CN102393567B

CN102393567B - 一种脉冲间隔和数量可调节的超短激光脉冲分束方法及其装置

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Publication number: CN102393567B
Application number: CN2011103974647A
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 翟宏琛; 王晓雷; 马忠洪; 薛东旭; 吴永丽
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: CN102393567A

Abstract

一种脉冲间隔和数量可调节的超短激光脉冲分束方法及其装置。该装置由m组级联的双折射晶体对和精密微丝杆机构组成，每组双折射晶体对由两片楔角相同的楔形双折射晶体倒扣在一起，各片楔形双折射晶体的光轴方向相同且均在与入射光线垂直的法面内，毗邻的各组双折射晶体对的光轴依次沿同一方向逆时针或顺时针旋转45°，各双折射晶体对的通光孔径大小一致，楔形双折射晶体的厚度由其楔角大小决定，各楔形双折射晶体楔角有如下关系：，毗邻双折射晶体对的可调节厚度满足下面的关系：

，该装置可将单一超短激光脉冲分成

(

为大于等于1整数)个同轴、传播方向相同、脉冲间隔可调节、能量均等的子脉冲。本发明原理上没有能量损失，能量均分到各个子脉冲中。

Description

一种脉冲间隔和数量可调节的超短激光脉冲分束方法及其装置

【技术领域】

本发明属于脉冲数字全息技术领域，主要解决超快现象泵浦探测技术中多个探测脉冲的产生。

【背景技术】

在利用脉冲数字全息术对超快瞬态过程进行探测的过程中，为获得超快瞬态过程不同时间分辨的变化过程，需要脉冲间隔连续可调的多个探测脉冲。现有的脉冲间隔可调的技术方法中，仅有通过分光平片和反射镜组合的方法获得探测脉冲，这种方法获得的子脉冲串的能量利用率低，效率不超过50％，脉冲数量少，目前已报道的仅有3路，而且增加路数意味将添加更多的器件，使系统变得复杂，且稳定性差。目前，虽然已有通过双折射晶体的分束方法获得超过3路的分束装置，但其无法实现脉冲间隔的连续可调。因此，目前尚无获得脉冲数量在8个以上同时实现脉冲间隔连续可调的方法。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有方法获得的子脉冲的能量利用率不高、脉冲数量少、无法实现脉冲间隔连续可调的问题，依据脉冲数字全息技术的角分复用全息的要求，提供一种脉冲间隔和数量可调的超短激光脉冲分束方法及装置，该装置可以将一个超短激光脉冲经过本分束装置后，产生具有脉冲间隔可调且传播方向相同的多个子脉冲，能量利用率高，大于90％，分束数量大于8路，脉冲间隔连续可调。

本方法设计了采用两片楔形双折射晶体滑动错位的方法实现厚度调整，实现最小厚度的示意图如图1所示，实现最大厚度的示意图如图2所示。

本发明提供的脉冲间隔和数量可调的超短激光脉冲分束方法的具体步骤是：

第1、采用双折射晶体分束方法，通过调整晶体的有效厚度，实现脉冲间隔的连续可调；每一组分束单元称为双折射晶体对，每组双折射晶体对由两片楔角相同的楔形双折射晶体倒扣在一起组成；

第2、确定第一组双折射晶体对可实现的最小厚度D_min和最大厚度D_max

根据所要获得的子脉冲的最小的脉冲间隔Δτ_min，可计算出两个相邻脉冲间的最小光程差为ΔL_min＝Δτ_min·c，其中c为光在真空中的速度。因此，可以计算出第一组双折射晶体对可实现的最小厚度

其中，n_o和n_e分别为楔形双折射晶体o光和e光的折射率。

同理，根据所要获得的子脉冲的最大的脉冲间隔Δτ_max，可得到两个相邻脉冲间的最大光程差为ΔL_max＝Δτ_max·c，则第一组双折射晶体对可实现的最大厚度

第3、确定楔形双折射晶体对的数量m

根据所要获得的子脉冲的数量M，确定楔形双折射晶体对的数量m，二者的关系满足，M＝2^m，m为大于等于1的整数；

第4、确定各双折射晶体对的厚度及各片楔形双折射晶体的楔角

为使获得的各组双折射晶体对具有相同的可利用的通光孔径h，双折射晶体对的厚度调节范围需要满足的关系是：(D_min～D_max)_i＝2^i-1(D_min～D_max)₁，(D_max)_i＝2^i-1(D_max)₁其中(D_min～D_max)_i表示第i组楔形双折射晶体对的厚度从最小厚度D_min到最大厚度D_max的可调节范围，且(D_min)_i≤D_i≤(D_max)_i，D_i表示第i组楔形双折射晶体对的厚度，其中i＝1、2、…，m，(D_min～D_max)₁表示第1组楔形双折射晶体对的厚度从最小厚度D_min到最大厚度D_max的可调节范围，i为大于等于1的整数；

