CN101581867B - 基于手性液晶的飞秒光子储存环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于康普顿散射产生X射线的基于手性液晶的飞秒光子储存环。本发明的储存环光路为激光脉冲经起偏器、λ/4波片旋光后成为圆偏光、圆偏光再扩束，入射光经注入光路后通过手性液晶片耦合进入谐振腔，在共焦离轴抛面镜焦点聚焦，与电子束作用产生X射线，实现了入射光储存在环内，与电子束以极高的频率进行康普顿散射产生X射线。本发明选取手性液晶片做飞秒光子谐振腔注入窗口，用于康普顿散射可使产生的X射线亮度提高两个数量级，极大的提高了谐振腔的耦合效率，降低了谐振腔的衰减损耗；通过调节液晶螺距设计出适合各个波段飞秒激光脉冲注入传输的储存环，同时可实时监测、调整储存环衰减损耗。

Description

基于手性液晶的飞秒光子储存环

技术领域

本发明属于超短脉冲激光X射线技术领域，具体涉及一种适合超短激光脉冲注入传输的、用于康普顿散射产生高亮度X射线的基于手性液晶的飞秒光子储存环。

背景技术

早在60年代电子束散射激光光子产生X射线的思想就被提出了，近十几年来，由于加速器技术的成熟，TW激光器的突破性发展，使得这种基于康普顿散射产生X射线的构想成为通往超短脉冲、高亮度、紧凑光源的新途径。但是受高功率激光器的低重复频率的限制，激光束与电子束单次散射产生的X射线的平均亮度不高。为此，人们提出了把激光光子存储在储存环中，并把电子束与激光的作用点选在光子储存环内，使电子束多次通过作用点，从而使二者以非常高的频率发生康普顿散射，获得高平均亮度的X射线。一篇名为《用于康普顿散射的皮秒激光脉冲储存环》(《High-energy Picosecond Laser Pulse Recirculation for ComptonScattering》，I.Jovanovic，S.G.Anderson，S.M.Betts，et al，Particle AcceleratorConference’07，June 14，2007，231797~231802)的文章提出了在存储环里加入倍频晶体，通过频率转换，利用双色镜既有利于基频光的注入，又将倍频光储存在环内。但这种储存环不适合高能飞秒的注入和传输，这是因为高功率飞秒激光脉冲有数十nm的带宽，近焦耳量级的飞秒激光，其功率达到数TW，在穿过介质后，脉宽展宽严重，大大降低了峰值功率；且位相延迟急剧增大，造成光束分裂和自聚焦，从而对光学元件和光束质量造成严重破坏。因此，飞秒光子储存环必须避免激光往返穿越透射介质。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合超短激光脉冲注入传输的、用于康普顿散射产生高亮度X射线的基于手性液晶的飞秒光子储存环。

本发明的基于手性液晶的飞秒光子储存环，特点是，所述的储存环含有依次在光路上排布的起偏器、λ/4波片、短焦凸透镜、长焦凸透镜、第一高反镜、液晶片、第一离轴抛面镜、第二离轴抛面镜、第二高反镜、凸透镜、PD光电二极管，其中第一离轴抛面镜、第二离轴抛面镜是一对共焦离轴抛面镜。

本发明的储存环光路为：入射的飞秒激光脉冲，经起偏器成线偏振光，线偏振光经过λ/4波片旋光、成为右旋圆偏振光之后，入射的飞秒脉冲再经过长、短焦距透镜组成的望远镜系统扩束，通过液晶片耦合进入由液晶片、共焦离轴抛面镜、第二高反镜组成的“Z”形折叠谐振腔，液晶片为注入窗口，入射的飞秒激光脉冲经两个共焦离轴抛面镜反射，并在离轴抛面镜焦点处聚焦，选取该焦点为光子与电子束的作用点，而后入射光经第二高反镜反射，在谐振腔内往返传输，并采用光电二极管和CCD监测高反镜的透射光时间波形的衰减，调整腔长和第二高反镜的俯仰使谐振腔内传输的光束达到较好状态。

本发明的Z形谐振腔注入窗口的液晶片为手性液晶。手性液晶对某些特定波段的圆偏振光具有单向通过能力，采用手性液晶做谐振腔入射窗口极大的提高了谐振腔的耦合效率，降低了谐振腔的衰减损耗。

