平行光束，入射到反射镜7上，然后通过反射镜7反射到阶梯反射镜8上。阶梯反射镜8上有16个阶梯，使得光束入射到阶梯反射镜8上分成16路平行子束沿原路反射，使得每一路受到不同的延时。16路子束被反射镜7反射，通过透镜6和透镜5缩到原来的口径，叠加成时间宽度较宽的整形脉冲。然后通过1/4波片4使得圆偏振光变为与入射脉冲偏振垂直的线偏振光，从偏振片2反射到反射镜3上输出整形后的宽脉冲。输出脉冲的宽度可以根据阶梯反射镜8对不同子束的不同延时而实现。

在上述的装置中，脉冲宽度不能够实时调节，脉冲时间宽度展宽时不能够同时将激光脉冲的能量放大，叠加的子束数目有限，使得脉冲宽度的调节范围有限，而且在脉冲宽度增加后可能导致脉冲成为梳子状。

发明内容：

本发明为克服上述在先技术中所存在的不足，提供一种激光脉冲时间宽度的调节装置，利用一台腔长可变化的激光器作为脉冲堆积器，在其中进行激光脉冲叠加堆积，形成所需要的时间宽度的激光脉冲，并可以同时将脉冲参量放大后输出。其光路的布置如图2所示。

本发明的激光脉冲时间宽度调节的装置主要包括：激光光源10和由起偏振片11，45°法拉第旋光器12和45°旋光片14构成的单向器13，输出连接到示波器9上的探头15。采用激光器21作为脉冲堆积器，激光器21包括由第一激光腔片16和第二激光腔片22构成的激光谐振腔21，激光谐振腔21内置有放大介质19，在第一激光腔片16与放大介质19之间的激光谐振腔21内置有普克尔盒17，在普克尔盒17与放大介质19之间的激光谐振腔21内置有表面与激光谐振腔21中心轴线成57°角置放的检偏振片18，在放大介质19与第二激光腔片22之间的激光谐振腔21内置有小孔光阑20，构成激光谐振腔21的第一激光腔片16与第二激光腔片22之间的距离即激光谐振腔21的腔长是可以调节的；由激光光源10发射的种子激光脉冲通过单向器13后射到激光谐振腔21内的检偏振片18上导入激光谐振腔21内，在激光谐振腔21外对着第一激光腔片16置放输出连接到示波器9上的探头15。如图2所示。

如上所述，本发明装置包括：第一激光腔片16(反射率为99％)，普克尔盒17，检偏振片18，放大介质19，小孔光阑20和第二激光腔片22(反射率＞99％)组成一个激光器21。利用这个激光器21作为脉冲堆积器。激光腔片16和22构成的激光谐振腔的有效腔长为L。在激光器21的光路中检偏振片18作为检偏器。可以调节检偏振片18，能够使之检偏性能被调弱。对于反射率为99％的第一激光腔片16(或22)有小于1％的漏光。第二激光腔片22可以沿激光腔轴线前后移动以调节激光器21的腔长L。脉冲可以在激光谐振腔中的第一激光腔片16与第二激光腔片22之间来回振荡放大。小孔光阑20用于限制振荡放大光束。起偏振片11作为起偏器，和45°法拉第旋光器12，45°旋光片14组成一个单向器13，其中45°法拉第旋光器12和45°旋光片14旋光性能联合作用，使得入射偏振光的偏振方向旋转90°。来自激光光源10的连续激光锁模脉冲列经过单向器13中的起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14入射到检偏振片18上。通过检偏振片18检偏后，注入激光器21中。启动普克尔盒17的工作流程，使多个脉冲在激光谐振腔中相互叠加。当激光谐振腔的腔长L(光程长度)和脉冲列的脉冲间隔T所决定的空间长度相等时，例如脉冲在激光谐振腔中来回一次的时间和脉冲列中脉冲的时间间隔T相等(T＝2L/c，c是真空中的光速)，一个脉冲在腔内来回振荡一次后，将和后继射入激光器21的一个脉冲完全重叠。这样经过多次振荡后就有多个脉冲在激光器21的谐振腔中完全重叠在一起，形成一个叠加的大脉冲。如果激光器21的腔长L和脉冲列中脉冲间隔T所决定的空间长度有些不相等，在激光器21的谐振腔中来回振荡的脉冲之间将相应产生时间延迟，导致叠加的大脉冲展宽。当激光器21中被引入的激光脉冲的数目一定时，最终叠加的大脉冲的宽度由激光器21的谐振腔的腔长L决定，因此可以通过调节激光器21的谐振腔的腔长L来实时得到所需要的脉冲时间宽度。当T＝2L/c时，叠加的大脉冲的宽度最短。脉冲在激光器21的谐振腔中来回振荡叠加展宽和放大后，经过一定的时间T₀后获得放大饱和，一般T₀＞＞T，因此进入激光器21的总的脉冲数n＝T₀/T可以很大，所以叠加而成的大脉冲可以在比较大的时间宽度调节范围内保持光滑。经过T₀时间后，普克尔盒17工作，使得叠加放大后的脉冲通过检偏振片18按照原光路的逆方向入射到单向器13中，即在其路径中通过45°旋光片14和45°法拉第旋光器12后，由起偏振片11反射输出放大后的叠加的时间整形脉冲。因为光束的偏振方向改变，不再透过起偏振片11，而是被起偏振片11反射导出。

