CN101625500A - 超短脉冲时间净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种超短脉冲时间净化装置，其构成包括在输出的线偏振超短脉冲激光的光路上依次的光参量放大系统、倍频晶体、第一反射镜、第二反射镜和1/2波片，该1/2波片的快轴方向与所述的线偏振超短脉冲激光的偏振方向成45°，所述的第一反射镜和第二反射镜是镀膜的双色介质镜，对所述的光参量放大系统输出光束的透过率大于98％，而对所述的光参量放大系统输出光束的倍频光束的反射率大于98％。本发明具有提高超短激光脉冲对比度显著，输出稳定，不受元器件限制，易于实现，应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超短脉冲激光，特别是一种超短脉冲时间净化装置。
背景技术
在过去的几十年中，飞秒激光的产生和应用取得了长足的进展，随着掺钛蓝宝石(Ti:sapphire)锁模激光器及啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现，通过台式设备获得超强超短激光脉冲成为可能。
超强超短激光脉冲是许多基础研究中的重要工具，在激光物理研究领域有着不可替代的作用，比如高次谐波，等离子体通道，阿秒脉冲的产生等都需要高强度的超短激光脉冲作为光源。然而在这些超短激光脉冲的应用中，低对比度的预脉冲的存在，会在主脉冲到达之前先破坏靶。在基于固体靶物质与超强超短激光脉冲相互作用，产生高次谐波等物理科学研究中，当预脉冲强度达到1010-12W/cm2量级，就有可能使得靶物质材料气化并产生等离子体，使主脉中实际是与等离子体相互作用，而破坏整个强场激光物理实验。因此，对于1021-23W/cm2乃至更高量级的超强场激光与物质相互作用物理研究中，对超强超短激光脉冲的对比度要求就要达到1011-1013的量级。目前主要基于啁啾脉冲放大(CPA)概念的超强超短激光系统的脉冲对比度一般在106-108量级，因此迫切要求发展相应激光脉冲时域对比度提高技术，以将超强超短激光脉冲对比度至少再提升4～6个数量级，并要求激光脉冲时域对比度的提高技术可随着聚焦功率密度的提高和强场物理需求的发展也可进一步持续发展，支持更高对比度的超强超短激光脉冲的获得。
在先技术中，Jullien等人提供了一种典型的脉冲净化装置(A.Jullien et al.，Optics Express 14，2760(2006))，其光路布置如图1所示。入射光通过透镜1聚焦到第一氟化钡(BaF2)晶体3上，在透镜1和第一氟化钡晶体3之间有一起偏器2，在第一氟化钡晶体后是第二氟化钡晶体4。第一氟化钡晶体和第二氟化钡晶体均为[001]切割，β1(β2)是第一(第二)氟化钡(BaF2)晶体[100]轴与起偏器透振方向的夹角，在18～22.5°范围内，通过输出能量进行优化。第一BaF2晶体和第二BaF2晶体之间的距离亦通过输出能量进行优化。第二氟化钡晶体后是检偏器5，检偏器5的透振方向与起偏器2透振方向垂直。超短激光最后通过准直透镜6输出。
在先技术中，线偏振光通过透镜1聚焦到第一氟化钡晶体3上，由于交叉偏振波产生(XPW)效应，产生与原光束偏振方向相互垂直的激光。XPW效应是三阶非线性效应，因此，能量较强的主脉冲能够把大部分能量都转化到与原偏振方向垂直的光束上，从而能够透过检偏器输出；而能量较弱的预脉冲几乎不能产生交叉偏振波，最后都不能通过检偏器。第二氟化钡晶体的目的在于提高转换效率。这就是本在先技术装置实现脉冲净化的原理。该装置脉冲净化的能力受到起偏器和检偏器消光比的限制，对比度只能在原来基础上提高105。另外，由于在先技术装置使用的是三阶非线性效应，因此对外界的影响非常敏感。输入能量的不稳定以及装置中气流的变化都会造成输出光束的抖动和能量的剧烈变化。
发明内容
本发明为了克服上述在先技术的不足，提供了一种超短脉冲时间净化装置，它较少受到外界环境因素的影响，对比度能在原来基础上提高107。
本发明的技术解决方案如下：