各楔形双折射晶体对中楔形双折射晶体的楔角满足以下的关系：tanθ_i＝2^i-1tanθ₁，θ_i为第i组双折射晶体对中各片楔形双折射晶体的楔角，θ₁为第1组楔形双折射晶体对中各片楔形双折射晶体的楔角，表示为：式中的D_min为第一组双折射晶体对的可实现的最小厚度；

第5、将第4步确定的各组双折射晶体对按照光的传播方向依次厚度由小到大排列，各组之间的间隔不限，各双折射晶体对的光轴均在与入射光线垂直的平面内，每组双折射晶体对中的各片楔形双折射晶体的光轴方向相同，并且相毗邻的双折射晶体对的光轴依次顺时针旋转45°角，或者均依次逆时针旋转45°角；

第6、将偏振方向与第一组双折射晶体对的光轴成45°角的线偏振的超短激光脉冲入射到级联的双折射晶体对上，单一的激光脉冲经过m组双折射晶体对后，分束为M＝2^m个子脉冲，通过利用各组双折射晶体对上设置的精密微丝杆对每组双折射晶体对的厚度进行精确的调节，进而实现对光程差的调节，使子脉冲的脉冲间隔实现连续可调。可调节的脉冲间隔Δτ通过如下公式确定：

其中h是通光孔径的直径，Δh是精密微丝杆的移动距离，θ_i为第i组双折射晶体对中各片楔形双折射晶体的楔角，即可以根据所实现的脉冲间隔计算出精密微丝杠所需的移动距离

2、一种实现以上所述方法的脉冲间隔和数量可调的超短激光脉冲分束装置，其特征在于该装置包括：

第1、m组双折射晶体对：

双折射晶体对的数量为m，各双折射晶体对的厚度调节范围满足的关系是：(D_min～D_max)_i＝2^i-1(D_min～D_max)₁，其中(D_min～D_max)_i表示第i组双折射晶体对的厚度从最小厚度D_min到最大厚度D_max的可调节范围，其中i＝1、2、…，m，(D_min～D_max)₁表示第1组双折射晶体对的厚度从最小厚度D_min到最大厚度D_max的可调节范围；

各双折射晶体对中楔形双折射晶体的楔角满足的关系：tanθ_i＝2^i-1tanθ₁，θ_i为第i组双折射晶体对中各片楔形双折射晶体的楔角，θ₁为第1组楔形双折射晶体对中各片楔形双折射晶体的楔角；

各楔形双折射晶体对按照光的传播方向依次按厚度由小到大排列，各双折射晶体对的光轴均在与入射光线垂直的平面内，每组双折射晶体对中的各片楔形双折射晶体的光轴方向相同，并且相毗邻的楔形双折射晶体对的光轴依次顺时针或者逆时针旋转45°角；

第2、双折射晶体对的厚度微位移调节机构：

在各双折射晶体对的一片楔形双折射晶体上安装能够使楔形双折射晶体产生微位移的精密微丝杆的机械调整机构，两片楔形双折射晶体始终保持紧密接触，接触表面非常光滑，两片晶体考压簧的压力会紧密接触在一起，同时可以通过侧向的推力产生横向的位移。

3、根据以上所述的装置，其特征在于所述的各楔形双折射晶体的接触斜面上分别镀有增透膜。

综上，本发明的设计思路是，根据所要分的脉冲数量m和所需要调节的脉冲间距的范围，确定出第一组双折射晶体对可实现的厚度调节范围，利用确定的通光孔径和第一组双折射晶体对可实现的最小厚度，可以计算出来第一组双折射晶体对的楔形双折射晶体的楔角，其余各组双折射晶体对的楔形双折射晶体的楔角可相应的计算出来，根据通光孔径和楔形双折射晶体的楔角，综合考虑适宜的加工工艺要求，可以设计出每组双折射晶体对。对于产生微位移的精密微丝杆的机械调整机构的设计，根据通光孔径和各组双折射晶体对的楔形双折射晶体的楔角可以计算出精密微丝杠所需的移动距离，确定精密微丝杠所需的行程和规格。

本发明的优点和积极效果：

本发明采用m组级联的双折射晶体对，当超短脉冲入射到本分束装置后，会得到2^m个能量相等、脉冲间隔可调节、传播方向一致、偏振方向分布在两个相互垂直的方向上的子脉冲。具有分束数量多、结构简单、易于实现、脉冲间隔连续可调的优点，克服了现有分束方法中分束数量少、机构复杂、多分脉冲间隔不可调的缺点。

