CN103560391B - 多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法，该方法采用级联结构来实现将fs/ps？的脉冲展宽至数纳秒量级：第一级展宽fs/ps—10ps、第二级展宽单元10ps—100ps和第三级展宽单元100ps—ns。每级展宽均由数个展宽单元构成，其展宽单元结构基于偏振分束原理，使得不同偏振态的激光在空间或者光纤中经过的光程不同，或者在双折射晶体中引入的折射率不同，实现子脉冲之间延时的精确控制，经过N个展宽单元，一个初始脉冲最终被分解为2^N个子脉冲，实现高倍率的脉冲展宽。本发明对入射激光的光谱无限制，分离式的展宽结构降低了每个子脉冲的能量，在最终出射端加入法拉第旋转镜，即可在入射端实现偏振合束，实现高能量超短激光脉冲。

Description

多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法

技术领域

本发明属于高能激光技术领域，涉及一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法。

背景技术

实现高功率、高峰值强度的激光脉冲一直是激光技术领域的重要研究方向。在许多新兴的应用，如激光尾波场加速，X射线，γ射线，电子和光子束产生及其他相关的强场物质相互作用中，对于激光脉冲，同时需要满足数千瓦量级的平均功率和极高的单脉冲能量，例如，激光尾波场加速大都需要10¹⁸W/cm²或更高的峰值功率密度。

尽管现在已经能在单根光纤中，实现10kW平均功率的连续激光输出，但对于脉冲激光，由于光纤中各种非线性效应，如受激拉曼散射、受激布里渊散射、自相位调制、四波混频等的存在，脉冲宽度小于皮秒的超短脉冲的能量极限是1mJ左右；对于脉冲宽度为几个纳秒的长脉冲，受限于石英等光学材料的损伤阈值，其峰值能量密度很难超过50J/cm²。

一系列的应用需求单脉冲能量大且峰值功率密度高的超短超强激光。单根光纤即使是大模场的双包层光纤或光子晶体光纤能承受的脉冲能量或脉冲峰值功率受限于材料的损伤阈值，而且，超短脉冲的放大需尽可能地避免光纤中非线性效应的影响。可采用将一个超短激光脉冲分为若干个（例如几千或几万个）子脉冲，尽可能地提高脉冲的重复频率，降低单个脉冲的能量，实现超短脉冲激光向准连续激光的转换，这样就可以降低放大过程中与脉冲能量相关的非线性效应的不利影响，最后通过脉冲合束及压缩装置，获得高能量超短激光脉冲。在技术实施上，主要面临二个问题：一是如何实现高倍率的脉冲分束，把一个主脉冲分解为时域上分离的几千或几万个子脉冲；二是如何控制分离的激光子脉冲在放大后能合成为一个主脉冲，要求在脉冲合成中不会携带有附加相位噪声或子脉冲延时的抖动，同时要求脉冲在放大过程中的非线性相移尽可能小。

传统的超短脉冲展宽装置，如根据不同频率成分的光在材料中传播速度不同，而引入色散管理的啁啾脉冲展宽装置，采用光栅或者棱镜的空间结构，可以将飞秒、皮秒量级的超短脉冲展宽至纳秒量级，啁啾展宽脉冲放大后实施脉冲压缩。这一啁啾脉冲放大与压缩技术已经发展得非常成功，成为超快科学技术领域的主流技术。但上述结构对入射脉冲光谱宽度要求高，不宜精确控制展宽量，结构复杂，难以集成，光路对准难度大；采用长距离单模光纤结合光纤光栅的全光纤结构超短脉冲展宽器，存在带宽窄，累计的高阶色散无法压缩的缺点。啁啾脉冲放大技术应用于全光纤结构的激光脉冲放大系统面临较大的困难，难以实现大于1mJ的超短激光脉冲放大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的问题和缺点而提供的一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法，该方法先将单个脉冲按偏振态进行分束，对不同偏振态的激光脉冲，引入不同的光程或折射率，使单个超短脉冲分解成两个偏振态不同、时间上分开的子脉冲。然后将分解后的每个子脉冲再次分解，再次获得两个偏振态不同、时间上分开的脉冲。每经过一次分解，1个超短脉冲就会被分解为2个，经过N次分解后，最初的1个超短脉冲会被分解为2^N个子脉冲，通过优化每次分解过程中，对不同偏振态的激光引入的光程或折射率的差异，可精确控制每个子脉冲间的延时，实现高倍率任意间隔的脉冲时域展宽。

