CN101750836A - 一种超短脉冲激光倍频连续衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲激光倍频连续衰减器，包括将超短脉冲激光扩束并分割为至少四束平行光的光学系统、对一束所述平行光相位进行调制的液晶调制器、用于调整施加于液晶调制器电压的液晶电压控制系统、用于将调制后的所述平行光进行聚焦并倍频的聚焦装置和倍频晶体。本发明是利用超短脉冲激光和频效应实现对其倍频光强度的调制，在超短脉冲激光产生倍频光的过程中，控制倍频晶体中的倍频效率从而实现对超短脉冲激光的倍频光强度的连续可调。本发明提供的超短脉冲激光倍频连续衰减器结构简单、能够防止脉冲光脉冲宽度和形状的改变、光斑质量均匀、且不会对衰减器件造成损伤、能够超短脉冲的强度进行连续调整。

Description

一种超短脉冲激光倍频连续衰减器

技术领域

本发明涉及超短激光非线性倍频的产生和调整领域，尤其涉及一种超短脉冲激光倍频连续衰减器。

背景技术

激光技术自产生以来，就一直朝着高功率、短脉宽、宽波长调谐范围、小型化及全固化的方向发展。超短脉冲激光是近年来激光技术发展为人类提供用于科学研究最强有力的新工具之一。超短脉冲激光是指脉冲宽度在皮秒到飞秒乃至阿秒范围内的脉冲激光。超短光脉冲应用范围，从超高速半导体器件的测试到材料精密加工，从激发及追踪化学反应到复杂的眼科和神经手术运用等。超短脉冲使人们得以从未达到的目标追循微观世界的超快弛豫过程，以从未有过的光强度水平研究光与物质的相互作用。超短脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源，发展了多种时间分辨光谱技术和泵浦探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、高/超高强度科学与技术等。在生物学方面，人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术，研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还将应用于信息的传输、处理与存贮方面。短脉冲激光的获得不仅是在时间上的压缩，而且，其能量也被压缩到极窄，其聚焦后产生的超强激光功率已经突破数百TW量级量级，这为物理研究提供了许多可以实现的极端条件，诸如实验室天体物理，激光核聚变等，我国在此领域的研究已经进入了世界的前列。

目前，现有的各种固体超短脉冲激光器输出波长范围大都集中在近红外和红外波段，如石榴石为1360nm-1570nm，镁橄榄石为1200nm-1360nm，钦宝石为700nm-900nm等。然而，在实际应用中，超短紫外光脉冲以其短波长的特点有着更高的利用价值，而常规超短脉冲激光器输出波长已不能满足采用短波长进行研究和应用的需求。为了进一步扩展超短脉冲激光应用的波长范围，需要对现有的超短脉冲激光系统输出激光进行频率转换。目前最常使用的手段就是利用非线性光学晶体进行频率转换，我国中科院物质结构研究所多年来在非线性晶体的生长制备领域一直处于世界领先水平，其制备的BBO以及LBO晶体被广泛应用与各种激光波率转换中。本系统中使用的晶体便是其生产的BBO晶体。

超短激光脉冲在其各种应用中，必须根据实际的用途对其强度进行连续调整。现有的各种调节手段，主要将产生的超短倍频脉冲光经过衰减器件，而通常的光强衰减(调制)器，包括各种衰减片，偏振片以及光栅、液晶等，其对产生的超短倍频光进行强度调制的同时由于色散或吸收效应，往往会引起其脉冲宽度和形状的改变，这将对其应用带来不利的影响。由于其脉冲长度极短，而且吸收性的连续衰减片更加会造成光斑质量的不均匀。由于超短激光极强的脉冲峰值功率，往往也会对衰减器件造成一定的损伤。而且由于基频光和倍频光一般为共线传输，往往还需要使用滤波片或光栅等将彼此分离，更增加了光学系统的复杂度，因此需寻求恰当的手段对超短脉冲的强度进行调整。

