CN103941517B - 一种低限幅阈值的光限幅器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低限幅阈值的光限幅器，包括扩束准直系统、径向偏振光生成系统和光限幅系统，利用液晶偏振转换器将线偏振激光束转换为径向偏振光束，光束经一个凸透镜聚焦，非线性吸收材料置于透镜焦平面处，利用材料的双光子吸收效应使得透过样品的光强随着入射光强的增加而非线性减小，达到低光强时高透过率而高光强时低透过率的光限幅目的，有效保护人眼和光学元件免受强激光损伤。按本发明设计的光限幅装置，光路简单，器件制着成本低，与现有的光限幅器相比，该新型光限幅器的限幅阈值降低50%左右，更灵敏而高效地保护人眼和光学精密仪器免受强激光损伤。

Description

一种低限幅阈值的光限幅器

技术领域

本发明涉及一种低限幅阈值的光限幅器，是一种基于偏振态调控的激光防护光学器件，用于保护人眼和光学元件免受强激光损伤，属于非线性光子学应用技术和现代光子学领域。

背景技术

1990年以来，由于超快强激光技术突飞猛进发展，激光在军事上的应用领域大大扩展，激光测距机、激光目标指示器、激光制导等技术获得了长足发展，成为部队不可或缺的重要装备。此外，激光在民用方面也有着巨大的市场，已在医学、气象、海事、航空等领域得到了应用。随着激光的广泛应用，人们对其安全与防护越来越重视，急需发展保护光学元件和人眼免受强激光损伤的光限幅器。

作为一种激光防护光学元件，光限幅器的工作原理是：在低光强下，该器件具有较高的透过率，而高光强下其透过率较低，从而保护了处于光限幅器后面的人眼和精密光学元件免受强激光损伤。作为光限幅器的一个重要参数，限幅阈值定义为样品透过率降至线性透过率的50%时对应的入射能量密度或光强。低限幅阈值意味着该光限幅器的限幅效果好。人们基于各种非线性光学效应设计制作出了不同种类的光限幅器。大体上这些光限幅器可以分成能量扩散型和能量吸收型两类光限幅器件。实用的光限幅器需要具备低光强下良好的光学透明、大的光学非线性效应、快的非线性响应时间、宽带限幅波长和低限幅阈值等特征。

由于光限幅器具有广阔的应用前景，人们一直在寻找高性能的光限幅材料，探索新型光限幅机理，开发低限幅阈值的光限幅器。现有的光限幅器所使用的光源一般为商用激光器输出的线偏振光束。近年来，一类光束截面上偏振态非均匀分布的新型光场，也就是矢量光场引起了人们的广泛关注。其中最简单的矢量光场是径向偏振光束，可以采用商用液晶偏振转换器（ARCoptix,Switzerland）获得。偏振态径向分布的径向偏振光束聚焦场为环状分布，不同于线偏振高斯光束其焦场为焦点，这种光场与介质相互作用导致了不同于标量光场的新颖特性（B.Gu,etal.,Vectorialself-diffractioneffectinopticallyKerrmedium,OpticsExpress,Volume20,Page149,2012）。现有技术资料还未见基于矢量光束开发的光限幅器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低限幅阈值的光限幅器，将用径向偏振光束与传统光限幅器装置相结合，在结构简单、成本低廉、操作方便的前提下，更加灵敏而有效地利用材料的双光子吸收演示光限幅效应，相比于传统的线偏振光束限幅器，其限幅阈值降低50%。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低限幅阈值的光限幅器，包括扩束准直系统、径向偏振光生成系统和光限幅系统，所述扩束准直系统包括凹透镜和A凸透镜，所述径向偏振光生成系统包括液晶偏振转换器、光束分析仪和分束镜，所述光限幅系统包括B凸透镜、非线性吸收样品、C凸透镜和能量探测器，所述非线性吸收样品置于B凸透镜和C凸透镜之间，且置于B凸透镜和C凸透镜的焦面上；激光器输出的激光束依次经过凹透镜和A凸透镜后扩束成尺寸合适的高质量线偏振光束，线偏振光束入射至液晶偏振转换器，调节附加在液晶偏振转换器上的电压将线偏振光束转换为径向偏振光束，径向偏振光束经分束镜分成两路：一路投射至光束分析仪；另一路首先投射至B凸透镜，然后聚焦至非线性吸收样品，进而激发非线性吸收样品的光限幅效应，最后经过C凸透镜后由能量探测器收集透过非线性吸收样品后的激光能量。

在具体使用时，激光器可以选用满足要求的商用激光器即可，液晶偏振转换器也可以选用满足要求的商用液晶偏振转换器，但要求激光器发出的激光束经扩束准直系统产生的线偏振光束的光斑大小要与液晶偏振转换器的工作窗口相匹配，以提高光束转换效率并生成高质量的径向偏振光束。

所述光束分析仪对透过液晶偏振转换器的线偏振光束是否转换为径向偏振光束进行监测，同时对入射激光束的功率稳定性进行监测，为光限幅提供稳定的激光光源提供保障。

根据需要，可以灵活选择用于激发光限幅效应的光源类型，可以是传统的标量光场即线偏振的高斯光束，也可以是线偏振的准高斯光束；通过试验对比，可以得到线偏振光和径向偏振光激发条件下，光限幅效应和光限幅阈值的大小。

所述非线性吸收样品为双光子吸收材料，激光非线性样品吸收的光源是径向偏振激光束，而不是传统的线偏振激光束；用径向偏振光而非线偏振光来激发样品的双光子吸收效应，其限幅阈值可减小50%左右，也就是说在相同的光强激发下，本发明装置的光限幅效果比传统光限幅器效果更佳，该发明装置能更加灵敏而有效地保护人眼和光学精密元件免受强激光损伤。