本发明的目的是这样实现的：

一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法，特点在于该方法采用三级展宽来实现将fs/ps的脉冲展宽至数纳秒量级，所述三级展宽为：第一级展宽fs/ps—10ps、第二级展宽10ps—100ps和第三级展宽100ps—ns，每级展宽均由数个展宽单元构成，其展宽单元结构为下列结构的一种：

⑴、由一块双折射晶体及一个偏振控制器构成，脉冲经过偏振控制器后，从双折射晶体的一面入射，从晶体的另一面出射。

⑵、由两块同样大小的双折射晶体及一个偏振控制器构成，脉冲经过偏振控制器后，从一块双折射晶体入射，从另一块双折射晶体出射；

⑶、由一个环形镜、一个偏振控制器、一个偏振分束器、一个延时器和两个反射镜构成，脉冲从环形镜的输入端入射，从环形镜的输出端出射；

⑷、由一个偏振控制器、一个偏振分束器、一个延时器和两个法拉第旋转反射镜构成，脉冲从偏振分束器的一个端口入射，从偏振分束器的另一个端口出射；

⑸、由一个偏振控制器、两个偏振分束器、一个延时器及两个反射镜构成，脉冲从一个偏振分束器入射，从另一个偏振分束器出射。

⑹、由一个偏振控制器、两个偏振分束器及两个反射镜构成，脉冲从一个偏振分束器入射，从另一个偏振分束器出射；

⑺、由一个偏振控制器、两个偏振分束器及四个反射镜构成，脉冲从一个偏振分束器入射，从另一个偏振分束器出射；

⑻、由一个偏振控制器、两个粘合在一起的偏振分束器和一个锥形的晶体或玻璃组合而成，脉冲从一个偏振分束器入射，从另一个偏振分束器出射；

⑼、由一个偏振控制器、两个粘合在一起的偏振分束器和两个反射镜构成，脉冲从一个偏振分束器入射，从另一个偏振分束器出射。

所述偏振控制器为二分之一波片即半波片或者是应力型光纤偏振控制器。

所述偏振分束器、偏振控制器、延时器、环形镜、反射镜、法拉第旋转反射镜为空间结构或带尾纤的全光纤结构。

本发明的第一级展宽对不同偏振态引入的延时很小，一般为1-2个皮秒，对应的空间长度不到1毫米，因此采用基于双折射的脉冲展宽单元结构，经过三四个单元结构的叠加，可实现将飞秒脉冲展宽至10ps量级（其中飞秒量级的脉冲经光学器件会发生啁啾脉冲展宽）；第二级展宽对不同偏振态引入的延时一般为数十皮秒，常用基于偏振分束器的空间结构，通过精确控制分离后两个互相垂直偏振态脉冲的空间光程差，实现将10ps左右的脉冲展宽至100ps；第三级展宽对不同偏振态引入的延时较大，常用光纤延时结构，控制延时光纤的长度，引入较大的光程差，实现将100ps的脉冲展宽至数纳秒量级。

本发明的展宽单元结构可以不断叠加，通过控制每级展宽引入的光程差，实现任意间距的脉冲分离展宽功能，可以把脉冲从飞秒/皮秒分离展宽至数十或数百纳秒甚至准连续的长脉冲，利于实现大能量的脉冲放大，提高泵浦光能量利用效率，降低放大脉冲的峰值功率从而避免高峰值功率脉冲对放大介质可能的损伤，同时可减少放大过程的非线性B积分，并抑制放大过程伴生的噪声。

