CN101000407A - 脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置及分束方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置及分束方法，该装置由一个法拉第光隔离器和一个包含有电光晶体泡克耳斯盒的无源法布里－珀罗谐振腔和电光晶体泡克耳斯盒电源组成。该装置可将一个线偏振激光脉冲分成同光轴、相同传播方向和同一偏振方向的、脉冲间隔可按需调节的、能量比例可控的双脉冲，本发明的分束方法原理上不造成能量的损失，产生的两子脉冲的能量之和几乎接近原来母脉冲的能量。脉冲间隔可以通过调节谐振腔的长度L和脉冲在腔内振荡的次数n按需进行调节。该方法具有调节精确，简单方便，容易控制等优点。

Description

脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置及分束方法

技术领域

本发明涉及激光，特别是一种脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置及分束方法，该装置可将一个有限脉冲宽度的线偏振激光脉冲(波长在近紫外至近红外范围内)分成具有光轴、传播方向和偏振方向相同的、脉冲间隔可按需调节的双脉冲。

背景技术

在激光应用中，常常需要将一个线偏振的激光脉冲(记为“母脉冲”)分成具有光轴、传播方向和偏振方向相同的，脉冲间隔和分束比例可调的两个子脉冲。

一般来说，分束法通常是使用适当透过率的分束镜和全反射镜的组合来完成的。分束镜的分束比例是固定的，不同的分束比例要更换分束镜；而要获得同光轴，相同的传播方向和同一偏振方向，且脉冲间隔和脉冲能量比可以任意调节的两个子脉冲，其调节工作复杂繁琐，分束系统稳定性差，并且整个分束过程会导致损失母脉冲的一半能量。

已有的技术中，尚未见能够不损失母脉冲的一半能量的同光轴、相同传播方向和同一偏振方向的分束方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置及分束方法，该装置可以将一个线偏振激光脉冲分成两个具有光轴、传播方向和偏振方向相同的，且脉冲间隔、脉冲能量比可按需调节的子脉冲。本发明装置占用空间小、原理上分成子脉冲过程中不存在光束能量损失，具有调节精确，简单方便，容易控制等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，该装置的构成是在同一光轴上依次设有：第一偏振器、法拉第旋光器、第二偏振器、电光晶体泡克耳斯盒和第一全反射镜，所述的第一偏振器与第二偏振器的透过轴成45°，所述的第一偏振器、法拉第旋光器和第二偏振器构成一法拉第旋光隔离器，在所述的第二偏振器的反射光方向是一可沿光束方向垂直移动的第二全反射镜，所述的第一全反射镜、电光晶体泡克耳斯盒、第二偏振器和第二全反射镜构成一无源的法布里—珀罗谐振腔，在所述的电光晶体泡克耳斯盒的两极上分别施加间隔可控、幅度可调的脉冲电压。

所述的电光晶体泡克耳斯盒的两极上分别施加间隔可控、幅度可调的脉冲电压的电路构成是：一同步信号接同步延时器的输入端，该同步延时器是一单输入的具有不同延时的且延时可调的双输出同步延时器，该同步延时器的第一输出端接第一驱动器，该同步延时器的第二输出端接第二驱动器，第一直流高压电源通过所述的第一驱动器接所述的电光晶体泡克耳斯盒的第一电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒提供第一直流高压V_i，第二直流高压电源通过所述的第二驱动器接所述的电光晶体泡克耳斯盒的第二电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒提供第二直流高压V＝V_λ/4。