本发明的原理如下：

手性液晶具有Bragg选择反射特性，左旋手性液晶选择反射某个波段的左旋圆偏振光，而透射右旋圆偏振光。

入射的线偏振光经过1/4波片后变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振激光经左旋手性液晶片传输后经过奇数个反射面反射，变成左旋圆偏振光。当入射光再次经过左旋手性液晶片时，特定波段的激光会被左旋手性液晶片反射，形成特定波段光线的存储。

利用Jones矩阵和膜层递推法对光线在液晶光隔离器的传输过程进行了数值计算。在手性液晶螺旋轴线方向上，把一个螺距P均匀分成m层，每一层旋转的角度是β，β＝2π/m。根据能量守恒定律和坐标旋转方程可以得到每一单层的反射光电场Er和透射光电场Et。

$E_r=w\frac{\mathrm{\Δn}}{2n_e{n}_o}\left(\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{n}\sin \mathrm{\β}& n_o\cos \mathrm{\β}\\ n_e\cos \mathrm{\β}& -\stackrel{\‾}{n}\sin \mathrm{\β}\end{array}\right)*E_i---\left(1\right)$

$E_r=w\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\β}& -(\stackrel{\‾}{n}/n_e)\sin \mathrm{\β}\\ (\stackrel{\‾}{n}/n_o)\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right)*E_i---\left(2\right)$

其中E_i为入射光场，Δn＝n_e-n_o，n＝(n_e+n_o)/2，w＝cos²β+(n²n_en_o)sin²β。根据入射激光，依据关系式(3)、(4)设计液晶片：

入射光中心波长λ_o＝nP_o    (3)

入射光带宽Δλ＝P_oΔn     (4)

其中P_o为液晶螺距，液晶螺距可通过手性添加剂浓度来调节，因此可以根据入射激光波段的需求制成合适的储存环注入窗口。

实验证明，手性液晶对脉宽为百飞秒的激光脉冲有较高的抗损伤阈值，功率损伤阈值可达1TW/cm²；对光束的反射原理与介质高反薄膜的原理相同，不会对储存环内往返传输的激光脉宽有任何展宽影响；对入射光的正向透射率达90％以上，反向传输时的反射率最高可达99％。综上可知，选取手性液晶片做注入窗口完全符合飞秒光子储存环的设计要求。采用手性液晶的储存环可使单脉冲飞秒激光在环内往返传输近200次，用于康普顿散射可使产生的X射线亮度提高两个数量级。

本发明选取手性液晶片做飞秒光子注入窗口，用于康普顿散射可使产生的X射线亮度提高两个数量级；采用手性液晶做谐振腔入射窗口，利用手性液晶对某些特定波段的圆偏振光具有单向通过的特性，极大的提高了谐振腔的耦合效率，降低了谐振腔的衰减损耗；通过调节液晶螺距设计出适合各个波段飞秒激光脉冲注入传输的储存环，同时能实时监测储存环内光束衰减情况，调整储存环至较好状态。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图

图2为用Jones矩阵数值模拟验证本发明中液晶片的透反率曲线图

图3为用Jones矩阵数值模拟验证本发明中液晶片的透反率曲线图

图中1.起偏器    2.λ/4波片    3.短焦凸透镜    4.长焦凸透镜    5.第一高反镜6.液晶片    7.第一离轴抛面镜    8.第二离轴抛面镜    9.第二高反镜    10.凸透镜11.PD光电二极管

具体实施方式

图1中，本发明的基于手性液晶的飞秒光子储存环，含有依次在光路上排布的起偏器1、λ/4波片2、短焦凸透镜3、长焦凸透镜4、第一高反镜5、液晶片6、第一离轴抛面镜7、第二离轴抛面镜8、第二高反镜9、凸透镜10、PD光电二极管11，其中第一离轴抛面镜7、第二离轴抛面镜8是一对共焦离轴抛面镜；

