CN101738738A - 超短脉冲多脉冲分束方法及分束装置 - Google Patents

Abstract

一种能产生所要求的脉冲间隔和脉冲数量的超短脉冲多脉冲分束方法及分束装置。该装置由n片级联的双折射晶体组成，各双折射晶体的光轴均在与入射光线垂直的法面内，且相毗邻的两片双折射晶体的光轴依次沿同一方向全部逆时针或全部顺时针旋转45度角，各片双折射晶体的厚度为D_i＝2^i-1D₁，i＝1、2、……n。该装置可将脉冲分成2ⁿ(n＞1)束同轴的、传播方向相同的、能量均等的脉冲串。本发明原理上没有能量损失，能量均分到所得到的脉冲串中。

Description

超短脉冲多脉冲分束方法及分束装置

【技术领域】：本发明涉及光学中关于超短脉冲相关的技术领域，特别在超快探测、全息记录、脉冲分割等领域有广泛的应用。

【背景技术】：光学实验尤其是在超快探测的过程中，我们经常需要将一束脉冲分成多束脉冲，而所分脉冲的相似程度(包括能量，脉冲形状等)以及能量的利用率都会影响到我们的应用。现有技术一般使用适当透过率的分束镜和反射镜的方法实现。但这种方法存在着能量利用率低、各个脉冲之间相似度低，且很难将脉冲分割成多于两个的缺陷。

已有技术中，尚未有脉冲分割数量达到10个及以上数量级的报道，特别是尚未有脉冲间隔在飞秒量级，且脉冲间相似度高、能量利用率高的超短脉冲多光束分束方法。

【发明内容】：本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，针对超短脉冲提供一种根据需要的脉冲间隔和脉冲数量产生多脉冲分束的方法及装置。

本发明方法原理上可以分成2ⁿ(n≥1)束。所分光束能量相等，相似度高，且装置结构简单紧凑，容易嵌入到光学系统中。

本发明提供的将超短脉冲进行多脉冲分束的方法具体包括：

第一、根据实际需要的脉冲间隔计算出相邻两个脉冲之间的光程差(即真空中的光速和脉冲间隔的乘积)，并确定所采用双折射晶体的材料和第一片双折射晶体的厚度，使相邻两个脉冲之间的光程差满足：

Δ＝D₁|n_o-n_e|，

其中，D₁为第一片双折射晶体的厚度，n_o和n_e分别为双折射晶体的o光和e光的折射率；

第二、根据所需要的脉冲数量N确定级联的双折射晶体的片数n，使脉冲数量N＝2ⁿ束，n＞1；

第三、确定各片双折射晶体的厚度，使D_i＝2^i-1D₁，D_i为第i片双折射晶体的厚度，i＝1、2、……、n；

第四、将n片双折射晶体沿光轴相互平行方向级联排列，n片级联排列的双折射晶体中的各双折射晶体的光轴均在与入射光线垂直的法面内，且相毗邻的两片双折射晶体的光轴依次沿同一方向全部逆时针或全部顺时针旋转45度角；

第五、将具有超短脉冲的线偏振光、或非线偏振光经偏振器调节后的线偏振光沿与n片级联排列的双折射晶体的光轴垂直方向入射，即可获得N＝2ⁿ束的脉冲串，其中n＞1。

一种实现以上所述的分束方法的装置，该装置由n片级联排列的双折射晶体构成，其中各双折射晶体的光轴相互平行，且均在与入射光线垂直的法面内，相毗邻的两片双折射晶体的光轴依次沿同一方向全部逆时针或全部顺时针旋转45度角，各双折射晶体的厚度为D_i＝2^i-1D₁，D_i为第i片双折射晶体的厚度，i＝1、2、……、n。

本发明的优点和积极效果：

本发明装置采用n片级联的双折射晶体构成，当待分束超短脉冲入射到本分束装置后，会得到2ⁿ束能量相等、传播方向相同振动方向分布在互相垂直的两个方向上的超短脉冲。

本发明装置所占空间非常小，级联的晶体可以压在一起，晶体的直径只要能容纳待分割的脉冲即可。如果入射的脉冲为线偏振光，且对出射光的振动方向不做要求的话，能量会均分到所分割的每一个脉冲中，没有能量损失。如果入射光是非线偏振光，且出射光要求统一的振动方向，就需要在装置之前和装置之后分别用偏振器进行调节，伴随着一定的能量损失。