所述的电光晶体泡克耳斯盒的电光晶体是KD^*P、KDP、或铌酸锂晶体。

所述的法拉第光隔离器是恒磁式的或电磁式驱动的。

所述的第一偏振器和第二偏振器是薄膜偏振器，或是由方解石、石英、钒酸钇的双折射晶体制成的偏振棱镜。

利用上述分束装置，获得具有光轴、传播方向和偏振方向相同的、脉冲间隔可调的双脉冲光束的方法，特征在于包括下列步骤：

①在t₀时刻在所述的电光晶体泡克耳斯盒的第一电极上施加第一直流高压V_i，一个线偏振激光脉冲通过第一偏振器输入、经法拉第旋光器和第二偏振器，由第一全反射镜反射，两次经过所述的电光晶体泡克耳斯盒后，被第二偏振器按能量倒出率T_i倒出第1个激光子脉冲p，该第1个激光子脉冲p透过第二偏振器反向通过法拉第旋光器，被第一偏振器反射偏离入射方向而传播，所述的倒出率T_i＝cos²[δ(V_i)/2]，式中： $\mathrm{\δ}\left(V_i\right)=\frac{2\mathrm{\π}{V}_i}{V_{\mathrm{\λ}}}$ 为加有V_i电压的电光晶体泡克耳斯盒所对应的延迟量，V_λ为电光晶体泡克耳斯盒所对应激光波长的全波电压值；

②紧接着在t₁时刻，退去加在电光晶体泡克耳斯盒上的电压，即V_i＝0，携带剩余能量比例为(1-T_i)的激光脉冲s被第二偏振器反射，在所述的谐振腔内振荡；

③在激光脉冲s在腔内振荡了(n-1)次后，紧接着在t_n-1时刻，再给电光晶体泡克耳斯盒的第二电极上加第二直流高压V＝V_λ/4，则在激光脉冲s在腔内振荡n次后的t_n时刻，腔内脉冲全部透过第二偏振器，该脉冲透过第二偏振器反向通过法拉第旋光器，被第一偏振器反射偏离入射方向而传播第二个激光子脉冲s，该第2个激光子脉冲s与所述的第1个激光子脉冲p具有光轴、传播方向和偏振方向相同的脉冲。

所述的第1个激光子脉冲和第2个激光子脉冲之间的时间间隔由公式确定：

τ＝2Ln/c，

式中：L为激光谐振腔的腔长，n为激光脉冲在t_n-1-t₁时间内在腔内振荡的次数，c为光速。

本发明的技术效果如下：

由以上所述可知，利用本发明脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，可以将一个线偏振激光脉冲分成两个具有光轴、传播方向和偏振方向相同的，且脉冲间隔、脉冲能量比可按需调节的子脉冲。

本发明装置占用空间小、原理上分成子脉冲过程中不存在光束能量损失，产生的两子脉冲的能量之和几乎接近原来母脉冲的能量。脉冲间隔可以通过调节谐振腔的长度L和脉冲在腔内振荡的次数n按需进行调节。具有调节精确，简单方便，容易控制等优点。

对于待分束的激光脉冲宽度为皮秒至飞秒的脉冲，腔长L随所需脉冲间隔而定；而当待分束的激光脉冲宽度为十几纳秒时，要分开两个脉冲，对应腔长L的数值较大。

本发明的装置和方法，对于非线偏振光激光脉冲的分束同样适用：

(a)对于圆偏振光激光脉冲，先用一片1/4波片将圆偏振光转换为线偏振光，再用本发明的装置进行分束。如需输出为圆偏振光时，可再用一1/4波片将输出线偏振激光脉冲列转换为圆偏振光。

(b)对于椭圆偏振光激光脉冲，先用一片合适相位延迟的波片将椭圆偏振光转换为线偏振光，再用本发明的装置进行分束。如需输出仍为椭圆偏振光时，可再用一片同样延迟的波片将输出线偏振激光脉冲列转换为椭圆偏振光。