本发明优点如下：

⑴、与基于光栅、棱镜的传统展宽器相比，本发明的光路结构简单，易于实现，稳定性好。

⑵、本发明的光路中，激光脉冲的入射角度为垂直入射或者45度反射，无需精确控制入射角度，降低对准的要求，易于集成。

⑶、每级展宽的展宽量可通过展宽单元结构中延时晶体或者延时光纤的长度来精确控制，便于调节。

⑷、本发明展宽与脉冲光谱宽度无关，相比于传统依靠色散实现展宽的展宽器，通用性更广，对入射激光脉冲的光谱无要求。

⑸、分离式的脉冲展宽，降低了单个脉冲的能量，避免高功率放大过程中因脉冲能量过大引起的器件损伤。

⑹、根据不同偏振态具有不同的光程，实现脉冲展宽，与传统的基于色散的展宽器相比，几乎不引入高阶色散等非线性效应，有利于后续压缩实现超短脉冲。

⑺、展宽后的脉冲具有稳定的偏振态，在倍频等偏振敏感的应用中，能获得稳定的转换效率。

⑻、在展宽单元结构的输出端加入法拉第旋转反射镜，反向传输的光束经过单元结构，可实现偏振分离脉冲的合束，即该单元结构同时实现脉冲分离展宽与分离脉冲的合束。

⑼、通过叠加展宽单元结构，精确控制展宽量，可将超短脉冲展宽至纳秒量级，展宽倍率高。

⑽、本发明对入射光谱无要求，展宽过程中不影响激光脉冲的光谱分布，可以用于多波段脉冲的同时展宽及压缩。

⑾、本发明简单，所用器件均为常规器件，便于集成化及大能量的放大，适合获得高稳定度、高功率的绿光、紫外等波段的激光输出。

附图说明

图1为高倍率偏振分离式展宽结构示意图；

图2为实施例1等间隔高倍率偏振分离式脉冲展宽结构图；

图3为实施例2任意间隔高倍率偏振分离式脉冲展宽结构图；

图4-9为基于双折射晶体的展宽结构，适用于第一级展宽单元（fs/ps—10ps）的脉冲展宽（其中飞秒量级的脉冲经光学器件会发生啁啾脉冲展宽），具体为：

图4为基于双折射晶体偏振展宽单元结构图；

图5为两级基于双折射晶体偏振展宽结构图；

图6为多级基于双折射晶体偏振展宽结构图；

图7为基于双折射晶体偏振展宽的另一种单元结构图；

图8为两级基于双折射晶体偏振展宽的另一种结构图；

图9为多级基于双折射晶体偏振展宽的另一种结构图；

图10-19为空间展宽结构，能对延时精密调节，实现高倍率的偏振脉冲分离展宽，适用于第二级（10ps—100ps）或者第三级展宽单元（100ps—ns）的脉冲展宽，具体为：

图10为单偏振分束器的一种展宽单元结构图；

图11为单偏振分束器的另一种展宽单元结构图；

图12为带光纤延时器的一种展宽单元结构图；

图13为两级单个偏振分束器的展宽结构图；

图14为多级单个偏振分束器的展宽结构图；

图15为带延时晶体的两个分离偏振分束器的展宽单元结构图；

图16为两个分离的偏振分束器的展宽单元的一种结构图；

图17为粘合式偏振分束器展宽单元的一种结构图；

图18为粘合式偏振分束器展宽单元的另一种结构图；

图19为全光纤单偏振分束器的一种展宽单元结构图；

图20-25为全光纤展宽结构，适用于第三级展宽单元（100ps—ns）的脉冲展宽，具体为：

图20为全光纤结构单个偏振分束器的展宽单元结构图；

图21为两级全光纤结构单个偏振分束器的展宽结构图；

图22为多级全光纤结构单个偏振分束器的展宽结构图；

图23为多级粘合式偏振分束器的展宽结构图；

图24为全光纤两个偏振分束器的一种展宽单元结构图；

图25为多级全光纤展宽结构图。

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。

参阅图1，本发明采用三级展宽来实现将fs/ps的脉冲展宽至数纳秒量级，所述三级展宽为：第一级展宽（fs/ps—10ps），第二级展宽（10ps—100ps）和第三级展宽（100ps—ns）。其中，第一级展宽对不同偏振态引入的延时很小，一般为1-2ps，对应的空间长度不到1毫米，因此采用基于双折射的脉冲展宽单元结构，经过三四个展宽单元结构的叠加，实现将飞秒脉冲展宽至10ps量级（其中飞秒量级的脉冲经光学器件会发生啁啾脉冲展宽）；第二级展宽对不同偏振态引入的延时一般为数十皮秒，常用基于偏振分束器的空间结构，通过精确控制分离后两个互相垂直偏振态脉冲的空间光程差，实现将10ps左右的脉冲展宽至100ps；第三级展宽对不同偏振态引入的延时较大，常用光纤延时结构，控制延时光纤的长度，引入较大的光程差，实现将100ps的脉冲展宽至数纳秒量级甚至更长。

实施例1

参阅图2，该图为等间隔高倍率偏振分离式脉冲展宽结构图，包括三级展宽，每级展宽由四个级联的展宽单元构成。所用器件包括双折射晶体13，半波片11，反射镜4，空间偏振分束器1，延时光纤7，带尾纤的法拉第旋转反射镜10。初始入射脉冲经一个展宽单元，被分解为偏振方向彼此垂直，幅度一致的两个子脉冲，再经过下一个展宽单元，调节两个展宽单元之间的半波片，使得第一个展宽单元输出的脉冲偏振方向旋转45度，再入射到第二个展宽单元，或者是通过对晶体空间方位角度安排实现激光脉冲的偏振控制，使得前后级相邻的双折射晶体或者偏振分束器以激光脉冲传播方向为转轴，轴向夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用）。同时，第二个展宽单元双折射晶体的数量为第一级展宽双折射晶体数量的两倍，按照如图结构，每一个展宽单元的入射脉冲偏振方向相对于前一个的出射脉冲，均旋转了45度，或者是前后级相邻的偏振分束器的入射面之间夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用）。每一个展宽单元双折射晶体的数量均为前一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，经过第一级的四个展宽单元，实现一个初始脉冲分离为16个子脉冲。合理选择晶体长度，使得每两块晶体引入的延时量为1ps，经第一级展宽后，脉冲时域长度为16ps。

