CN103944054A - 一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，包括沿入射光方向依次设置的起偏器、第一四分之一波片、第一透镜、光克尔介质、第二透镜、第二四分之一波片、检偏器和光阑，且第一四分之一波片之长轴方向与第二四分之一波片正交，检偏器的检偏方向与起偏器的起偏方向平行。本发明利用起偏器与第一四分之一波片组合产生椭圆偏振光，进一步利用在光克尔介质内产生的光克尔效应，诱导产生偏振椭圆旋转和自聚焦效应，使部分入射光经检偏器和光阑时被拦截，以实现光限幅输出。本发明具有线性透射率高、响应速度快、带宽超宽、结构简单，成本低廉的优点，非常适用于超短脉冲宽带激光防护器件的设计与制作。

Description

一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器

技术领域

本发明属于激光防护技术领域，涉及一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器。

背景技术

激光作为一种特殊光源在科技、医学、生产以及国防领域中发挥着越来越重要的作用。随着大功率激光技术的发展和完善，激光在现代军事中得到了迅速发展，激光致盲和激光武器更多的出现在现代战场上。面临新型激光武器的威胁，研制新型的激光限幅防护器件已成为现代科技中的亟需解决的关键科技问题。

飞秒激光是20世纪末迅速发展起来的一种超强超快激光技术，与其他长脉冲激光以及连续激光不同，它具有持续时间超短、峰值功率超高等特点。因此，当其与物质产生相互作用时可以发生各种非线性效应，如自聚焦、自相位调制、多光子电离等。目前，飞秒激光技术已广泛应用于信息、能源、环境、医疗、国防和基础科学研究等各个领域。随着飞秒激光在科技和生产生活中的应用日趋广泛，飞秒激光防护的重要性也越显突出。

目前，人们在光限幅研究方面已经做了大量的工作。光限幅器件基于各种非线性光学效应，包括非线性吸收、非线性折射或非线性散射等，表现为常光照射下的高透过率和高强度激光照射下的低透过率。超短脉冲激光限幅器要求具有超快的响应时间、超低的限幅阈值、大的能量动态范围，以及宽的光谱适用范围。现有的光限幅技术很难同时满足上述要求，如基于非线性散射的光限幅器响应速度一般较慢、所需脉冲能量一般较大，无法对超短脉冲实现限幅防护；基于非线性折射即自聚焦效应的光限幅器，虽然可以适用于超短脉冲激光，但往往限幅阈值较高，无法实现超低限幅阈值输出；基于非线性吸收的光限幅器往往对入射光波长具有选择性，不适用于宽带限幅器件的设计与制作。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，能够实现激光限幅防护，具有响应时间快、限幅阈值低、适用能量动态范围大，以及光谱适用范围宽等优点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，包括沿入射光方向依次设置的起偏器、第一四分之一波片、第一透镜、光克尔介质、第二透镜、第二四分之一波片、检偏器和光阑；第一四分之一波片的长轴方向与第二四分之一波片的长轴方向正交；第一透镜与第二透镜共焦放置，且光克尔介质位于第一透镜的焦距以内；检偏器的检偏方向与起偏器的起偏方向平行。

所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片均为消色差宽带波片。

所述的第一四分之一波片长轴方向与起偏器的夹角为20～40°。

所述的光克尔介质为铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃，介质厚度为2～5mm；或者所述的光克尔介质为二硫化碳，容纳在透明容器中，透明容器通光路径为2～5mm。

