CN103345098A - 基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构，该结构由多块晶体单元组成，每个晶体单元由两块光轴方向不同的晶体组合而成，单独的超短脉冲通过晶体时，双折射引起脉冲的走离现象，o光和e光通过不同的路径后重新汇聚在晶体的出射面，时延引起脉冲分裂，起到延时器的作用。该结构设计简单，易于加工，成本低，可用于将单一脉冲分裂成脉冲序列或将满足一定条件的脉冲序列合并成单一脉冲从而实现：如偏振分离脉冲序列放大、偏振脉冲合束压缩及保偏激光输出等。

Description

基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，涉及一种基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构，用来对超短激光脉冲进行展宽或压缩。
背景技术
高功率高能量的超短激光脉冲在前沿科学研究和精密工业加工领域有着广泛的应用前景，由于超短脉冲的峰值功率很高，直接进行功率放大时，过高的峰值功率极易造成光学器件，如增益光纤、合束器等损伤。因此，常用的实现高功率高能量超短脉冲的技术是啁啾脉冲放大（Chirped pulse amplification），即利用不同波长激光在材料中的传播速度不一样，先将超短脉冲时域展宽，降低其峰值功率，然后放大，再通过脉冲压缩器件，补偿展宽及放大过程中引入的色散，最后获得高功率超短脉冲输出。
传统的脉冲展宽方法，如利用长距离光纤、棱镜对或者光栅对等，都存在一定缺点，如长距离光纤会引入不利于脉冲压缩的高阶色散、也会引入无法控制的偏振随机变化等；采用棱镜对或者光栅对，对入射脉冲的偏振态要求苛刻；上述方法也不太适用窄谱线宽度的脉冲展宽，要实现纳秒量级脉冲展宽时其光路复杂且光路不稳定。目前常用的脉冲压缩方法，一般是采用光栅对或者棱镜对的结构，但光栅对只能补偿二阶色散，棱镜对只能补偿二阶和三阶色散，无法补偿光学链路中累积的高阶色散，而且光栅对和棱镜对的结构对入射光偏振态要求高，以空间结构居多，光路复杂，难以作为可集成的光学器件用于全光纤高功率系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题及缺点而提供的一种基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构，该结构利用双折射中的折射率差即速度差产生的时延从而达到脉冲的展宽或压缩。一束线偏超短激光脉冲（脉宽在飞秒fs—皮秒ps量级）在晶体中发生双折射出现脉冲走离，由于o光与e光速度不同，产生时延，再次合并时脉冲分裂展宽；反向传输通过晶体结构时满足一定条件的脉冲序列会合并压缩为单一脉冲。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构，特点在于所述的脉冲展宽与压缩结构由多块晶体单元组成。
所述的晶体为单轴晶体，如钒酸钇YVO4、方解石、石英等。
所述的晶体单元由两块晶轴方向不同的晶体（如111和112）由光胶粘合而成且粘合面镀有相应波段的光学增透膜。
所述的结构可由多个不同长度的晶体单元由光胶粘合而成且粘合面镀有相应波段的光学增透膜。
所述的结构可在两侧加准直器连接光纤，以便连接在全光纤激光系统中。
本发明具有以下优点：
⑴本发明采用的设计结构简单，易于加工；
⑵本发明采用的单轴晶体体积较小，易于集成化；
⑶本发明采用的光路设计简单，稳定性好；
⑷本发明同时具有脉冲的展宽和压缩能力，降低了在工程应用中的成本；
⑸本发明避免了非线性效应在光路中带来的不利影响；
⑹本发明适用于窄谱线宽度脉冲展宽，可实现纳秒量级脉冲展宽；
⑺本发明适合对输出脉冲的偏振态控制，获得保偏脉冲输出；
⑻本发明适合不同波段及多波段脉冲的同时展宽及压缩。
附图说明