该装置对于超短脉冲原理上都是适用的，根据所需要的脉冲间隔，考虑到晶体的可加工范围，只要选择合适的材料即可。就飞秒量级上的脉冲分割，本发明已经制作出了作为脉冲探测的分脉冲装置。

【附图说明】：

图1A和图1B是脉冲入射到晶体中，振动方向和光轴方向的位置关系图；其中，图1A是脉冲入射到第一片晶体时的图示，图1B是脉冲入射到第二片晶体时的图示。

1-晶体的光轴方向

2-脉冲的振动方向

图2是晶体的实际尺寸和级联系统结构图；

D₁-光线入射的第一片晶体

D₂-光线入射的第二片晶体

图3是晶体的级联结构图

3-第一片晶体

4-第二片晶体

5-第三片晶体

6-第n片晶体

7-偏振器。

【具体实施方式】：

本发明依据的原理说明如下：

待分束超短脉冲入射到平行排列多片级联的双折射晶体，就会得到所需要的多脉冲串。脉冲间隔是由晶体的厚度决定的，而所分脉冲的数量是由级联晶体的片数决定的。

如果待分束的脉冲不是线偏振光，需要先经过偏振器变成线偏振光。晶体分割脉冲的原理决定了这种方法只能对线偏振光起作用。

本装置起作用的过程为：光线通过双折射晶体，当入射光方向和晶体的光轴垂直且振动方向和光轴成45度角时，在晶体中o光和e光传播方向相同、能量均分但传播速度不同，会产生光程差，两束光会有一个间隔，如果入射的是超短脉冲，就会发生o光和e光的分离，进而产生所需要的脉冲间隔L

我们利用这种性质，进行扩展，将多片双折射晶体级联排列，相毗邻的两片晶体光轴在与入射光线垂直的法面内，依次沿同一方向(全部逆时针或全部顺时针)旋转45度角，如图1A，图1A所示，1为双折射晶体的光轴方向，2为入射光的振动方向。参照图2和图1A，光线经过第一片晶体D₁后，分别在光轴方向和垂直于光轴的方向上进行分解，变成振动方向互相垂直的两个脉冲。参照图2和图1B，晶体D₂的光轴沿顺时针旋转45度角，第一片晶体产生的两个脉冲都进入第二片晶体D₂，和光轴都成45度角，分别在光轴方向和垂直于光轴的方向上进行分解，就变成四束振动方向互相垂直的脉冲。依据这个方法进行扩展，就可以将脉冲数量分成2ⁿ(n≥1)束偏振方向分布在互相垂直的两个方向上的脉冲串。如果需要最后的出射光有统一的振动方向，只需要在最后面添加一个偏振器，其透过方向与脉冲的振动方向成45度角，就会得到沿透过方向的线偏振光。

为保证在每次、以及前后次的脉冲分解过程中，不会有脉冲发生耦合，需要精确计算每一片晶体的厚度。前后两个脉冲之间的光程差为：

Δ＝D₁|n_o-n_e|，

其中，D₁为第一片双折射晶体的厚度，n_o和n_e分别为双折射晶体的o光和e光方向的折射率；

如果要将一个超短脉冲分成2ⁿ束，则有D_i＝2^i-1D₁，D_i为第i片双折射晶体的厚度，i＝1、2、……、n。

如下以两片为例推导各个晶体之间的厚度关系(设采用的是负晶体：n_o＞n_e)