所述的透明容器为石英比色皿，其通光路径为2～5mm，壁厚为0.5～1mm。

所述的第一透镜、第二透镜为平凸或双凸透镜，焦距为50～500mm。

所述的光阑的孔径大小与入射的超短脉冲激光光斑尺寸一致。

所述沿入射光方向，光阑的后方还设有用于监测激光功率或脉冲能量的探测器。

所述入射的飞秒或皮秒激光脉冲通过起偏器和第一四分之一波片后由线性偏振光变为椭圆偏振光，再经第一透镜入射到光克尔介质中；当光强较弱时，入射光经第二四分之一波片的相位补偿，由椭圆偏振光还原为线偏振光，并经检偏器、光阑完全透射后输出；当光强较强时，入射光在光克尔介质中诱导产生光克尔效应，进而产生偏振椭圆旋转和自聚焦效应，经第二四分之一波片后仍为椭圆偏振光，部分光经检偏器和光阑后被阻止，实现光限幅输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，利用起偏器与第一四分之一波片组合产生椭圆偏振光，进一步利用在非线性光克尔介质内产生的光克尔效应，诱导产生偏振椭圆旋转和自聚焦效应，使椭圆偏振光经过光克尔介质时发生偏振椭圆旋转和自聚焦，再利用检偏器和光阑拦截强入射激光，使部分入射光经检偏器和光阑时被拦截，以实现光限幅输出，达到激光限幅防护的目的。

本发明提供的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，利用了在透明介质中诱导产生的超快光克尔效应，因此具有线性透射率高、响应速度快、带宽超宽等优点；进一步将偏振椭圆旋转效应与自聚焦效应相结合，可实现低限幅阈值、大动态范围的超短脉冲光限幅。

本发明提供的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，结构简单，成本低廉，而且能够同时满足响应时间快、限幅阈值低、适用能量动态范围大，以及光谱适用范围宽的要求，是超短脉冲限幅器件的理想选择。

附图说明

图1为本发明限幅器的限幅工作原理示意图；

图2为偏振椭圆旋转效应强度与偏振夹角依赖关系模拟曲线；

图3为不同偏振夹角下限幅器透过率随输入功率变化模拟曲线；

图4为偏振椭圆旋转效应强度与偏振夹角依赖关系实验曲线；

图5为本发明限幅器对脉宽150fs、波长800nm飞秒激光脉冲限幅效果图。

其中，1、起偏器，2、第一四分之一波片，3、第一透镜，4、石英比色皿，5、第二透镜，6、第二四分之一波片，7、检偏器，8、光阑，9、探测器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明包括沿入射光入射方向依次设置的起偏器1、第一四分之一波片2、第一透镜3、石英比色皿4、第二透镜5、第二四分之一波片6、检偏器7、光阑8和探测器9，且第一四分之一波片2的长轴方向与第二四分之一波片6正交，检偏器7的检偏方向与起偏器1的起偏方向平行。

其中，所述的第一四分之一波片2长轴方向与起偏器1夹角为20～40°，所述的石英比色皿4的通光路径为2-5mm，壁厚为0.5-1mm。所述的第一四分之一波片2和第二四分之一波片6均为消色差宽带波片。

所述的光克尔介质为二硫化碳，第一透镜3与第二透镜5为平凸或双凸透镜，焦距为50～500mm，共焦放置，且光克尔介质位于第一透镜3的焦距以内，光阑8的孔径大小与入射光斑尺寸一致。

如图1所示，入射的飞秒或皮秒激光脉冲通过起偏器1和第一四分之一波片2后由线性偏振光变为椭圆偏振光，经第一透镜3入射到盛放于石英比色皿4内的克尔介质；当光强较弱时，入射光经第二四分之一波片6的相位补偿，由椭圆偏振光还原为线偏振光，并经检偏器7、光阑8完全透射后进入到探测器9。当光强较强时，入射光在比色皿4中诱导产生光克尔效应，进而产生偏振椭圆旋转和自聚焦效应，经第二四分之一波片6后仍为椭圆偏振光，部分光经检偏器7和光阑8后被阻止，无法进入用于监测激光功率或脉冲能量的探测器9，从而实现光限幅输出。

下面结合附图给出本发明超短脉冲光限幅器的实施例。

参见图1，本发明包括沿入射光入射方向依次设置的起偏器1、第一四分之一波片2、第一透镜3、比色皿4、第二透镜5、第二四分之一波片6、检偏器7、光阑8和探测器9，且第一四分之一波片2的长轴方向与第二四分之一波片6正交，检偏器7的检偏方向与起偏器1的起偏方向平行，比色皿4内盛有的克尔介质为二硫化碳。