本发明对于超短脉冲数字全息系统中的物光脉冲分束都是适用的，属飞秒级的脉冲分束，本发明已经制作出了分脉冲装置。

本发明原理上对线偏振和圆偏振的超短脉冲都能实现可调节脉冲间隔的分束。

【附图说明】

图1是双折射晶体对厚度调节(厚度最小时)示意图；

图2是双折射晶体对厚度调节(厚度最大时)示意图；

图3是基于精密微丝杆的机械调整机构的示意图；

图4是带有机械调整机构的双折射晶体对级联系统的示意图。

图中，1上楔形双折射晶体，2下楔形双折射晶体，3精密微丝杆，4底板，5压板，6压簧。

【具体实施方式】

本发明依据的原理说明如下：

本方法所依据的原理为线偏振的超短脉冲激光垂直入射到双折射晶体表面，双折射晶体的光轴在与入射光垂直的平面内，且其方向与入射光的偏振态成45°角时，入射光被分解为偏振态相互垂直的两个分量，在晶体内部传输时成为o光和e光，由于双折射晶体的o光的折射率n₀与e光的折射率n_e不同，当o光和e光传输同样的距离(晶体的厚度)D后，产生的实际光程不同，从而使o光和e光分离开，形成两个具有时间间隔的两个子脉冲。同理，将这两个偏振态相互垂直的脉冲再次经过光轴方向分别与这两个脉冲偏振态成45°角的双折射晶体，这两个脉冲将会被分束成四个偏振态两两垂直的子脉冲。用同样的方法，可实现更多脉冲的分束。通过调整双折射晶体的厚度，可以实现脉冲间隔的调整。

待分束超短激光脉冲入射到平行排列的m组楔形双折射晶体对，就会得到2^m个子脉冲，通过调节各组双折射晶体对上的精密微丝杆，各个双折射晶体对的有效厚度得到调节，从而获得可调节脉冲间隔的子脉冲。子脉冲的个数由楔形双折射晶体对的个数决定。

圆偏振光入射到这种装置上时，在o轴和e轴投影的分量会有一个的位相差，这个位相差相对于所分的脉冲间隔是可以忽略的，因此，在这样的系统中，圆偏振光也可以实现分束的目的。

本装置起作用的过程为：

脉冲激光入射到双折射晶体对，当入射光的方向与楔形双折射晶体底面的方向垂直且偏振方向与楔形双折射晶体的光轴成45°角的时候，得到具有脉冲间隔为的两个脉冲。

如果将一个超短脉冲分束成2^m个脉冲间隔可调节的子脉冲，需要具备以下条件(D_mid)_i＝2^i-1(D_mid)₁，(D_min～D_max)_i＝2^i-1(D_min～D_max)₁，其中i＝1、2、…，m。

下面以两组双折射晶体对为例推导各组晶体间的厚度关系。设选用的双折射晶体为负双折射晶体，o光和e光的折射率分别为n_o和n_e，按照所分的脉冲的前后顺序，所分的四个脉冲分别标定为ee，eo，oe，oo，所经过的光程依次为，

L_ee＝n_eD₁+n_eD₂，

L_eo＝n_oD₁+n_eD₂，

L_oe＝n_eD₁+n_oD₂，

L_oo＝n_oD₁+n_oD₂，

其中：L_ee为ee脉冲的光程，L_eo为eo脉冲的光程，L_oe为oe脉冲的光程，L_oo为oo脉冲的光程，D₁为第一组双折射晶体对的厚度，D₂为第一组双折射晶体对的厚度；

前两项和后两项的光程差均为Δ＝D₁(n_o-n_e)，中间两项的光程为Δ＝(D₂-D₁)(n_o-n_e)，所以当D₂＝2D₁时，相邻两脉冲间隔均为Δ＝D₁(n_o-n_e)，在D₁和D₂通过精密微丝杆调节厚度时，可以实现脉冲间隔可调节的四个脉冲。继续分束，可实现2^m个脉冲间隔可调节的子脉冲。

在各组双折射晶体对的一片楔形双折射晶体上安装能够使楔形双折射晶体产生微位移的精密微丝杆的机械调整机构。装置示意图如图3所示，两片楔形双折射晶体始终保持紧密接触，由于接触表面非常光滑，且可以通过弹簧压片6进行压紧，可使两片楔形双折射晶体保持紧贴在一起，利用精密微丝杆3通过侧向的推力产生横向的位移。