有益效果：本发明提供的低限幅阈值的光限幅器，具有如下优势：1、本发明对径向偏振矢量光束进行光限幅，相比于线偏振光束限幅器限幅阈值降低50%左右，可更加灵敏而有效地保护人眼和光学精密仪器免受强激光损伤；2、本发明采用液晶偏振光转换器将线偏振光转转换成径向偏振光，光路简单，操作方便，大多数激光器输出的光束均可采用该方法生成径向偏振光束；3、采用双光子吸收材料作为光限幅材料，技术成熟、成本低廉、安全可靠、光限幅效果好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为通过液晶偏振转换器生成的径向偏振光光强图，2(a)是未加线偏振片的光强图，2(b)是加y方向线偏振片的光强图，2(c)是加x方向线偏振片的光强图；

图3为线偏振光和径向偏振光的光限幅特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种低限幅阈值的光限幅器，包括扩束准直系统、径向偏振光生成系统和光限幅系统，所述扩束准直系统包括凹透镜2和A凸透镜3，所述径向偏振光生成系统包括液晶偏振转换器4、光束分析仪6和分束镜7，所述光限幅系统包括B凸透镜8、非线性吸收样品9、C凸透镜10和能量探测器11，所述非线性吸收样品9置于B凸透镜8和C凸透镜10之间，且置于B凸透镜8和C凸透镜10的焦面上；激光器输出的激光束1依次经过凹透镜2和A凸透镜3后扩束成尺寸合适的高质量线偏振光束，线偏振光束入射至液晶偏振转换器4，通过计算机及相应软件5调节附加在液晶偏振转换器4上的电压将线偏振光束转换为径向偏振光束，径向偏振光束经分束镜7分成两路：一路投射至光束分析仪6；另一路首先投射至B凸透镜8，然后聚焦至非线性吸收样品9，进而激发非线性吸收样品9的光限幅效应，最后经过C凸透镜10后由能量探测器11收集透过非线性吸收样品9后的激光能量。

所述光束分析仪6对透过液晶偏振转换器4的线偏振光束是否转换为径向偏振光束进行监测，同时对入射激光束1的功率稳定性进行监测，为光限幅提供稳定的激光光源提供保障。图2是光束分析仪6测量的径向偏振光的光强分布图，2(a)是未加线偏振片的光强图，2(b)是加y方向线偏振片的光强图，2(c)是加x方向线偏振片的光强图，从图中可以看出，用液晶偏振转换器4生成的径向偏振光束质量良好，方法可行。

所述激光器输出的激光束1为线偏振的高斯光束或线偏振的准高斯光束。

所述非线性吸收样品9为双光子吸收材料。

基于上述结构：选取激光束1为飞秒钛宝石激光器发射的800nm激光，脉宽100fs，重复频率1KHz；选取液晶偏振转换器4型号为ARCoptix，Switzerland；选取激光光束分析仪6型号为Beamview,CoherentInc.；选取能量探测器11型号为RkP-465energyprobe；将能量探测器11连接能量计，选取能量计型号为Rm-3700，Laserprobe；选取非线性吸收样品9的材料为硫化镉（CdS）。

分别使用线偏振光和径向偏振光进行光限幅，测量在不同的峰值功率密度作用下，线偏振光和径向偏振光的透过率，得到光限幅特性曲线。如附图3所示，图中方点表示线偏振光，圆点对应径向偏振光。可以看出，在相同的峰值功率密度下，径向偏振光通过样品的透过率比线偏振光低很多，表明利用径向偏振光比用线偏振光激发双光子吸收样品的光限幅效应更明显。最重要的是用径向偏振光时的光限幅阈值比相同条件下用线偏振光的降低近50%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低限幅阈值的光限幅器，包括光限幅系统，所述光限幅系统包括B凸透镜(8)、非线性吸收样品(9)和C凸透镜(10)，所述非线性吸收样品(9)置于B凸透镜(8)和C凸透镜(10)之间，且置于B凸透镜(8)和C凸透镜(10)的焦面上；其特征在于：还包括扩束准直系统和径向偏振光生成系统，所述扩束准直系统包括凹透镜(2)和A凸透镜(3)，所述径向偏振光生成系统包括液晶偏振转换器(4)、光束分析仪(6)和分束镜(7)，所述光限幅系统还包括能量探测器(11)；激光器输出的激光束(1)依次经过凹透镜(2)和A凸透镜(3)后扩束成线偏振光束，线偏振光束入射至液晶偏振转换器(4)，调节附加在液晶偏振转换器(4)上的电压将线偏振光束转换为径向偏振光束，径向偏振光束经分束镜(7)分成两路：一路投射至光束分析仪(6)；另一路首先投射至B凸透镜(8)，然后聚焦至非线性吸收样品(9)，进而激发非线性吸收样品(9)的光限幅效应，最后经过C凸透镜(10)后由能量探测器(11)收集透过非线性吸收样品(9)后的激光能量。

2.根据权利要求1所述的低限幅阈值的光限幅器，其特征在于：所述光束分析仪(6)对透过液晶偏振转换器(4)的线偏振光束是否转换为径向偏振光束进行监测，同时对入射激光束(1)的功率稳定性进行监测。

3.根据权利要求1所述的低限幅阈值的光限幅器，其特征在于：所述激光器输出的激光束(1)为线偏振的高斯光束或线偏振的准高斯光束。

4.根据权利要求1所述的低限幅阈值的光限幅器，其特征在于：所述非线性吸收样品(9)为双光子吸收材料。