一种超短脉冲时间净化装置，特点在于其构成包括在输出的线偏振超短脉冲激光的光路上依次的光参量放大系统、倍频晶体、第一反射镜、第二反射镜和1/2波片，该1/2波片的快轴方向与所述的线偏振超短脉冲激光的偏振方向成45°，所述的第一反射镜和第二反射镜是镀膜的双色介质镜，对所述的光参量放大系统输出光束的透过率大于98％，而对所述的光参量放大系统输出光束的倍频光束的反射率大于98％。
所述的倍频晶体是偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体或磷酸氧鈦钾晶体。
与在先技术相比，本发明具有以下显著的优点：
(1)在先技术脉冲净化的能力受到起偏器和检偏器消光比的限制，对比度只能在原来基础上提高105。根据小脉冲判断，本发明能够把对比度在原来基础上至少提高7个数量级，达到了仪器的测量极限。主脉冲前面的小脉冲是测量仪器本身自带的。
(2)在先技术使用的是三阶非线性效应。而三阶非线性效应的装置对环境要求比较苛刻，极易受气流扰动、振动等因素的影响。本发明利用级联二阶非线性效应代替三阶非线性效应，增加了系统稳定性。
附图说明
图1为在先技术超短脉冲时间净化装置的示意图。
图2为本发明超短脉冲时间净化装置的示意图。
图3为本发明的超短脉冲时间净化装置实施例的示意图
图4为本发明的超短脉冲时间净化装置的入射脉冲和出射脉冲在对数坐标下的对比度曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图3，图3为本发明的超短脉冲时间净化装置具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明的超短脉冲时间净化装置的结构：输入的线偏振超短脉冲激光首先进入OPA系统34，由OPA系统34把波长调谐到红外波段；在OPA系统34中，超短激光脉冲首先通过第一分束片12。其中，小部分光被反射，射入第二分束片16。第二分束片16的反射光作为第一级OPA的种子光。该种子光先通过第一小孔17，然后通过第一聚焦透镜18聚焦到白宝石19上；调节第一小孔17的大小，使聚焦后的光在白宝石中成单丝，产生超连续谱，作为第一级OPA的信号光；白宝石19后面是第一准直透镜20；第一准直透镜20后是第二小孔21；第二小孔21后是第一反射镜22，第一反射镜22后面是第二反射镜23，第二反射镜23后是第三反射镜24，第三反射镜24后是第二聚焦透镜25，第二聚焦透镜25后是第四反射镜26，第四反射镜26把信号光反射到第一级OPA晶体31，这里第一级OPA晶体31用的是2毫米的BBO晶体。第二分束片16的透射光作为第一级OPA的泵浦光，首先经过第一1/2波片27，该波片的快轴与入射光的偏振方向的夹角为45°，泵浦光通过后偏振方向与原来方向垂直。第一1/2波片后是第一延时器28，第一延时器28由固定在平移台上的两块互相垂直的反射镜组成。第一延时器28后是第五反射镜29。第五反射镜29后是第三聚焦透镜30。第一级OPA的泵浦光经过第三聚焦透镜30后，聚焦到第一级OPA晶体31。第一级OPA的泵浦光和信号光经过第一级OPA晶体31后，成为无用光，被第一垃圾桶32挡住。泵浦光和信号光通过OPA过程产生的闲置光经过第二准直透镜33准直后，入射到第二级OPA晶体35中。第一分束片12的透射光占总能量的大部分，作为第二级OPA的泵浦光。第二级OPA的泵浦光透过第一分束片12后，首先经过第二延时器13反射。第二延时器13的结构与第一延时器28的结构相同。第二延时器13后是第六反射镜14。第六反射镜14后是第四聚焦透镜15。第四聚焦透镜15后是第七反射镜34。第二级OPA的泵浦光被第七反射镜34反射到第二级OPA晶体35中，与第一级OPA输出的闲置光相互作用。第二级OPA的泵浦光经过第二级OPA晶体35后，被第二垃圾桶36挡住。第一级OPA的闲置光经第二级OPA放大输出后，入射到倍频晶体38中。倍频晶体38后面是第八反射镜39，第八反射镜39后面是第九反射镜40。第九反射镜40后面是第二1/2波片41，该波片的快轴方向与入射光的偏振方向的夹角是45°。