实施例1：脉冲间隔和数量可调的超短激光脉冲分束方法(M＝16)

将一个超短激光脉冲分束，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，脉冲间隔范围：150～450飞秒，即相邻脉冲的光程差：Δ＝45～135微米，Δ_mid＝90微米，分束的脉冲数量M＝16。

由公式M＝2^m确定楔形双折射晶体对的数量m＝4。

根据设定的最小和最大脉冲间隔，选择钒酸钇晶体(n_o＝1.9721，n_e＝2.1859)为楔形双折射晶体，根据所要获得的子脉冲的最小的脉冲间隔Δτ_min＝150飞秒，由ΔL_min＝Δτ_min·c可以得到最小光程差为ΔL_min＝45微米，根据第一组双折射晶体对的可实现的最小厚度

可以计算出D_min＝0.21毫米，同理根据所要获得的子脉冲的最大的脉冲间隔Δτ_max＝450飞秒，可以计算出第一组双折射晶体对的可实现的最大厚度D_max＝0.63毫米，通光孔径的直径设为10毫米，根据第一组双折射晶体对的楔形双折射晶体的楔角

可以计算出θ₁＝1.2°，由

关系获知普通精密微丝杆移动Δh＝20毫米。需用行程大于20毫米的精密微丝杆，可以实现脉冲间隔从150～450飞秒的脉冲间隔的连续可调。同理，对其余3组双折射晶体对进行设计，根据tanθ_i＝2^i-1tanθ₁的关系，可以计算出θ₂＝2.4°，θ₃＝4.8°，θ₄＝9.6°。因此级联的四组双折射晶体对可以产生含有16个子脉冲的脉冲串，能实现脉冲间隔150飞秒到450飞秒脉冲间隔的连续可调。楔形双折射晶体的空间位置和位置关系如上文所述。

实施例2：脉冲间隔和数量可调的超短激光脉冲分束方法(M＝8)

脉冲偏振态：线偏振光，脉冲波长：800纳米，脉冲间隔范围：300～900飞秒，即相邻脉冲的光程差：Δ＝90～270微米，Δ_mid＝180微米，分束的脉冲数量M＝8。

由公式M＝2^m确定楔形双折射晶体对的数量m＝3。

根据设定的最小和最大脉冲间隔，选择钒酸钇晶体(n_o＝1.6487，n_e＝1.5236)为楔形双折射晶体，根据所要获得的子脉冲的最小的脉冲间隔Δτ_min＝300飞秒，由ΔL_min＝Δτ_min·c可以得到最小光程差为ΔL_min＝90微米，根据第一组双折射晶体对的可实现的最小厚度

可以计算出D_min＝0.72毫米，同理根据所要获得的子脉冲的最大的脉冲间隔Δτ_max＝900飞秒，可以计算出第一组双折射晶体对的可实现的最大厚度D_max＝2.16毫米，通光孔径的直径设为10毫米，根据第一组双折射晶体对的楔形双折射晶体的楔角

可以计算出θ₁＝4.1°，由

关系获知普通精密微丝杆移动Δh＝20毫米。需用行程大于20毫米的精密微丝杆，可以实现脉冲间隔从300～900飞秒的脉冲间隔的连续可调。同理，对其余3组双折射晶体对进行设计，根据tanθ_i＝2^i-1tanθ₁的关系，可以计算出θ₂＝8.2°，θ₃＝16°，θ₄＝30°。因此级联的三组双折射晶体对可以产生含有8个子脉冲的脉冲串，能实现脉冲间隔300飞秒到900飞秒脉冲间隔的连续可调。楔形双折射晶体的空间位置和位置关系如上文所述。

实施例3：脉冲间隔和数量可调的超短激光脉冲分束装置

如图4所示，16路脉冲分束装置由四组带有双折射晶体对和相应的机械调整机构组成，四组双折射晶体对依次按厚度由小到大排列，分别为D₁、D₂、D₃、D₄，并保持共轴，四组机构的间距没有要求，各组双折射晶体对的光轴方向依次沿同一方向逆时针或顺时针旋转45°，每组机构的示意图如图3所示，由图3中的上楔形双折射晶体1和下楔形双折射晶体2组成双折射晶体对，下楔形双折射晶体2和精密微丝杆3固定在底板4上，上楔形双折射晶体1通过压板5和压簧6使上楔形双折射晶体1保持与上楔形双折射晶体2的紧密接触，压簧6只是压住上楔形双折射晶体1的边缘，这样保证中心的通光孔径。通过调节精密微丝杆3，使其推动上楔形双折射晶体1沿两片楔形双折射晶体接触面滑动，实现在通光孔径范围内的有效厚度的调整。