之后将分离后的脉冲经过第二级四个基于偏振分束器的展宽，每一个展宽单元前均有偏振控制器调节入射脉冲的偏振方向，保证经过偏振分束器1后的两个脉冲均有相同的强度，每个展宽单元引入的空间光程差均为前一个展宽单元光程差的2倍，经过级联的四个展宽单元，在输出端实现将入射的16个脉冲分离为256个子脉冲，例如，可以精密调节每个展宽单元的延时距离，使得第一个展宽单元引入16ps的延时，最终在输出端的脉冲时域长度为256ps。

再将第二级脉冲展宽输出的脉冲入射到由四个基于光纤延时单元构成的第三级的展宽中，每一个展宽单元中，延时光纤的长度均为前一个展宽单元延时光纤的2倍，精密调节每个展宽单元中延时光纤的长度，使得第一个展宽单元引入256ps的延时，最终在输出端，256个初始脉冲被分解为4096个子脉冲，每个子脉冲之间间隔相同，例如可设定为间隔1ps，则总共时域宽度为4.096ns，此即实现了高倍率等间隔的脉冲分离式展宽。

实施例2

参阅图3，该图为任意间隔高倍率偏振分离式脉冲展宽结构图，包括三级展宽，每级展宽由四个级联的展宽单元构成。所用器件包括双折射晶体13，半波片11，反射镜4，空间偏振分束器1，延时光纤7，带尾纤的法拉第旋转反射镜10。初始入射脉冲经过第一个展宽单元，被分解为偏振方向彼此垂直，幅度一致的两个子脉冲，再经过下一个展宽单元，调节两级展宽单元之间的半波片，使得第一个展宽单元输出的脉冲偏振方向旋转45度，再入射到第二个展宽单元，按照如图结构，每一个展宽单元的入射脉冲偏振方向相对于前一个的出射脉冲，均旋转了45度，或者是通过特殊空间方位角度安排实现激光脉冲的偏振控制，使得前后级相邻的双折射晶体或者偏振分束器以激光脉冲传播方向为转轴，轴向夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用）。之后将分离后的脉冲经过第二级四个基于偏振分束器的展宽，每一个展宽单元前均有偏振控制器调节入射脉冲的偏振方向，保证经过偏振分束器1后的两个脉冲均有相同的强度，每个展宽单元引入的空间光程差任意，经过级联的四个展宽单元，再将第二级脉冲展宽输出的脉冲入射到由四个基于光纤延时单元构成的第三级的展宽中，最终在输出端，一个初始脉冲被分解为4096个子脉冲。由于每级展宽引入的延时都可以通过调节双折射晶体的长度，空间光程长度或者延时光纤的长度来自由控制，因此，可以实现高倍率任意间隔的脉冲分离式展宽。

图4-9为基于双折射晶体的展宽结构，适用于第一级（fs/ps—10ps）的脉冲展宽，实现将飞秒、皮秒量级的超短脉冲通过偏振分离的方法展宽到10ps量级。对于小于1ps的延时，对应的空间光程差不到一毫米，采用基于空间延时或者光纤延时的展宽结构，无法精确控制长度。而双折射晶体中，偏振彼此垂直的两束光的折射率差别较小，并且双折射晶体的长度也受到晶体加工的限制，一般小于50mm，无法引入大于50ps的延时。下面分别介绍附图4-9的具体结构：

图4为双折射晶体偏振展宽单元结构图，包括双折射晶体13，半波片11。初始脉冲经过半波片11后，入射到双折射晶体13上，被分解为传播方向不变的寻常光和传播方向改变的非寻常光，由于双折射效应的作用，寻常光与非寻常光具有彼此垂直的偏振态，并且两束光在晶体中的折射率也不同，因此两束光的传播速度也不同。通过选择不同的双折射晶体，合理设计晶体光轴与入射方向的夹角与晶体长度，可对寻常光和非寻常光的光程差精密控制，实现一个入射脉冲分离为两个偏振彼此垂直的子脉冲。由于双折射效应，寻常光与非寻常光的传播方向不同，空间上分开，在第一块双折射晶体后再放置一块大小完全相同的双折射晶体，其光轴方向与第一块双折射晶体的光轴关于两块晶体的公共面对称，即可实现寻常光与非寻常光空间分离的补偿，将两束光在空间上汇聚成一束。调节半波片11，两个子脉冲的相对强度随之发生变化。

