CN103823309B - 一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法及装置。该装置由四组楔形双折射晶体对、两片双折射晶体和一个二分之一波片组成，按照两组楔形双折射晶体对和一片双折射晶体的顺序交错放置，二分之一波片放置在第一片双折射晶体之后。每组楔形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，两片楔形双折射晶体的光轴方向互相垂直且在与入射光线垂直的法平面内，每片双折射晶体的光轴都与毗邻的前一片楔形双折射晶体的光轴一致，楔形双折射晶体的厚度由其楔角大小决定。装置可将单一超短激光脉冲分成四个传播路径平行且方向与入射光一致、脉冲间隔均等、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

一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法及装置

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，可在极短的时间内对超快变化的物场进行多次曝光，从而可将物光脉冲串和参考光脉冲串干涉所得到的多幅全息图记录在CCD光敏面上。超快过程的时间间隔一般在纳秒级或更短的时间范围内，而目前CCD所能达到的技术尚不能使其帧频与之匹配，因此要利用角分复用技术将多幅超快过程的全息干涉条纹记录在CCD同一帧图像上，为获得超快瞬态过程不同时间分辨的变化过程，需要多个传播方向各不相同且具有等光程差的探测脉冲。现有的分束技术方法中，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%，且系统复杂，稳定性差。因此，目前尚无高效、结构简单的时空分布可调的多脉冲分束方法。

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、结构复杂且不稳定以及脉冲传播方向不固定的问题，依据脉冲数字全息技术的角分复用全息的要求，提供一种时空分布可调的脉冲间隔相等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，产生分别位于矩形四个顶点的四个传播方向相同、脉冲间隔相等、能量均等的子脉冲，能量利用率高，大于90%。

本发明方法设计了采用四组楔形双折射晶体对、两片双折射晶体和一个二分之一波片实现脉冲时空分布可调的分束结构，两组上下倒扣组合在一起的楔形双折射晶体对实现竖直方向脉冲分束的示意图如图1所示，两组前后倒扣组合在一起的楔形双折射晶体对实现水平方向脉冲分束的示意图如图2所示，两片双折射晶体分别实现两次不同时间的脉冲延迟的示意图如图3所示。

本发明提供的时空分布可调的等脉冲间隔的超短激光脉冲分束方法的具体步骤是：

第1、通过第一组楔形双折射晶体对将一个超短激光脉冲分成两个偏振方向相互垂直且传播方向在竖直方向上有分离角的脉冲，再通过第二组楔形双折射晶体对使得出射的两个脉冲传播路径彼此平行且与入射光方向一致，分束后得到的两个脉冲通过第一片双折射晶体实现时间延迟，调节得到需要的脉冲间隔，其中，为两个脉冲的光程差，；两个脉冲通过二分之一波片后，使两个脉冲的偏振方向与第三组楔形双折射晶体对的前一片楔形双折射晶体的光轴成45度角，在通过第三、第四组楔形双折射晶体对后两个脉冲再次进行分束，分别得到水平方向上的两个脉冲，再通过第二组双折射晶体实现时间延迟，延迟后得到的脉冲间隔是第一次获得的脉冲间隔的二倍，则得到分布在矩形的四个顶点上的毗邻脉冲间隔相等的四个脉冲；

第2、确定楔形双折射晶体对的厚度与楔角，以及第一、第二组和第三、第四组楔形双折射晶体对之间的距离；

四组楔形双折射晶体对的大小和斜角均相同。由图1可知，楔形双折射晶体对的确定，要根据出射后的两脉冲在竖直方向上的偏移量ΔH与楔形双折射晶体对的厚度D、斜角θ及两组楔形双折射晶体对之间的距离S的关系式（1），两脉冲在竖直方向上的分束角α与楔形双折射晶体对的楔角θ的关系式（2），以及通光孔径H与楔形双折射晶体对的厚度D和楔角θ的关系式（3），这三个关系式，计算出楔形双折射晶体对的厚度D、两组楔形双折射晶体对之间的距离S和楔角θ的大小，其中α、ΔH和H是已知量，根据实际需要确定；