本发明储存环光路为：入射的飞秒激光脉冲，经起偏器1成线偏振光，线偏振光经过λ/4波片2旋光、成为右旋圆偏振光之后，入射的飞秒脉冲再经过长、短焦距透镜(3、4)组成的望远镜系统扩束，通过液晶片6耦合进入由液晶片6、离轴抛面镜(7、8)、第二高反镜9组成的“Z”形折叠谐振腔，液晶片6为注入窗口，入射的飞秒激光脉冲经两个共焦离轴抛面镜(7、8)反射，并在离轴抛面镜焦点处聚焦，选取该焦点为光子与电子束的作用点，而后入射光经第二高反镜9反射，在谐振腔内往返传输，并采用光电二极管和CCD监测第二高反镜9的透射光时间波形的衰减，调整腔长和第二高反镜9的俯仰使谐振腔内传输的光束达到较好状态。

本发明的Z形谐振腔注入窗口的液晶片6为手性液晶。手性液晶对某些特定波段的圆偏振光具有单向通过能力，采用手性液晶做谐振腔入射窗口极大的提高了谐振腔的耦合效率，降低了谐振腔的衰减损耗。

入射光走过的路线为：起偏器1-λ/4波片2-短焦凸透镜3-长焦凸透镜4-第一高反镜5-液晶片6进入谐振腔-第一离轴抛面镜7-第二离轴抛面镜8-第二高反镜9-第二离轴抛面镜8-第一离轴抛面镜7-液晶片6在谐振腔内内返。

图2为用Jones矩阵数值模拟n_o＝1.52、n_e＝1.77螺距为487nm的左旋手性液晶对左旋圆偏振光的透、反率曲线图。从图2可以看出，当入射光反向通过液晶片注入口时，在800nm附近有较大的反射率，也就是说800nm的激光反向传输时不能逸出储存环。

图3为用Jones矩阵数值模拟n_o＝1.52、n_e＝1.77螺距为487nm的左旋手性液晶对右旋圆偏振光的透、反率曲线图。从图3可以看出，当激光正向注入液晶片时，具有较高的正向透过率。

本发明适合大能量飞秒激光脉冲注入传输，能够极大提高康普顿散射产生的X射线亮度的光子储存环；采用手性液晶做谐振腔入射窗口，利用手性液晶对某些特定波段的圆偏振光具有单向通过的特性，极大的提高了谐振腔的耦合效率，降低了谐振腔的衰减损耗；可通过调节液晶螺距设计出适合各个波段飞秒激光脉冲注入传输的储存环，同时可实时监测储存环内光束衰减情况，调整储存环至较好状态。

Claims (1)

1.基于手性液晶的飞秒光子储存环，其特征在于：

a.所述的储存环含有在光路上依次排布的起偏器(1)、λ/4波片(2)、短焦凸透镜(3)、长焦凸透镜(4)、第一高反镜(5)、液晶片(6)、第一离轴抛面镜(7)、第二离轴抛面镜(8)、第二高反镜(9)、凸透镜(10)、PD光电二极管(11)，其中第一离轴抛面镜(7)、第二离轴抛面镜(8)是一对共焦离轴抛面镜；

b.光束在储存环中的传输路径为：入射的飞秒激光脉冲，经起偏器(1)成线偏振光，线偏振光经过λ/4波片(2)旋光、成为右旋圆偏振光之后，入射的飞秒脉冲再经过长、短焦距透镜(3、4)组成的望远镜系统扩束，通过作为注入窗口的液晶片(6)耦合进入由液晶片(6)、第一离轴抛面镜(7)、第二离轴抛面镜(8)、第二高反镜(9)组成的“Z”形折叠谐振腔，入射的飞秒激光脉冲经两个共焦离轴抛面镜(7、8)反射，并在离轴抛面镜焦点处聚焦，选取该焦点为光子与电子束的作用点，而后入射光经第二高反镜(9)反射，在谐振腔内往返传输，并采用光电二极管和CCD监测第二高反镜(9)的透射光时间波形的衰减；

所述的液晶片(6)为左旋手性液晶；

根据入射飞秒激光的中心波长和带宽，并依据关系式(1)、(2)设计液晶片(6)，

入射光带宽Δλ＝P_oΔn    (2)

其中P_o为液晶螺距，

Δn＝n_e-n_o，n_e为液晶的非寻常光折射率，n_o为液晶的寻常光折射率。

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