图5为两个双折射晶体偏振展宽结构图，包括双折射晶体13，半波片11。初始入射脉冲经过第一个展宽单元，被分解为偏振方向彼此垂直，幅度一致的两个子脉冲，再经过下一个展宽单元，调节两个展宽单元之间的半波片，使得第一个展宽单元输出的脉冲偏振方向旋转45度，或者是通过特殊空间方位角度安排实现激光脉冲的偏振控制，使得前后级相邻的双折射晶体以激光脉冲传播方向为转轴，轴向夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用），再入射到第二个展宽单元，同时，第二个展宽单元双折射晶体的数量为第一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，按照如图结构，可实现将一个脉冲分离为四个子脉冲，每个脉冲的幅度为初始脉冲的四分之一。

图6为多个双折射晶体偏振展宽结构图，包括双折射晶体13，半波片11，反射镜4。初始入射脉冲经过第一个展宽单元，被分解为偏振方向彼此垂直，幅度一致的两个子脉冲，再经过下一个展宽单元，调节两个展宽单元之间的半波片，使得第一个展宽单元输出的脉冲偏振方向旋转45度，或者是通过特殊空间方位角度安排实现激光脉冲的偏振控制，使得前后级相邻的双折射晶体以激光脉冲传播方向为转轴，轴向夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用），再入射到第二个展宽单元，同时，第二个展宽单元双折射晶体的数量为第一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，按照如图结构，每一个展宽单元的入射脉冲偏振方向相对于前一个的出射脉冲，均旋转了45度，每一个展宽单元双折射晶体的数量均为前一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，经过N个展宽单元，实现1个初始脉冲分离为2^N个子脉冲。反射镜4的作用仅为改变光路布局。

图7为双折射晶体偏振展宽的另一种单元结构图，包括双折射晶体13，半波片11。初始脉冲经过半波片11后，入射到双折射晶体13上，合理设计入射方向与光轴之间的夹角，保证被分解为后的寻常光和非寻常光在晶体中的传播方向一致，由于双折射效应的作用，寻常光与非寻常光具有彼此垂直的偏振态，因此两束光的传播速度也不同。通过选择不同的双折射晶体，合理设计晶体长度，可对寻常光和非寻常光的光程差精密控制，实现一个入射脉冲分离为两个偏振彼此垂直的子脉冲。调节半波片11，两个子脉冲的相对强度随之发生变化。

图8为两个双折射晶体偏振展宽的另一种结构图，包括双折射晶体13，半波片11。初始入射脉冲经过第一个展宽单元，被分解为偏振方向彼此垂直，幅度一致的两个子脉冲，再经过下一个展宽单元，调节两个展宽单元之间的半波片，使得第一个展宽单元输出的脉冲偏振方向旋转45度，或者是前后相邻的双折射晶体的入射面之间夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用），再入射到第二个展宽单元，同时，第二个展宽单元双折射晶体的数量为第一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，按照如图结构，可实现将一个脉冲分离为四个子脉冲，每个脉冲的幅度为初始脉冲的四分之一。

图9为多个双折射晶体偏振展宽的另一种结构图，包括双折射晶体13，半波片11，发射镜4。初始入射脉冲经过第一个展宽单元，被分解为偏振方向彼此垂直，幅度一致的两个子脉冲，再经过下一个展宽单元，调节两个展宽单元之间的半波片，使得第一个展宽单元输出的脉冲偏振方向旋转45度，或者是前后相邻的双折射晶体的入射面之间夹角为45度（在这种情况下，半波片11可以省略不用），再入射到第二个展宽单元，同时，第二个展宽单元双折射晶体的数量为第一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，按照如图结构，每一个展宽单元的入射脉冲偏振方向相对于前一个的出射脉冲，均旋转了45度，每一个展宽单元双折射晶体的数量均为前一个展宽单元双折射晶体数量的两倍，经过N级展宽单元，实现1个初始脉冲分离为2^N个子脉冲。反射镜4的作用仅为改变光路布局。

图10-19的为空间展宽结构，能承受更高的功率，适用于第二级（10ps—100ps）或者第三级（100ps—ns）的脉冲展宽，实现将皮秒量级的超短脉冲通过偏振分离的方法展宽到数百皮秒甚至纳秒量级。采用空间结构的展宽单元能精细控制展宽量，下面分别介绍图10-19的具体结构：