如图2所示，光束经过D1，D2分为四束，他们经过的光程分别为：

$\mathrm{Lee}=c(\frac{D_2}{c}{n}_e+\frac{D_1}{c}{n}_e)$

$\mathrm{Leo}=c(\frac{D_2}{c}{n}_e+\frac{D_1}{c}{n}_o)$

$\mathrm{Leo}=c(\frac{D_2}{c}{n}_e+\frac{D_1}{c}{n}_o)$

$\mathrm{Loo}=c(\frac{D_2}{c}{n}_o+\frac{D_1}{c}{n}_o)$

其中，前两项和后两项之间的光程差都是：

Δ＝D₁(n_o-n_e)，

因此只需要使中间两项的光程差和上式相等即可，

固有，

D₁＝D₂-D₁

即，

D₂＝2D₁

继续分束，如果要分成2ⁿ束光，则有D_i＝2^i-1D₁，D_i为第i片双折射晶体的厚度，i＝1、2、……、n。

实施例1：

将一个超短脉冲分束，所用系统的参数和具体要求如下

脉冲偏振态：线偏振光

脉冲波长：800纳米；

脉冲间隔：300飞秒；

相邻脉冲的光程差：Δ＝90微米；

要分束的脉冲数量：16

根据脉冲间隔我们选择锂酸铌晶体(n_o＝2.2552，n_e＝2.1759)，由Δ＝D₁(n_o-n_e)可计算得到第一片晶体的厚度(D₁)，由16＝2⁴，知n＝4，即需要4片晶体。每一片的厚度由D_i＝2^i-1D₁，i＝1、2、3、4，分别计算可得，得到每一片晶体的厚度为(1.1344，2.2687，4.5374，9.0749(单位mm))。晶体的空间位置和相对关系如上文所述。

最后所得系统级联图示如图3所示，其中图中7的偏振器，前面一个由于入射光为线偏振光，可以不用，后面的偏振器可根据最后需要的出射光的偏振态要求选择采用和不采用。

超短脉冲经过级联晶体的处理，得到实际所需要的16个具有要求的脉冲间隔，且能量相等的脉冲串。

实施例2：

将一个超短脉冲分束，所用系统的参数和具体要求如下

脉冲偏振态：线偏振光

脉冲波长：800纳米；

脉冲间隔：1皮秒；

相邻脉冲的光程差：Δ＝300微米；

要分束的脉冲数量：8

根据脉冲间隔我们选择KDP晶体(n_o＝1.6454，n_e＝1.4807)，由Δ＝D₁(n_o-n_e)可计算得到第一片晶体的厚度(D₁)，由8＝2³，知n＝3，即需要3片晶体。每一片的厚度由D_i＝2^i-1D₁，i＝1、2、3，分别计算可得，得到每一片晶体的厚度为(18.2，36.4，72.8(单位mm))。晶体的空间位置和相对关系如上文所述。

最后所得系统级联类似实例1，片数减为3片即可。

超短脉冲经过级联晶体的处理，得到实际所需要的8个具有要求的脉冲间隔，且能量相等的脉冲串。

Claims (2)

1.一种将超短脉冲进行多脉冲分束的方法，其特征在于该方法包括：

第一、根据实际需要的脉冲间隔计算出相邻两个脉冲之间的光程差，并确定所采用双折射晶体的材料和第一片双折射晶体的厚度，使相邻两个脉冲之间的光程差满足：

Δ＝D₁|n_o-n_e|，

其中，D₁为第一片双折射晶体的厚度，n_o和n_e分别为双折射晶体的o光和e光的折射率；

第二、根据所需要的脉冲数量N确定级联的双折射晶体的片数n，使脉冲数量N＝2ⁿ束，n＞1；

第三、确定各片双折射晶体的厚度，使D_i＝2^i-1D₁，D_i为第i片双折射晶体的厚度，i＝1、2、……、n；

第四、将n片双折射晶体沿光轴相互平行方向级联排列，n片级联排列的双折射晶体中的各双折射晶体的光轴均在与入射光线垂直的法面内，且相毗邻的两片双折射晶体的光轴依次沿同一方向全部逆时针或全部顺时针旋转45度角；

第五、将具有超短脉冲的线偏振光、或非线偏振光经偏振器调节后的线偏振光沿与n片级联排列的双折射晶体的光轴垂直方向入射，即可获得N＝2ⁿ束的脉冲串，其中n＞1。

2.一种实现权利要求1所述的分束方法的装置，其特征在于该装置由n片级联排列的双折射晶体构成，其中各双折射晶体的光轴相互平行，且均在与入射光线垂直的法面内，相毗邻的两片双折射晶体的光轴依次沿同一方向全部逆时针或全部顺时针旋转45度角，各双折射晶体的厚度为D_i＝2^i-1D₁，D_i为第i片双折射晶体的厚度，i＝1、2、……、n。

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