（1）

（2）

（3）

其中，和分别为两个脉冲的主折射率；

第三、第四组楔形双折射晶体对的作用是实现水平方向的分束，与第一、第二组楔形双折射晶体对的原理相同，因此，由第一、第二组楔形双折射晶体对的计算结果可得到第三、第四组楔形双折射晶体对的厚度D、两组楔形双折射晶体对之间的距离S和楔角的大小；

第3、确定两片双折射晶体的厚度

为使最后得到的四个脉冲间隔相等，需要分别通过确定两片双折射晶体的厚度来实现时间延迟。根据所要获得的脉冲间隔与通过第一、第二组楔形双折射晶体对产生的脉冲间隔，计算出需要第一片双折射晶体实现的时间延迟，则第一片双折射晶体的厚度是，其中，和分别为两个脉冲的主折射率，；同理，可计算出第二片双折射晶体要实现的时间延迟与第二片双折射晶体的厚度，其中是第三、第四组楔形双折射晶体对产生的脉冲延迟，且；

第4、将第2、第3步确定的各组楔形双折射晶体对和两片双折射晶体沿光的传播方向，按照两组楔形双折射晶体对和双折射晶体的顺序交错放置，两片双折射晶体的厚度由小到大，二分之一波片放在中间一片双折射晶体的后边。各双折射晶体的光轴都在与入射光线垂直的平面内，每组楔形双折射晶体对中的两片楔形双折射晶体的光轴方向互相垂直，并且每片双折射晶体的光轴都与毗邻的前一片楔形双折射晶体的光轴一致。

一种实现以上所述方法的时空分布可调的超短激光脉冲分束装置，该装置包括：四组楔形双折射晶体对、两片双折射晶体和一个二分之一波片；四组楔形双折射晶体对的大小和楔角均相同，楔形双折射晶体对的厚度由它的楔角和通光孔径确定，每组楔形双折射晶体对中的两片楔形双折射晶体始终保持紧密接触；两片双折射晶体的厚度不等。

该分束装置的组装结构是：

第一、第二组楔形双折射晶体对由两片楔形双折射晶体倒扣在一起组成竖直分束单元，第三、第四组楔形双折射晶体对放置方式是将第一、第二组沿着与入射光线垂直的平面旋转90度，组成水平分束单元；两片双折射晶体按厚度由小到大分别放在竖直分束单元与水平分束单元后边，实现时间延迟作用；二分之一波片放在第一片双折射晶体后边，用于改变偏振方向。

所述的各楔形双折射晶体对的接触斜面上分别镀有增透膜。

本发明的设计思路

采用双折射晶体分束的方法，通过两片光轴方向互相垂直的楔形双折射晶体的组合实现分束，再通过同样结构的双折射晶体对使得出射的两束光传播路径平行，由于光轴方向改变两次，实现的时间延迟较小，因此，再通过双折射晶体实现所需的时间延迟，从而得到竖直方向上具有一定偏移量的两束光线，即实现平行分束的作用。同理，可以通过改变双折射晶体对的放置方向实现水平方向的平行分束作用。二分之一波片的作用是改变线偏振光的偏振方向，使得其在再次通过楔形双折射晶体对前，偏振方向与晶体光轴方向成45度。毗邻的楔形双折射晶体对之间的距离决定了分束后两束光线的偏移量；楔形双折射晶体对与双折射晶体之间的距离影响分束后脉冲的光程差，但与双折射晶体的时间延迟作用相比影响较小可忽略。

本发明的优点和积极效果：

本发明采用四组楔形双折射晶体对和两片双折射晶体的级联结构，当超短激光脉冲入射到本分束装置后，会得到4个能量相等、脉冲间隔相等、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。具有结构简单、易于实现、脉冲间隔相等且精度高优点，克服了现有分束方法中多脉冲角度控制难度高、机构复杂且不稳定的缺点。