图10所示的单偏振分束器的一种展宽单元结构图，包括空间结构的偏振分束器1，空间结构的环行器2，延时晶体或玻璃3，反射镜4，半波片11。脉冲从环行器2的输入端口入射，从环行器2的透射端口出射，经过半波片11，再入射到偏振分束器1上，调节半波片11，使得入射在偏振分束器1的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过反射镜4反射，另一路脉冲先经过延时晶体或玻璃3后，再经过反射镜反射，反射后，再次通过延时晶体或玻璃3，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器1上汇聚成一束光，经过半波片11，从环行器2的透射端口入射，最终从环行器2的第三个端口出射。经过偏振分束器1后的两路脉冲空间上分离，所走的光程不同，通过调节空间光路长度或者延时晶体或玻璃3的长度，能精确控制两路脉冲的光程差，再经过反射镜反向入射到偏振分束器1时，两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图11为单偏振分束器的另一种展宽单元结构图，包括空间结构的偏振分束器1，延时晶体或玻璃3，法拉第旋转反射镜9，半波片11。脉冲经过半波片11，入射到偏振分束器1上，调节半波片11，使得入射在偏振分束器1的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过法拉第旋转反射镜9反射，另一路脉冲先经过延时晶体或玻璃3后，再经过法拉第旋转反射镜9反射，反射后，再次通过延时晶体或玻璃3，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器1上汇聚成一束光，由于每路脉冲的偏振方向与初始入射时相比，均旋转了90度，因此汇聚后的激光脉冲从偏振控制器的另一端口输出。两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图12为带光纤延时器的一种展宽单元结构图，包括空间结构的偏振分束器1，延时光纤7，带尾纤的法拉第旋转反射镜10，半波片11，光纤准直器14。脉冲经过半波片11，入射到偏振分束器1上，调节半波片11，使得入射在偏振分束器1的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲经过光纤准直器14，耦合到光纤，直接经过带尾纤的法拉第旋转反射镜10反射，另一路脉冲通过光纤准直器14，先耦合进入延时光纤7后，再经过带尾纤的法拉第旋转反射镜10反射，反射后，再次通过延时光纤7，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器1上汇聚成一束光，由于每路脉冲的偏振方向与初始入射时相比，均旋转了90度，因此汇聚后的激光脉冲从偏振控制器的另一端口输出。两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图13为两个单个偏振分束器的展宽结构图，初始入射脉冲经过一个展宽，分离为两个子脉冲，通过控制第二个延时玻璃或晶体的长度，使得第二个对不同偏振态引入的光程差为第一个的两倍，即可实现将一个初始脉冲按照偏振分离为四个子脉冲的展宽。

图14为多个单个偏振分束器的展宽结构图，初始入射脉冲经过一个展宽，分离为两个子脉冲，通过控制第二个延时玻璃或晶体的长度，使得第二个对不同偏振态引入的光程差为第一个的两倍，即可实现将一个初始脉冲按照偏振分离为两个，再分离为四个子脉冲的展宽。后续每一个展宽单元对不同偏振态引入的光程差均为前一个的两倍，通过N个展宽单元的叠加，能实现将一个脉冲展宽为2^N个子脉冲。

图15为带延时晶体的两个分离偏振分束器的展宽单元结构图，包括两个空间结构的偏振分束器1，延时玻璃或晶体3，两个反射镜4，半波片11。脉冲经过半波片11，入射到偏振分束器1上，调节半波片11，使得入射在偏振分束器1的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过一个反射镜4反射，另一路脉冲先经过延时晶体或玻璃3后，再经过另一个反射镜4反射，两路脉冲被反射后，在另一块偏振分束器1上汇聚成一束光，两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图16为两个分离的偏振分束器的展宽单元的一种结构图，包括两个空间结构的偏振分束器1，四个反射镜4，一个半波片11。脉冲经过半波片11，入射到偏振分束器1上，调节半波片11，使得入射在偏振分束器1的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过一个反射镜4反射，另一路脉冲经过两个反射镜4，引入更长的光程，再经过一个反射镜4反射，两路脉冲被反射后，在另一块偏振分束器1上汇聚成一束光，两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图17为粘合式偏振分束器展宽单元的一种结构图，包括粘合在一起的两块空间偏振分束器1，粘合在两块偏振分束器上的45度锥角玻璃棱镜调整光路，一个半波片11。调节半波片11，使得分离后两个偏振态的子脉冲强度一致，图示结构可使得按偏振分离后的两路子脉冲在下一个偏振分束器上重新汇聚，通过调节纵向玻璃的长度，可以调节两路分离后子脉冲的间隔。