(c)对于非偏振光激光脉冲，本发明的方法和装置同样适用分束，不过，激光脉冲在通过法拉第光隔离器时会损失一部分能量，但输出仍为两个线偏振激光脉冲。

附图说明

图1是本发明激光脉冲分束调节器的结构示意图

图2为在电光晶体泡克耳斯盒的两个电极上施加脉冲电压的电路结构框图

图3为在电光晶体腔内泡克耳斯盒上所施加的脉冲电压波形图

图4为利用本发明装置产生的两脉冲的实例图。

图中：

1-线偏振激光脉冲

2-第一偏振器

3-法拉第旋光器

4-第二偏振器

5-电光晶体泡克耳斯盒

6-第一全反射镜

7-第二全反射镜

8-输出子脉冲列的方向

9-法拉第光隔离器

10-无源法布里—珀罗谐振腔

11-第二全反射镜平动方向

21-同步信号

22-同步延时器

23-第一驱动器

24-第一直流高压电源

25-电阻

26-电容

27-第二直流高压电源

28-第二驱动器

31-加在电光晶体泡克耳斯盒的第一电极上的第一直流高压脉冲电压波形

32-加在电光晶体泡克耳斯盒的第二电极上的第二直流高压脉冲电压波形

33-实际上加在电光晶体泡克耳斯盒上的组合脉冲电压波形

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1是本发明脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置的结构示意图，图2为在无源法布里—珀罗谐振腔内的电光晶体泡克耳斯盒的两个电极上施加脉冲电压的电路结构框图，由图可见，本发明脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置的构成是在同一光轴上依次设有：第一偏振器2、法拉第旋光器3、第二偏振器4、电光晶体泡克耳斯盒5和第一全反射镜6，所述的第一偏振器2与第二偏振器4的透过轴成45°，所述的第一偏振器2、法拉第旋光器3和第二偏振器4构成一法拉第旋光隔离器，在所述的第二偏振器4的反射光方向是一可沿光束方向垂直移动的第二全反射镜7，所述的第一全反射镜6、电光晶体泡克耳斯盒5、第二偏振器4和第二全反射镜7构成一无源的法布里—珀罗谐振腔10。

在所述的电光晶体泡克耳斯盒5的两极上施加脉冲电压的电路构成是：一同步信号21接同步延时器22的输入端，该同步延时器22是一单输入的具有不同延时的且延时可调的双输出的同步延时器，该同步延时器22的第一输出端接第一驱动器23，该同步延时器22的第二输出端接第二驱动器28，第一直流高压电源24通过所述的第一驱动器23接所述的电光晶体泡克耳斯盒5的第一电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒5提供第一直流高压V_i，第二直流高压电源27通过所述的第二驱动器28接所述的电光晶体泡克耳斯盒5的第二电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒5提供第二直流高压V＝V_λ/4。

所述的同步延时器22加在第一驱动器23和第二驱动器28的信号是有先后顺序的，如图3所示的t₁和t_n-1时刻。t₁、t_n-1相对于t₀是可以连续调节的。利用同步延时器22进行连续调节，电压波形31是第一直流高压电源24通过所述的第一驱动器23接所述的电光晶体泡克耳斯盒5的第一电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒5提供第一直流高压V_i的电压波形，电压波形32是第二直流高压电源27通过所述的第二驱动器28接所述的电光晶体泡克耳斯盒5的第二电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒5提供第二直流高压V＝V_λ/4的电压波形。实际上电光晶体泡克耳斯盒5两端得到的驱动电压波形是前两者的差值，即电压波形33，t₀是同步信号21施加在所述的电光晶体泡克耳斯盒5的第一电极上的电压波形31的起始时刻。

所述的电光晶体泡克耳斯盒5的电光晶体是KD^*P、KDP、或铌酸锂晶体。

所述的法拉第光隔离器9是恒磁式的或电磁式驱动的。

所述的偏振器是薄膜偏振器，或是由方解石、石英、钒酸钇的双折射晶体制成的偏振棱镜。

利用所述的分束装置，获得具有光轴、传播方向和偏振方向相同的、脉冲间隔可调的双脉冲光束的方法的过程如下：

因为所述的法拉第光隔离器9是一种单向通过的光学部件：正向(如图1中从左向右)入射的线偏振激光可以无损耗地通过法拉第光隔离器，但反向(图中从右向左)入射的光不能通过法拉第光隔离器从原入射光路出射，而偏离原入射方向而沿8出射。

含有电光晶体泡克耳斯盒5的无源的法布里—珀罗谐振腔由第二偏振器4、电光晶体泡克耳斯盒5、第一全反射镜6和第二全反射镜7构成。第一全反射镜6，第二全反射镜7分别与入射光线垂直，如此构成一个谐振腔。当电光晶体泡克耳斯盒5上未施加电压时，以某种方法陷进腔内的激光脉冲可以在谐振腔10中来回振荡，不能输出。