图1为光学晶体单元的侧面尺寸图；
图2为基本晶体单元中的光路示意图；
图3为脉冲的偏振分离图；
图4为正向晶体光路原理图；
图5为反向晶体光路原理图；
图6为实施例的结构示意图；
图7为本发明的结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行进一步的描述，但不仅限于以下实施例。
线偏光从左方垂直晶面入射（脉冲的脉宽在fs～ps量级），如图1所示，晶体单元110由两块等厚YVO4晶体组成，第二个晶体单元120厚度为110的两倍，依次类推。后一个晶体单元为前一块厚度的两倍，是为了子脉冲展宽的延时为前一块延时的两倍，从而达到脉冲均分的效果。
图1中，取d=1cm，即三块晶体110、120、130的长度依次为1cm、2cm、4cm。
线偏光从左方垂直晶面入射，光线与晶轴夹角不同，双折射角度也不同。第一块晶体单元110中晶体111和112光轴方向不同，如图2所示，故光脉冲到达晶体111时发生双折射，与光轴夹角为α，并走离成o光和e光，两光夹角为θ，晶体112光轴与传播方向夹角为－α，在出射面出重新汇合成一束光，由于时延脉冲出现分裂，由开始的单一脉冲分裂成两个脉冲。
图2中α为60°，皮秒量级的超短激光脉冲在YVO4晶体中走离成的o光和e光所对应的折射率分别为n’和n”，n’=no,走离角度θ由公式
Figure BDA00003484289700032
确定，其中YVO4的ne=2.1651，no=1.9573，可算出θ为5.245°。经过此晶体单元后o光和e光产生的时延
为确保子脉冲可以再次发生双折射，每块晶体单元晶轴与光线夹角相对前一块旋转45°。如图4所示，晶体121晶轴相对111晶轴垂直纸面向内旋转45°，以确保子脉冲可以再次偏振分离，晶体122晶轴相对112晶轴垂直纸面向内旋转45°，依次类推。
图4中，第二个晶体单元宽度2cm，为第一个晶体单元的二倍，其中121和122为晶轴方向不同、晶体大小相等的YVO4晶体，光轴方向已在图中标出，皮秒量级超短激光脉冲入射时o光和e光发生走离，出射时重新汇聚。
由前一个晶体单元出射的子脉冲通过后一个晶体单元时，由于晶轴转过45°，每个子脉冲又会分裂成两个次级子脉冲，分裂方式如图3所示，此后的脉冲分离方式类似。
图3中，经过第一级晶体单元后的两个子脉冲，在经过第二级晶体单元时，由于光程变为两倍，故延时也加倍，即10皮秒，依次类推，故出射时为间隔均匀的脉冲序列。
当偏振方向满足一定条件的子波反向通过该结构时可压缩为单一脉冲，如图5所示，为4个子脉冲压缩为一个单一脉冲示意图。在实际应用中，偏振分离的脉冲经过放大后可以通过偏振旋转器，使其偏振态旋转45°，经一全反射镜反射后再次进入偏振旋转器使回反光的偏振态变为其正交的方向，所有偏振分离脉冲的偏振改变90°，反向通过晶体结构，补偿偏振分离脉冲的o光和e光的延时，实现不同偏振分离子脉冲的合成。
如图6所示，为该实施例的结构示意图，在该实施例中，皮秒级的超短激光脉冲经过包含三个晶体单元的该结构后，一个超短脉冲会分裂为八个次脉冲组成的脉冲序列，序列长度为5+10+20=35ps，实现了ps量级的脉冲展宽。

Claims (3)

1.一种基于晶体双折射的脉冲展宽与压缩结构，其特征在于所述的脉冲展宽与压缩结构由多块晶体单元组成；其中：
所述的晶体为单轴晶体； 
所述的晶体单元由两块晶轴方向不同的晶体由光胶粘合而成且粘合面镀有光学增透膜； 
所述的结构由多个不同长度的晶体单元由光胶粘合而成且粘合面镀有光学增透膜。
2.根据权利要求1所述的脉冲展宽与压缩结构，其特征在于在结构两侧加准直器连接光纤，其结构能够连接在全光纤激光系统中。
3.根据权利要求1所述的脉冲展宽与压缩结构，其特征在于所述单轴晶体为钒酸钇YVO4、方解石和石英。
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