图18为粘合式偏振分束器展宽单元的另一种结构图，包括粘合在一起的两块空间偏振分束器1，两个反射镜4，一个半波片11。脉冲经过半波片11，入射到一个偏振分束器1上，调节半波片11，使得入射在偏振分束器1的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过另一个偏振分束器，另一路脉冲经过两个反射镜4，引入一定的光程，再反射到另一块偏振分束器上。两路脉冲在第二块偏振分束器上汇聚，彼此空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图19为多级粘合式偏振分束器的展宽结构图，将图18所示的结构不断叠加，调节每个单元结构前的半波片，或者是通过特殊空间方位角度安排实现激光脉冲的偏振控制，使得前后级相邻偏振分束器以激光脉冲传播方向为转轴，轴向夹角为45度，保证每级的入射光均能按照偏振态彼此垂直的方向分离为两个幅度一致的子脉冲，经过N个展宽单元结构，能实现将一个脉冲展宽为2^N个子脉冲。

图20-25的为全光纤展宽结构，适用于第三级（100ps—ns）的脉冲展宽，实现将皮秒量级的超短脉冲通过偏振分离的方法展宽到纳秒量级，采用延时光纤的展宽单元适用于较大延时的脉冲展宽，下面分别介绍附图20-25的具体结构：

图20为全光纤单偏振分束器的一种展宽单元结构图，6为光纤结构的环行器，12为手动或者电动偏振控制器，5为光纤结构的偏振分束器，7为延时光纤，8为带尾纤的反射镜。脉冲从环行器6的输入端口入射，从环行器6的透射端口出射，经过偏振控制器12，再入射到偏振分束器5上，调节偏振控制器12，使得入射在偏振分束器5的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过反射镜8反射，另一路脉冲先经过延时光纤8后，再经过反射镜反射，反射后，再次通过延时光纤7，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器5上汇聚成一束光，经过偏振控制器12，从环行器6的透射端口入射，最终从环行器6的第三个端口出射。经过偏振分束器5后的两路脉冲空间上分离，所走的光程不同，通过调节延时光纤7的长度，能精确控制两路脉冲的光程差，再经过反射镜反向入射到偏振分束器5时，两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图21为全光纤结构单个偏振分束器的展宽单元结构图，包括光纤结构的四端口偏振分束器5，延时光纤7，带尾纤的法拉第旋转反射镜10，偏振控制器12。脉冲经过偏振控制器12，入射到偏振分束器5上，调节偏振控制器12，使得入射在偏振分束器5的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接被法拉第旋转反射镜10反射，另一路脉冲先经过延时光纤7后，再经过带尾纤的法拉第旋转反射镜10反射，反射后，再次通过延时光纤7，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器5上汇聚成一束光，由于每路脉冲的偏振方向与初始入射时相比，均旋转了90度，因此汇聚后的激光脉冲从偏振控制器的另一端口输出。两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图22为两个全光纤结构单个偏振分束器的展宽结构图，初始入射脉冲经过一个展宽，分离为两个子脉冲，通过控制第二个延时光纤的长度，使得第二个对不同偏振态引入的光程差为第一个的两倍，即可实现将一个初始脉冲按照偏振分离为四个子脉冲的展宽。

图23为多个全光纤结构单个偏振分束器的展宽结构图，初始入射脉冲经过一个展宽，分离为两个子脉冲，通过控制第二个延时光纤的长度，使得第二个对不同偏振态引入的光程差为第一个的两倍，即可实现将一个初始脉冲按照偏振分离为两个，再分离为四个子脉冲的展宽。后续每一个展宽单元对不同偏振态引入的光程差均为前一个的两倍，通过N个展宽单元的叠加，能实现将一个脉冲展宽为2^N个子脉冲。

图24为全光纤两个偏振分束器的一种展宽单元结构图，包括两个光纤结构的偏振分束器5，延时光纤7，偏振控制器12。脉冲经过偏振控制器12，入射到偏振分束器5上，调节偏振控制器12，使得入射在偏振分束器5的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接入射到另一个偏振分束器5，另一路脉冲先经过延时光纤7后，再入射到另一个偏振分束器5，两路脉冲汇聚成一束光，两路脉冲空间上重合，时间上按光程差的大小分离为两个子脉冲，子脉冲的幅度相同，均为初始脉冲的一半。

图25为多个全光纤展宽结构图，初始入射脉冲经过一个展宽，分离为两个子脉冲，通过控制第二个延时光纤的长度，使得第二个对不同偏振态引入的光程差为第一个的两倍，即可实现将一个初始脉冲按照偏振分离为两个，再分离为四个子脉冲的展宽。后续每一个展宽单元对不同偏振态引入的光程差均为前一个的两倍，通过N个展宽单元的叠加，能实现将一个脉冲展宽为2^N个子脉冲。