在本实施例中，所述的第八反射镜39和第九反射镜40是镀膜的双色介质镜，其反射光的波长与倍频后输出的超短激光脉冲的波长相对应。所述的第一反射镜22、第二反射镜23、第三反射镜24和第四反射镜26是银镜反射镜。所述的第五反射镜29、第六反射镜14、第七反射镜34、第一延时器28和第二延时器13里面的反射镜是镀膜的介质反射镜。所述的第二聚焦透镜25，聚焦后光束的焦点应该在第一OPA晶体31前方1-5厘米处，可根据实际情况选择透镜的焦距。所述的第三聚焦透镜30，聚焦后光束的焦点应该在第一OPA晶体31后方3-4厘米处，可根据实际情况选择透镜的焦距。所述的第二准直透镜33目的在于准直出射的闲置光，该透镜的焦距以及具体位置请根据实际情况选择。所述的第四聚焦透镜15的焦距一般在2-3米，焦点应在第二OPA晶体35后面，晶体上的光斑不能太小，避免因功率密度太高而打坏晶体，应根据实际情况选择透镜的焦距和具体位置。
上述超短脉冲时间净化装置的具体使用步骤如下所述：(1)把光仔细对入(OPA)系统。(2)用光谱仪测量OPA系统出射光的光谱，微调第二级OPA晶体的角度，使出射光光谱的中心波长为入射光光谱中心波长的两倍。(3)优化OPA系统，使出射能量最大。(4)调整倍频晶体38的角度，使出射的倍频光能量最大。
本发明超短脉冲时间净化装置的基本原理是：光参量放大(OPA)效应和倍频(SHG)效应均是二阶非线性效应；它们的共同特点是，能量转换效率与光强的平方成正比；能量强的脉冲能够得到高的非线性转换效率，能量低的脉冲转换效率非常低；因此，通过光参量放大(OPA)系统和倍频系统的级联，使得超短激光脉冲的对比度得到了显著的提高。使用两块对倍频光高反、对基频光高透的双色反射镜，使得混在一起的倍频光和基频光得以分离。另外，二级非线性效应要比三阶非线性效应不易受外界影响，因此，本系统能够获得较高的稳定性。
本发明超短脉冲时间净化装置，当中的光参量放大(OPA)系统可以有多种形式，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的具体实施例：入射光的波长为800纳米，能量8.4毫焦，脉宽40飞秒，重复频率1KHz。第一分束片12的分束比为92∶8，透射光能量是92％，反射光能量是8％。第二分束片16的分束比为7∶3，透射光能量是70％，反射光能量是30％。白宝石厚度2毫米。第一级OPA晶体是I类匹配的BBO晶体，厚度2毫米。第二级OPA晶体是II类配的BBO晶体，厚度4毫米。超短脉冲通过OPA系统后，波长被调谐到1600纳米。然后通过倍频晶体，波长倍频到800纳米。倍频晶体为BBO，I类匹配，厚度3毫米。本实施例中所用的介质膜反射镜以及双色介质反射镜，中心波长均是800nm。倍频晶体使用I类匹配，净化后的800nm的超短激光脉冲的偏振方向垂直于入射光。通过一快轴方向与入射光偏振方向夹角为45°的1/2波片后，出射光偏振方向与入射光偏振方向一致。入射脉冲和出射脉冲测得的对比度如图4，净化后主脉冲前面的小脉冲是由测量仪器引起的。
Claims (2)
1、一种超短脉冲时间净化装置，特征在于其构成包括在输出的线偏振超短脉冲激光的光路上依次的光参量放大系统(7)、倍频晶体(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)和1/2波片(11)，该1/2波片(11)的快轴方向与所述的线偏振超短脉冲激光的偏振方向成45°，所述的第一反射镜(9)和第二反射镜(10)是镀膜的双色介质镜，对所述的光参量放大系统(7)输出光束的透过率大于98％，而对所述的光参量放大系统(7)输出光束的倍频光束的反射率大于98％。
2、根据权利要求1所述的超短脉冲时间净化装置，其特征是所述的倍频晶体(8)是偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体或磷酸氧鈦钾晶体。
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