本实验室(中山大学光电材料与技术国家重点实验室，原超快速激光光谱学国家重点实验室)是我国首批建设的十个重点实验室之一，长期以来研究方向集中在超短脉冲激光技术与超快现象。在超短脉冲激光(皮秒、飞秒)的产生、测量与时间分辨激光光谱学技术(包括时间分辨非线性激光光谱学)，超快速激光光谱学在生物学、化学中的应用，凝聚态物理中的超快现象，超短脉冲激光与物质相互作用的非线性光学等领域具有丰富的经验，具备完善的实验仪器。近年来实验室在光学相位控制及光机电一体化技术方面的研究取得重要进展，已经独立开发出大行程纳米精度控制系统、锁相放大系统、傅里叶光谱系统以及激光诱导击穿光谱仪等。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单的、能够防止脉冲光的脉冲宽度和形状的改变，光斑质量均匀的、且不会对衰减器件造成损伤的、能够对超短脉冲的强度进行连续调整的超短脉冲激光倍频连续衰减器。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种超短脉冲激光倍频连续衰减器，包括将超短脉冲激光扩束并分割为至少四束平行光的光学系统、对一束所述平行光相位进行调制的液晶调制器，用于调整施加于液晶调制器电压的液晶电压控制系统，用于将调制后的所述平行光进行聚焦并倍频的聚焦装置和倍频晶体。将一束超短脉冲激光经光学系统扩束后分成对称的几路平行光，并通过一片简易的液晶调制器(SLM)，通过液晶电压控制系统调整SLM中施加的电压，以便对其中一路脉冲激光的相位进行精确调制，以控制几束平行光对对称中心处两束和频光的相位差，利用其相干叠加对其输出强度进行调整。

所述光学系统包括扩束镜以及设有至少四个通光孔的掩模板。扩束镜用于将超短脉冲激光转化为平行光束，掩模板上设有的至少四个通光孔将平行光束分割成多路对称的平行光。

所述通光孔为四个。本发明中输出光强度调制的机理是两束和频光的相干叠加。每交叉的两束光在中心处产生一束和频光，并通过液晶调制器调整其输出相位，四束光产生两束和频光，相干叠加产生输出强度的调整，故选择通光孔为四个。

所述液晶调制器为纯相位型，将所述至少四束平行光与所述液晶调制器对应的液晶像素对准。液晶调制器为纯相位型，则仅对激光相位产生调制，对激光强度和偏振分布不造成影响。

所述液晶电压控制系统控制加载在液晶调制器上的电压，其变化步长小于0.01V，以实现对输出光强的连续调制。

所述加载在液晶调制器上的电压变化步长为0.001V。

所述液晶调制器调制度大于一个波长相位，所述液晶电压控制系统的电压调整范围为0-10V，以保证对激光相位产生足够的调整范围(＞＝2π)。

经聚焦装置聚焦后的所述平行光的偏振态和所述平行光与倍频晶体的夹角满足晶体的相位匹配。以获得最大的倍频转换效率。本系统中的晶体采用的相位匹配方式为角度匹配。

光学系统所在环境温度变化范围不超过±1℃。所述聚焦装置为透镜。

本发明的超短脉冲激光倍频连续衰减器无需使用附加滤波器件便可实现基频光与倍频光的分离，因而结构简单，将一束超短脉冲激光扩束为平行光，经过掩模板分为多束，投射到液晶调制器上，液晶电压控制系统则通过调整施加于液晶调整器的电极上的电压，对其中一束光的相位延迟实现精确操控，随后调整后的平行光束经聚焦装置聚焦，在倍频晶体中产生强度可调的倍频脉冲光。由于基频光与倍频光为非共线传输，因而无需使用附加滤波器件便可实现基频光与倍频光的分离，还能够防止脉冲光脉冲宽度和形状的改变，获得的光斑质量均匀，也不会对衰减器件造成损伤，也能够对超短脉冲的强度进行连续调整。

附图说明

图1为本发明的超短脉冲激光倍频连续衰减器的结构示意图；

图2为本发明的超短脉冲激光倍频连续衰减器的掩膜板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例

如图1所示，本超短脉冲激光倍频连续衰减器，包括将超短脉冲激光扩束并分割为四束平行光的光学系统1、对其中一束平行光相位进行调制的液晶调制器2、用于调整施加于液晶调制器电压的液晶电压控制系统3、用于将调制后的所述平行光进行聚焦并倍频的透镜4和倍频晶体5。