设线偏振激光母脉冲1的总能量为W，要分成两个同光轴，相同传播方向，且脉冲间隔、脉冲能量比可按需调节的子脉冲，具体操作步骤如下：

i)t₀时刻在电光晶体泡克耳斯盒5加一电压V_i。令激光母脉冲1的偏振方向与第一偏振器2的透射轴的方向一致，通过第一偏振器2和法拉第旋光器3后，激光偏振方向被旋转45度，而与第二偏振器4的透射轴一致，无损耗地通过第二偏振器4。激光母脉冲1通过加有V_i电压的电光晶体泡克耳斯盒5往返两次后，偏振态发生变化，变成椭圆偏振光，此椭圆偏振的母脉冲在第二偏振器4上分解为两个互相垂直的偏振分量：s偏振分量和p偏振分量。其中p偏振分量反向通过第二偏振器4和法拉第旋光器3，被第一偏振器反射而沿8所示方向传播，由此输出了第1个子脉冲p，其能量为WT_i。

在此，定义腔的能量倒出率T_i为腔内椭圆偏振光中p偏振分量的能量Wp与椭圆偏振光总能量We的比值，该数值由电光晶体泡克耳斯盒5上所加电压V_i所决定：

T_i＝cos²[δ(V_i)/2]                     (a)

该电光晶体泡克耳斯盒5所产生的对应的延迟量为：

$\mathrm{\δ}\left(V_i\right)=\frac{2\mathrm{\π}{V}_i}{V_{\mathrm{\λ}}}---\left(b\right)$

ii)母脉冲1通过加有V_i电压的电光晶体泡克耳斯盒5往返两次后的t₁时刻，退去加在电光晶体泡克耳斯盒5上的电压，即V_i＝0。携带剩余能量W(1-T_i)的s偏振分量脉冲被第二偏振器4反射进谐振腔10进行振荡。

iii)s偏振分量的脉冲在腔内振荡了(n-1)次后，紧接着在t_n-1时刻，给泡克耳斯盒5上加电压V_λ/4，其中V_λ为电光晶体泡克耳斯盒5对应该激光波长的全波电压值，t_n-1＝t₁+2L(n-1)/c，其中L为第一全反射镜6与第二全反射镜7之间的有效光程长，c为光速。则携带剩余能量比例为(1-Ti)的s偏振分量的脉冲，在腔内振荡n次后的t_n时刻，全部透过第二偏振器4。由此获得了第二个激光子脉冲s。该脉冲s的出射方向与第一个子脉冲p的出射方向相同。

两个脉冲的时间间隔为τ＝2Ln/c，可以通过调节谐振腔的腔长L(全反射镜7可以沿腔的轴线移动，在图中11用双箭头表示)和脉冲在腔内振荡的次数n加以控制，在本发明装置上可通过同步延时器22来调整，两个脉冲的能量比是由取V_i的数值确定的，即由第一直流高压电源24的输出来调节。

采用本发明的装置和方法，将一个由Nd:YAG激光器产生的15ns的1064nm激光脉冲，按图1所示的方式输进由法拉第光隔离器9、泡克耳斯盒5和第一全反射镜6和第二全反射镜7组成的装置。取谐振腔长度L约为4.8米，脉冲在腔内往返一次所用的时间τ约为32ns。把一个脉冲分为能量相等，脉冲间隔分别为32ns的双脉冲。输出间隔32ns双脉冲的结果如图4所示。

Claims (7)

1、一种脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，特征在于该装置的构成是在同一光轴上依次设有：第一偏振器(2)、法拉第旋光器(3)、第二偏振器(4)、电光晶体泡克耳斯盒(5)和第一全反射镜(6)，所述的第一偏振器(2)与第二偏振器(4)的透过轴成45°，所述的第一偏振器(2)、法拉第旋光器(3)和第二偏振器(4)构成一法拉第旋光隔离器，在所述的第二偏振器(4)的反射光方向是一可沿光束方向垂直移动的第二全反射镜(7)，所述的第一全反射镜(6)、电光晶体泡克耳斯盒(5)、第二偏振器(4)和第二全反射镜(7)构成一无源的法布里-珀罗谐振腔(10)，在所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)的两极上分别施加间隔可控、幅度可调的脉冲电压。