普克尔盒17的工作程序是：首先，在普克尔盒17上施加1/4波电压，使得激光器21在放大介质19泵浦期间，不能形成振荡，处于关闭状态。当一个脉冲从检偏振片18反射入激光器21内，通过普克尔盒17，经第一激光腔片16反射后又一次经过普克尔盒17，偏振方向改变，脉冲可以透过检偏振片18，立即使普克尔盒17上施加的电压为0。这样激光脉冲就可以在激光器21的谐振腔内来回振荡，获得放大。由于检偏振片18的偏振性能被调弱，存在一定的漏光，使得后继的脉冲也可以在激光器21中振荡放大和叠加。当在激光器21中叠加脉冲放大后，达到需要的脉冲强度时，又给普克尔盒17施加1/4波电压，并注意调节加电压的时刻，使得放大后的叠加脉冲2次通过普克尔盒17，偏振方向改变，由检偏振片18反射导出。

采用单向器13是使得输入脉冲和输出脉冲分开。在第一激光腔片16后面的探头15利用漏光(小于1％的透过率)用以置放探头15观察脉冲在激光器21中的振荡放大过程，探头15的输出显示在示波器9上，同时测量获得的脉冲时间宽度，确定是否是所需要的脉冲宽度。

在本发明的装置中，起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14组成一组单向器13，使得入射的激光可以沿起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14入射到激光器21中，从激光器21输出的光则逆方向行进而从起偏振片11反射导出。根据激光工作波长的不同，装置中各种光学元件需要和工作波长对应。而法拉第旋光器12和45°旋光片14可以换成普克尔盒，同样可以产生单向器的效果。在本发明的装置中，放大介质19的工作波长与激光光源的工作波长一致，可以是掺钛蓝宝石晶体，掺钕玻璃或掺钕钇铝石榴石晶体等。

上述激光脉冲时间宽度的调节，其结构如图2所示，具体调节步骤如上所述：(1)使得通过起偏振片11起偏后的连续锁模偏振脉冲列通过法拉第旋光器12和45°旋光片14入射到检偏振片18上，并启动普克尔盒17，使得脉冲列注入到激光器21中。(2)激光器21是采用第一激光腔片16，第二激光腔片22，检偏振片18，小孔光阑20，放大介质19和普克尔盒17建立的，作为脉冲堆积器，调节使激光器21的谐振腔腔长L(光程长度)和脉冲列的脉冲间隔T所决定的空间长度相等，即脉冲在激光谐振腔中来回一次的时间和脉冲列中脉冲的时间间隔T相等(T＝2L/c，c是真空中的光速)。当没有种子激光束注入时，激光器21中不存在振荡光。(3)当种子激光束注入后，通过探头15和示波器9观察脉冲在激光器21中的脉冲放大和加宽过程，测量脉冲的时间宽度，用沿激光腔长度轴线前后移动第二激光腔片22，获得所需要的放大后的脉冲时间宽度。(4)最后由设定的普克尔盒的工作程序，使得放大的脉冲在最强时从检偏振片18导出，通过45°旋光片14和法拉第旋光器12被起偏振片11反射导出。此时可以获得所需要的放大的激光脉冲。