本发明对于超短激光脉冲数字全息系统中的参考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激光脉冲都能实现时空分布可调的多脉冲分束。

附图说明

图1是两组级联的楔形双折射晶体对实现分束的示意图；

图2是第一、第二组楔形双折射晶体对的示意图；

图3是第三、第四组楔形双折射晶体对的示意图；

图4是两片双折射晶体的示意图；

图5是楔形双折射晶体对、双折射晶体和二分之一波片级联后的分束装置示意图；

图6是光线在分束装置中传播的示意图。

图中，1第一组楔形双折射晶体对，2第二组楔形双折射晶体对，3第一片双折射晶体（薄），4二分之一波片，5第三组楔形双折射晶体对，6第四组楔形双折射晶体对，7第二片双折射晶体（厚）。

具体实施方式

实施例1、时空分布可调的脉冲间隔相等的超短激光脉冲分束装置

该装置包括：四组楔形双折射晶体对、两片双折射晶体和一个二分之一波片；四组楔形双折射晶体对的大小和楔角均相同，楔形双折射晶体对的厚度由它的楔角和通光孔径确定，每组楔形双折射晶体对中的两片楔形双折射晶体始终保持紧密接触；两片双折射晶体的厚度不等。

该分束装置的组装结构如图5所示：

第一、第二组楔形双折射晶体对（1、2）由两片楔形双折射晶体倒扣在一起组成竖直分束单元（参见图2），第三、第四组楔形双折射晶体对（5、6）放置方式是将第一、第二组沿着与入射光线垂直的平面旋转90度，组成水平分束单元（参见图3）；两片双折射晶体（3、7）按厚度由小到大分别放在竖直分束单元与水平分束单元后边，实现时间延迟作用；二分之一波片4放在第一片双折射晶体后边，用于改变偏振方向。所述的各楔形双折射晶体的接触斜面上分别镀有增透膜。

本发明依据的原理说明如下：

本发明方法所依据的原理为线偏振的超短激光脉冲垂直入射到第一组楔形双折射晶体对表面，第一组楔形双折射晶体对的两片楔形双折射晶体的光轴在与入射光垂直的平面内，且第一片楔形双折射晶体的光轴方向与入射光的偏振方向成45度角时，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光的折射率与e光的折射率不同，当o光和e光传输同样的距离（晶体厚度的一半）后，产生的实际光程不同，形成两个具有时间间隔的两个子脉冲。第二片楔形双折射晶体的光轴方向与第一片楔形双折射晶体的光轴方向垂直，则原来的o光和e光分别成为e光和o光，由于它们的折射率不同而向两个方向发生偏折，然后在出射端面再次折射，最终以不同的角度出射。当光线进入第二组楔形双折射晶体对的前半部分，由于第二组楔形双折射晶体对的大小和楔角与第一组均一致，且第二组楔形双折射晶体对的前后两片双折射晶体的光轴方向与第一组的两片相反，可看出e光和o光的传播方向与其在第一组楔形双折射晶体对的后半部分的传播方向一致；当光线进入第二组楔形双折射晶体对的后半部分，由于晶体光轴方向再次改变，被分开的o光和e光在第二组楔形双折射晶体对的后半部分的传播方向相同，且与入射光方向一致。因此，第一、第二组楔形双折射晶体对组成竖直方向的平行分束单元。

第三、第四组楔形双折射晶体对放置方式是将第一、第二组沿着与入射光线垂直的平面旋转90度，组成的水平方向的平行分束单元。二分之一波片的作用是改变第一次分束延迟后得到的光线的偏振方向。因此，单个脉冲入到该装置时，则得到位于矩形四个顶点的四个传播路径平行且方向与入射光一致、脉冲间隔相等、能量均等的子脉冲。