光学系统包括扩束镜11以及设有四个通光孔的掩模板12，如图2所示，为掩膜板12的结构示意图。将一束超短脉冲激光经过扩束镜11扩束，扩束光经过掩膜板12后变为四束平行相干光。这里要将四束平行光与液晶调制器2对应的液晶像素对准。

这里的液晶调制器2为纯相位型，仅对激光相位产生调制，对激光强度和偏振分布不造成影响，且液晶调制器2调制度大于一个波长相位，即2π。而液晶电压控制系统3通过调整施加在液晶调制器2上的电压的大小来对其中一束光的相位延迟实现连续的精确操控。此外，液晶电压控制系统3控制加载在液晶调制器2上的电压具有足够小的变化步长，一般小于0.01V，这里选择0.001V，且液晶电压控制系统3的电压调整范围要足够大，所加交流电压需在0-10V间可调，以保证对激光相位产生足够的调整范围(＞＝2π)。

经调整后的四束光经透镜4聚焦于倍频晶体5中，聚焦后的平行光的偏振态和平行光与倍频晶体5的夹角满足晶体的相位匹配，以获得最大的倍频转换效率。本发明中使用转换效率和损伤阈值高的BBO晶体，采用一类相位匹配，切割角为θ＝28°，φ＝0°。为保证和频光有高的转换效率，各束入射光与垂直倍频晶体5表面方向的夹角应不超过20°，本系统中的晶体采用的相位匹配方式为角度匹配。

此外，光学系统1所在环境温度变化范围不超过±1℃。

本发明利用超短脉冲激光和频效应实现对其倍频光强度的调制，可实现对超短脉冲激光的倍频光强度的连续可调，可应用于紫外及其他各种短波长超短激光脉冲的产生和强度调谐。其工作过程如下：将一束超短脉冲激光经扩束镜11扩束后投至带四个通光孔的掩模板12，将平行光分成对称的四路，并通过一片简易的液晶调制器2(SLM)，调整液晶电压控制系统3加载在液晶调制器2上的电压，对其中一路脉冲激光的相位进行精确调整，以控制四束光对对称中心处两束和频光的相位差，利用其相干叠加从而对其输出强度进行调整。随后调整后的四束光经透镜4聚焦，在倍频晶体中产生强度可调的倍频脉冲光。由于基频光与倍频光为非共线传输，无需使用附加滤波器件便可实现基频光与倍频光的分离。

以上对本发明所提供的超短脉冲激光倍频连续衰减器进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，例如，聚焦装置也可以为其它类型可起聚焦作用的光学仪器，掩模板上的通光孔也可为6个8个甚至多个，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：包括将超短脉冲激光扩束并分割为至少四束平行光的光学系统、对一束所述平行光相位进行调制的液晶调制器、用于调整施加于液晶调制器电压的液晶电压控制系统、用于将调制后的所述平行光进行聚焦并倍频的聚焦装置和倍频晶体。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述光学系统包括扩束镜以及设有至少四个通光孔的掩模板。

3.根据权利要求2所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述通光孔为4个。

4.根据权利要求1所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述液晶调制器为纯相位型，将所述至少四束平行光与所述液晶调制器对应的液晶像素对准。

5.根据权利要求1所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述液晶电压控制系统控制加载在液晶调制器上的电压，其变化步长小于0.01V。

6.根据权利要求5所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述加载在液晶调制器上的电压变化步长为0.001V。

7.根据权利要求1至6任一项所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述液晶调制器调制度大于一个波长相位，所述液晶电压控制系统的电压调整范围为0-10V。

8.根据权利要求1至6任一项所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：经聚焦装置聚焦后的所述平行光的偏振态和所述平行光与倍频晶体的夹角满足晶体的相位匹配。

9.根据权利要求1至6任一项所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：光学系统所在环境温度变化范围不超过±1℃。

10.根据权利要求1至6任一项所述的超短脉冲激光倍频连续衰减器，其特征在于：所述聚焦装置为透镜。

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