与先技术相比，本发明具有显著的特点：(1)采用激光器21作为脉冲堆积器。而在先技术中是利用阶梯反射镜实现脉冲延时和堆积。(2)通过调节激光器21谐振腔的腔长，使得输出脉冲时间宽度可以连续实时调节。而在先技术中，阶梯反射镜确定后脉冲宽度就固定不变。(3)由于是大量脉冲在激光谐振腔中叠加，输出脉冲时间宽度可调节的范围大。而在先技术中，由于采用的阶梯反射镜的分光束的数目很少，为了使得叠加后的脉冲不发生分裂，脉冲时间宽度不可能展得太宽。(4)利用激光器21可以对脉冲同时进行放大。在先技术中，展宽后的脉冲能量不能得到放大。

附图说明：

图1为在先技术激光脉冲时间宽度调节装置的结构示意图。

图2为本发明的激光脉冲时间宽度调节装置的结构示意图。

图3为实施本发明的激光脉冲时间宽度调节装置所得的结果。

具体实施方式：

应用如图2所示的结构，采用掺钛蓝宝石连续锁模激光器输出的1064nm，76MHz连续锁模脉冲列，每个脉冲宽度约120fs，经过光栅对脉冲展宽器展宽后得到～0.3ns的连续锁模脉冲列作为输入种子脉冲列，经过起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14被检偏振片18反射后注入激光器21中，其脉冲间隔T＝13ns。在激光器21中采用闪光灯泵浦的掺钕玻璃棒作为放大介质19，激光器21谐振腔的初始腔长L设置为1973.7mm(光程长度)，和输入的76MHz连续锁模脉冲列的脉冲间隔T＝13ns匹配(T＝2L/c)。普克尔盒17工作的时间间隔T₀设定为7784ns，一共有接近600个脉冲在激光器21内振荡放大叠加。当沿激光腔轴线连续移动激光腔片22拉长激光腔时，获得了时间宽度连续可变的放大脉冲，调节范围可以从～0.3ns到～2.2ns(见图3)，脉冲形状保持光滑。在图3中，横轴表示第二激光腔片22的相对于第一激光腔片16的位置，读数越大，越靠近第二激光腔片22的初始位置。

Claims (1)

1.一种激光脉冲时间宽度调节的装置，包括激光光源(10)和由起偏振片(11)，45°法拉第旋光器(12)和45°旋光片(14)构成的单向器(13)，输出连接到示波器(9)上的探头(15)，其特征在于用激光器(21)作为脉冲堆积器，激光器(21)包括由第一激光腔片(16)和第二激光腔片(22)构成的激光谐振腔(21)，激光谐振腔(21)内置有放大介质(19)，在第一激光腔片(16)与放大介质(19)之间的激光谐振腔(21)内置有普克尔盒(17)，在普克尔盒(17)与放大介质(19)之间的激光谐振腔(21)内置有表面与激光谐振腔(21)中心轴线成57°角置放的检偏振片(18)，在放大介质(19)与第二激光腔片(22)之间的激光谐振腔(21)内置有小孔光阑(20)，构成激光谐振腔(21)的第一激光腔片(16)与第二激光腔片(22)之间的距离即激光谐振腔(21)的腔长是可以调节的；由激光光源(10)发射的种子激光脉冲通过单向器(13)后射到激光谐振腔(21)内的检偏振片(18)上导入激光谐振腔(21)内，在激光谐振腔(21)外对着第一激光腔片(16)置放输出连接到示波器(9)上的探头(15)。

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