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：

超短激光脉冲垂直入射到第一组楔形双折射晶体对表面，且入射光偏振方向与第一片楔形双折射晶体的光轴成45度角的时候，入射光被分解为偏振方向相互垂直的两个分量。在晶体内部传输时成为o光和e光，第二片楔形双折射晶体的光轴方向与第一片楔形双折射晶体的光轴方向垂直由于双折射晶体的o光的折射率与e光的折射率不同，原来的o光和e光分别成为e光和o光，两束光向两个方向发生偏折，折射角分别为和，然后在出射端面再次折射，最终以不同的角度出射。，分别为e光和o光出射后相对入射光的偏折角，即e光和o光的分束角。和可分别表示为：

，可分别表示为：

则第一组楔形双折射晶体对实现的分束角为：

e光和o光相对于入射光的偏移量分别为：

o光和e光经过第二组楔形双折射晶体对，在由前一片楔形双折射晶体进入后一片楔形双折射晶体时光轴方向变化，e光和o光分别成为o光和e光，出射后o光和e光的传播路径平行，且方向与入射光一致，o光在前后两片楔形晶体中通过的光程分别为：

e光在前后两片楔形晶体中通过的光程分别为：

经过平行分束单元，o光和e光的偏移量为：

o光和e光的光程差为：

o光和e光的脉冲间隔为：

第一片双折射晶体的厚度是，实现的时间延迟为，则得到脉冲间隔为。

同理，第二片双折射晶体的厚度是，实现的时间延迟为，则得到脉冲间隔为。则得到位于矩形四个顶点的四个传播路径平行且方向与入射光一致、脉冲间隔为、能量均等的子脉冲。

实施例2、时空分布可调的脉冲间隔相等的超短激光脉冲分束方法

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：520纳米，脉冲间隔：900飞秒，即相邻脉冲的光程差：微米，分束的脉冲数量。

根据设定的分束角和偏移量，选择钒酸钇晶体(，)为楔形双折射晶体，高温相偏硼酸钡晶体(，)为双折射晶体。根据要实现的分束后两脉冲的分束角度，偏移量毫米以及通光孔径毫米，由公式（1）（2）和（3）可以得到双折射晶体对的厚度为，两组楔形双折射晶体对之间的距离毫米和楔角。楔形双折射晶体对实现的时间延迟为飞秒，e光的光程大，o光的光程小；因此需要第一片双折射晶体实现的时间延迟飞秒，则第一片双折射晶体的厚度是。同理，需要第二片双折射晶体实现的时间延迟飞秒，则第二片双折射晶体的厚度是毫米。

楔形双折射晶体对、双折射晶体及二分之一波片的空间位置和位置关系如上文所述。

Claims (3)

1.一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法，其特征在于该方法包括：

第1、通过第一组楔形双折射晶体对将一个超短激光脉冲分成两个偏振方向相互垂直且传播方向在竖直方向上有分离角的脉冲，再通过第二组楔形双折射晶体对使得出射的两个脉冲传播路径彼此平行且与入射光方向一致，分束后得到的两个脉冲通过第一片双折射晶体实现时间延迟，调节得到需要的脉冲间隔Δτ＝L/c，其中，L为两个脉冲的光程差，c＝3×10⁸m/s；两个脉冲通过二分之一波片后，使两个脉冲的偏振方向与第三组楔形双折射晶体对的前一片楔形双折射晶体的光轴成45度角，在通过第三、第四组楔形双折射晶体对后两个脉冲再次进行分束，分别得到水平方向上的两个脉冲，再通过第二组双折射晶体实现时间延迟，延迟后得到的脉冲间隔是第一次获得的脉冲间隔的二倍，则得到分布在矩形的四个顶点上的毗邻脉冲间隔相等的四个脉冲；