Claims (1)

1.一种多级级联偏振分束的高倍率分离脉冲展宽方法，其特征在于该方法采用三级展宽来实现将fs/ps的脉冲展宽至数纳秒量级，所述三级展宽为：第一级展宽fs/ps—10ps、第二级展宽10ps—100ps和第三级展宽100ps—ns，每级展宽均由数个展宽单元构成；

用于第一级展宽的结构为下列结构中的一种：

（1）由一块双折射晶体及一个偏振控制器构成，晶体光轴与入射方向之夹角为90度，脉冲经过偏振控制器后，从双折射晶体的一面入射，从双折射晶体的另一面出射；

（2）由第一双折射晶体、第二双折射晶体及一个半波片构成，初始脉冲经过半波片后，入射到第一双折射晶体上，被分解为传播方向不变的寻常光和传播方向改变的非寻常光，在第一双折射晶体后再放置一块大小完全相同的第二双折射晶体，第二双折射晶体的光轴方向与第一双折射晶体的光轴关于两块晶体的公共面对称，所述寻常光和所述非寻常光从第二双折射晶体出射；

用于第二级展宽的结构或第三级展宽的结构为下列结构中的一种：

（3）由一个环形器、一个半波片、一个偏振分束器、一个延时晶体或玻璃、一个第一反射镜和一个第二反射镜构成，脉冲从环行器的输入端口入射，从环行器的透射端口出射，经过半波片，再入射到偏振分束器上，调节半波片，使得入射在偏振分束器的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过第一反射镜反射，另一路脉冲先经过延时晶体或玻璃后，再经过第二反射镜反射，反射后，再次通过延时晶体或玻璃，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器上汇聚成一束光，经过半波片，从环行器的透射端口入射，最终从环行器的第三个端口出射；

（4）由一个半波片、一个偏振分束器、一个延时晶体或玻璃、一个第一法拉第旋转反射镜和一个第二法拉第旋转反射镜构成，脉冲经过半波片，入射到偏振分束器上，调节半波片，使得入射在偏振分束器的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过第一法拉第旋转反射镜反射，另一路脉冲先经过延时晶体或玻璃后，再经过第二法拉第旋转反射镜反射，反射后，再次通过延时晶体或玻璃，两路脉冲被反射后，沿入射方向再次在偏振分束器上汇聚成一束光，汇聚后的激光脉冲从偏振分束器的另一端口出射；

（5）由一个半波片、一个第一偏振分束器、一个第二偏振分束器、一个延时晶体或玻璃、一个第一反射镜及一个第二反射镜构成，脉冲经过半波片，入射到第一偏振分束器上，调节半波片，使得入射在第一偏振分束器的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过第一反射镜反射，另一路脉冲先经过延时晶体或玻璃后，再经过第二反射镜反射，两路脉冲被反射后，在第二偏振分束器上汇聚成一束光，从第二偏振分束器出射；

（6）由一个半波片、一个第一偏振分束器、一个第二偏振分束器、一个第一反射镜及一个第二反射镜构成，脉冲经过半波片，入射到第一偏振分束器上，调节半波片，使得入射在第一偏振分束器的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过第二偏振分束器，另一路脉冲经过第一反射镜和第二反射镜，引入一定的光程，再反射到第二偏振分束器上，两路脉冲在第二偏振分束器上汇聚，从第二偏振分束器出射；

（7）由一个半波片、一个第一偏振分束器、一个第二偏振分束器、一个第一反射镜、一个第二反射镜、一个第三反射镜及一个第四反射镜构成，脉冲经过半波片，入射到第一偏振分束器上，调节半波片，使得入射在第一偏振分束器的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过第一反射镜反射，另一路脉冲经过第二反射镜和第三反射镜，引入更长的光程，再经过第四反射镜反射，两路脉冲被反射后，在第二偏振分束器上汇聚成一束光，并从所述第二偏振分束器输出；

（8）由一个半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器及锥形的晶体或玻璃组合而成，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器及所述锥形的晶体或玻璃粘合在一起，脉冲经过半波片，入射到第一偏振分束器上，调节半波片，使得入射在第一偏振分束器的脉冲被均等分为两束偏振互相垂直的子脉冲，一路脉冲直接经过第二偏振分束器，另一路脉冲经过锥形的晶体或玻璃，引入一定的光程，再反射到第二偏振分束器上，两路脉冲在第二偏振分束器上汇聚，从第二偏振分束器出射。