其中，所述的第一四分之一波片2长轴方向与起偏器1夹角为30°，所述的石英比色皿4的通光路径为5mm，壁厚为1mm。第一透镜3与第二透镜5共焦放置，且光克尔介质位于第一透镜3的焦距以内，光阑8的孔径大小与入射光斑尺寸一致。

如图2所示，图2给出了偏振椭圆旋转效应强度与偏振夹角依赖关系模拟曲线；理想情况下，当入射激光脉冲偏振方向与第一四分之一波片长轴夹角为30°左右时，偏振椭圆旋转效应最强，因此可以断定该角度下本发明限幅器的限幅效果最好。

图3给出了不同偏振夹角下，本发明限幅器透过率随输入功率变化模拟曲线：偏振夹角为20°时，限幅阈值低，能量动态范围较小；偏振夹角为40°时，限幅阈值高，能量动态范围小；当偏振夹角为30°时，限幅阈值低，能量动态范围大，符合理想光限幅器的条件。

综合图2和图3的模拟结果，可以得出当入射激光脉冲偏振方向与第一四分之一波片长轴夹角为30°左右时，限幅效果最理想。

图4给出了偏振椭圆旋转效应强度与偏振夹角依赖关系实验曲线，该曲线通过改变第一四分之一波片2的长轴方向与起偏器1起偏方向的夹角，测量检偏器7后的输出光强获得；实验得出的曲线与理论模拟出的结果基本吻合，当入射激光脉冲偏振方向与第一四分之一波片长轴夹角为30°时，偏振椭圆旋转效应最强。

图5给出了本发明限幅器对脉宽150fs、中心波长800nm飞秒激光限幅效果。当不加光阑8，只有偏振椭圆旋转效应作用时，限幅阈值较低，能量动态范围小；当只有光阑8作用，入射光偏振方向与四分之一波片长轴夹角设置为0°，只有自聚焦效应作用时，限幅阈值高，能量动态范围大；当光阑和偏振椭圆旋转共同作用时，限幅阈值低，能量动态范围大，能有效增强限幅效果。

Claims (9)

1.一种基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，包括沿入射光方向依次设置的起偏器（1）、第一四分之一波片（2）、第一透镜（3）、光克尔介质、第二透镜（5）、第二四分之一波片（6）、检偏器（7）和光阑（8）；第一四分之一波片（2）的长轴方向与第二四分之一波片（6）的长轴方向正交；第一透镜（3）与第二透镜（5）共焦放置，且光克尔介质位于第一透镜（3）的焦距以内；检偏器（7）的检偏方向与起偏器（1）的起偏方向平行。

2.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，所述的第一四分之一波片（2）和第二四分之一波片（6）均为消色差宽带波片。

3.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，所述的第一四分之一波片（2）长轴方向与起偏器（1）的夹角为20～40°。

4.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，所述的光克尔介质为铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃，介质厚度为2～5mm；或者所述的光克尔介质为二硫化碳，容纳在透明容器中，透明容器通光路径为2～5mm。

5.如权利要求4所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，所述的透明容器为石英比色皿（4），其通光路径为2～5mm，壁厚为0.5～1mm。

6.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，所述的第一透镜（3）、第二透镜（5）为平凸或双凸透镜，焦距为50～500mm。

7.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，所述的光阑（8）的孔径大小与入射的超短脉冲激光光斑尺寸一致。

8.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，沿入射光方向，光阑（8）的后方还设有用于监测激光功率或脉冲能量的探测器（9）。

9.如权利要求1所述的基于光克尔效应的超短脉冲光限幅器，其特征在于，入射的飞秒或皮秒激光脉冲通过起偏器（1）和第一四分之一波片（2）后由线性偏振光变为椭圆偏振光，再经第一透镜（3）入射到光克尔介质中；当光强较弱时，入射光经第二四分之一波片（6）的相位补偿，由椭圆偏振光还原为线偏振光，并经检偏器（7）、光阑（8）完全透射后输出；当光强较强时，入射光在光克尔介质中诱导产生光克尔效应，进而产生偏振椭圆旋转和自聚焦效应，经第二四分之一波片（6）后仍为椭圆偏振光，部分光经检偏器（7）和光阑（8）后被阻止，实现光限幅输出。