第2、确定楔形双折射晶体对的厚度与楔角，以及第一、第二组和第三、第四组楔形双折射晶体对之间的距离；

四组楔形双折射晶体对的大小和斜角均相同；楔形双折射晶体对的确定，要根据出射后的两脉冲在竖直方向上的偏移量ΔH与楔形双折射晶体对的厚度D、斜角θ及两组楔形双折射晶体对之间的距离S的关系式(1)，两脉冲在竖直方向上的分束角α与楔形双折射晶体对的楔角θ的关系式(2)，以及通光孔径H与楔形双折射晶体对的厚度D和楔角θ的关系式(3)，这三个关系式，计算出楔形双折射晶体对的厚度D、两组楔形双折射晶体对之间的距离S和楔角θ的大小，其中α、ΔH和H是已知量，根据实际需要确定；

$\mathrm{\Δ}H=\frac{D}{2}\left(tan\right(\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{n_{o}sin\mathrm{\θ}}{n_e}\right))+tan(\arcsin \frac{n_{e}sin\mathrm{\θ}}{n_o}\left)\right)+2Stan\frac{\mathrm{\α}}{2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\sin \mathrm{\θ}\left(\sqrt{{n_e}^2-{n_o}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}-n_o\cos \mathrm{\θ}\right)\right)+\arcsin \left(\sin \mathrm{\θ}\left(n_e\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{{n_o}^2-{n_e}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right)\right)---\left(2\right)$

$H=\frac{D}{tan\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

其中，n_o和n_e分别为两个脉冲的主折射率；

第三、第四组楔形双折射晶体对的作用是实现水平方向的分束，与第一、第二组楔形双折射晶体对的原理相同，因此，由第一、第二组楔形双折射晶体对的计算结果可得到第三、第四组楔形双折射晶体对的厚度D、两组楔形双折射晶体对之间的距离S和楔角θ的大小；

第3、确定两片双折射晶体的厚度；

为使最后得到的四个脉冲间隔相等，需要分别通过确定两片双折射晶体的厚度来实现时间延迟；根据所要获得的脉冲间隔Δτ与通过第一、第二组楔形双折射晶体对产生的脉冲间隔Δτ₁，计算出需要第一片双折射晶体实现的时间延迟Δτ₁₁＝Δτ±Δτ₁，则第一片双折射晶体的厚度是其中，n_o和n_e分别为两个脉冲的主折射率，c＝3×10⁸m/s；同理，可计算出第二片双折射晶体要实现的时间延迟Δτ₂₂＝Δτ±Δτ₂与第二片双折射晶体的厚度其中Δτ₂是第三、第四组楔形双折射晶体对产生的脉冲延迟，且Δτ₁＝Δτ₂；

第4、将第2、第3步确定的各组楔形双折射晶体对和两片双折射晶体沿光的传播方向，按照两组楔形双折射晶体对和双折射晶体的顺序交错放置，两片双折射晶体的厚度由小到大，二分之一波片放在第一片双折射晶体的后边；各双折射晶体的光轴都在与入射光线垂直的平面内，每组楔形双折射晶体对中的两片楔形双折射晶体的光轴方向互相垂直，并且每片双折射晶体的光轴都与毗邻的前一片楔形双折射晶体的光轴一致。

2.一种实现权利要求1所述方法的时空分布可调的超短激光脉冲分束装置，其特征在于该装置包括：四组楔形双折射晶体对、两片双折射晶体和一个二分之一波片：

四组楔形双折射晶体对的大小和楔角均相同，楔形双折射晶体对的厚度由它的楔角和通光孔径确定，每组楔形双折射晶体对中的两片楔形双折射晶体始终保持紧密接触；两片双折射晶体的厚度不等；

该分束装置的组装结构是：

第一、第二组楔形双折射晶体对由两片楔形双折射晶体倒扣在一起组成竖直分束单元，第三、第四组楔形双折射晶体对放置方式是将第一、第二组沿着与入射光线垂直的平面旋转90度，组成水平分束单元；两片双折射晶体按厚度由小到大分别放在竖直分束单元与水平分束单元后边，实现时间延迟作用；二分之一波片放在第一片双折射晶体后边，用于改变偏振方向。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的各楔形双折射晶体对的接触斜面上分别镀有增透膜。