2、根据权利要求1所述的脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，其特征在于所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)的两极上分别施加间隔可控、幅度可调的脉冲电压的电路构成是：一同步信号(21)接同步延时器(22)的输入端，该同步延时器(22)是一单输入的具有不同延时的且延时可调的双输出同步延时器，该同步延时器(22)的第一输出端接第一驱动器(23)，该同步延时器(22)的第二输出端接第二驱动器(28)，第一直流高压电源(24)通过所述的第一驱动器(23)接所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)的第一电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)提供第一直流高压V_i，第二直流高压电源(27)通过所述的第二驱动器(28)接所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)的第二电极，为所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)提供第二直流高压V＝V_λ/4。

3、根据权利要求1所述的脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，其特征在于所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)的电光晶体是KD^*P、KDP、或铌酸锂晶体。

4、根据权利要求1所述的脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，其特征在于所述的法拉第光隔离器(9)是恒磁式的或电磁式驱动的。

5、根据权利要求1所述的脉冲间隔可调的线偏振激光双脉冲的分束装置，其特征在于所述的第一偏振器(2)和第二偏振器(4)是薄膜偏振器，或是由方解石、石英、钒酸钇的双折射晶体制成的偏振棱镜。

6、利用权利要求1所述的分束装置，获得具有光轴、传播方向和偏振方向相同的、脉冲间隔可调的双脉冲光束的方法，特征在于包括下列步骤：

①在t₀时刻在所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)的第一电极上施加一电压V_i，一个线偏振激光脉冲(1)通过第一偏振器(2)输入、经法拉第旋光器(3)和第二偏振器(4)，由第一全反射镜(6)反射，两次经过所述的电光晶体泡克耳斯盒(5)后，被第二偏振器(4)按能量倒出率T_i倒出第1个激光子脉冲p，该第1个激光子脉冲p透过第二偏振器(4)反向通过法拉第旋光器(3)，被第一偏振器(2)反射偏离入射方向而传播，所述的倒出率T_i＝cos²[δ(V_i)/2]，式中：V_i为加在电光晶体泡克耳斯盒(5)上的第一直流高压； $\mathrm{\δ}\left(V_i\right)=\frac{2\mathrm{\π}{V}_i}{V_{\mathrm{\λ}}}$ 为加有V_i电压的电光晶体泡克耳斯盒(5)所对应的延迟量，V_λ为电光晶体泡克耳斯盒对应激光波长的全波电压值；

②紧接着在t₁时刻，退去加在电光晶体泡克耳斯盒(5)上的电压，即V_i＝0，携带剩余能量比例为(1-T_i)的激光脉冲s被第二偏振器(4)反射，在所述的谐振腔内振荡；

③在激光脉冲s在腔内振荡了(n-1)次后，紧接着在t_n-1时刻，再给电光晶体泡克耳斯盒(5)的第二电极上加第二直流高压V＝V_λ/4，则在激光脉冲s在腔内振荡n次后的t_n时刻，腔内脉冲全部透过第二偏振器(4)，该脉冲透过第二偏振器(4)反向通过法拉第旋光器(3)，被第一偏振器(2)反射偏离入射方向而传播第二个激光子脉冲s，该第二个激光子脉冲s与所述的第1个激光子脉冲p具有光轴、传播方向和偏振方向相同的脉冲。

7、根据权利要求6所述的获得脉冲间隔可调的双脉冲光束的方法，其特征在于所述的第1个激光子脉冲和第二个激光子脉冲之间的时间间隔由公式确定：

τ＝2Ln/c，

式中：L为激光谐振腔的腔长，n为激光脉冲在t_n-1-t₁时间内在腔内振荡的次数，c为光速。

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