CN114156723B - 基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法，该装置主要由超快激光源、啁啾镜对、涡旋光调制器、起偏器、聚焦镜组、非线性晶体对、准直镜组、检偏器和涡旋光解调器组成。本发明利用了涡旋光的远场光强分布特性，在空气中即可实现百微焦量级的交叉偏振波产生，具有结构简单、装置紧凑、便于模块化的优点。本发明用于超强超短激光系统的前端，对于超强超短激光技术的研究与应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体是一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法。是一种应用于拍瓦激光系统前端的大能量非线性脉冲净化技术。其特点是利用涡旋光的聚焦光斑远场能量聚集度比高斯光更加分散的优势，结合交叉偏振波产生净化脉冲且展宽光谱的优点，在空气中实现宽光谱、高对比度、较高能量的净化种子脉冲输出。
背景技术
啁啾脉冲放大技术(CPA)和光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)在世界范围内被广泛地应用到数拍瓦(1PW＝1015W)的超强超短激光系统。拍瓦激光系统输出的激光脉冲宽度只有数十飞秒(1fs＝10-15s)，聚焦功率密度可以达到1023W/cm2以上，可以提供探索诸如电子加速、模拟宇宙大爆炸以及探索基本粒子特性的极端物理条件。而这些实验对于激光的对比度提出了很高要求，超过1011W/cm2的前沿噪声就能产生预等离子体，破坏激光与物质相互作用的条件。因此往往需要在拍瓦激光系统的前端采取脉冲净化技术来提高脉冲对比度，交叉偏振波产生(XPWG)便是提高脉冲对比度的一种主流手段。该技术能够获得超过五个数量级的对比度提升，并且同时由于自相位调制效应可以展宽脉冲光谱。目前，拍瓦激光系统中一般采用基模高斯光束，然而高斯光的能量集中度比较高，一个瑞利距离内能量占比高达86％。为了避免焦点处产生空气中的非线性效应导致光束质量恶化，以及避免非线性晶体烧蚀。入射脉冲能量一般不超过250微焦，XPWG仅能输出10～20微焦的能量。往往需要借助其他手段，将XPWG产生的净化脉冲进一步放大到100微焦量级才能用于后续放大系统。这就限制了空气条件下，XPWG技术的直接应用。
在先技术中，解决这一问题的方案往往比较复杂。比如2019年公开的中国专利(CN110071421A，一种产生飞秒种子光的系统和方法)，利用飞秒光参量放大将净化脉冲放大到百微焦量级。又比如2013年发表的文献“Energy-scalable temporal cleaning devicefor femtosecond laser pulses based on cross-polarized wave generation”(Reviewof Scientific Instruments 84,043106(2013))，设计了复杂的真空系统，将非线性晶体置于该真空系统内，从而实现毫焦量级的大能量注入。这些方案都大大增加了系统的复杂程度，从而降低了系统的稳定性。然而，由于涡旋光的中空结构，相同近场光斑情况下，其远场能量集中度较高斯型光斑低(4～5倍，以一阶涡旋光为例)。因此可以提高注入能量到4倍以上，在空气中直接获得100微焦以上的稳定的大能量XPWG输出。从而大大降低装置的复杂性，同时可以提高装置的稳定性，节约建设成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对拍瓦激光系统的前端，提供一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法，该装置能克服高斯光大能量注入下，焦点附近空气中的非线性效应导致的光束质量恶化，避免非线性晶体烧蚀。在空气中实现稳定的百微焦量级的交叉偏振波产生，是一种简单、紧凑、稳定、高效的非线性脉冲净化前端。
本发明技术解决方案如下：
一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特点在于该装置包括：同轴依次放置的超快激光源、啁啾镜对、涡旋光调制器、起偏器、聚焦镜组、非线性晶体对、准直镜组、检偏器和涡旋光解调器；整个装置工作在非真空状态下；
所述的涡旋光调制器与涡旋光解调器在结构上共轭；所述的涡旋光调制器包括同轴沿光路依次放置的第一左旋λ/4波片、第一涡旋半波片和第一右旋λ/4波片，所述的涡旋光解调器包括同轴沿光路依次放置的第二右旋λ/4波片、第二涡旋半波片和第二左旋λ/4波片；
所述的非线性晶体对位于聚焦镜组产生的焦点和准直镜组之间；
所述的起偏器的起偏方向和检偏器的检偏方向相互垂直。为了方便起见，一般采用水平方向起偏，竖直方向检偏，但不应限于此设计。两者的消光比决定了对比度提升的量级，通过精细调节，一般可以获得大于5个数量级的消光比。
所述的第一左旋λ/4波片、第一右旋λ/4波片、第二右旋λ/4波片和第二左旋λ/4波片均为消色差λ/4波片。
所述的涡旋半波片引入的偏振态变化可以使用琼斯矩阵
计算，其中
表示涡旋半波片任意位置的快轴角度，Δ是常数，m表示涡旋光阶次。
所述的啁啾镜对由第一啁啾镜和第二啁啾镜配对组成，入射角为5度，入射光和出射光位于同一水平高度，且光轴相互平行。
所述的聚焦镜组采用反射结构或者透射结构，在反射结构中：光线以5度的入射角依次经过第一凹面镜和第一凸面镜，入射光和出射光位于同一水平高度，且光轴相互平行；在透射结构中：第一薄凸透镜(5-3)与光线同轴。
所述的准直镜组采用反射结构或者透射结构，在反射结构中：光线以5度的入射角依次经过第二凸面镜和第二凹面镜，入射光和出射光位于同一水平高度，且光轴相互平行；在透射结构中：第二薄凸透镜与光线同轴。
所述的非线性晶体对由两块带有单面楔角的第一非线性晶体和第二非线性晶体配对组成，配对采用中心对称的方式，保证配对后沿着光轴方向的各个位置的非线性晶体总厚度一致。该配对方式可以避免由表面反射引入的预脉冲。一般采用1-2毫米厚度的氟化钡或者氟化钙晶体，优选地，为1毫米厚度的氟化钡，单面楔角10分。
所述的超快激光源为锁模宽带飞秒脉冲激光器，输出线偏振基模高斯光，单脉冲能量达到毫焦量级，脉宽小于50飞秒。优选地，为40飞秒。
本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生方法，其特点在于，包括下列步骤：
1)超快激光源输出的线偏振高斯光，通过啁啾镜对预补偿二阶色散，再通过涡旋光调制器变成线偏振涡旋光，之后依次经过起偏器、聚焦镜组，聚焦在非线性晶体对上，产生高对比度的交叉偏振波，仍为涡旋光；经过准直镜组准直后，经检偏器滤出交叉偏振涡旋光，最后经涡旋光解调器恢复成高斯光，以作为后续放大系统的高对比度种子光。
2)所述的啁啾镜对的色散量是根据涡旋光调制器、起偏器和聚焦镜组，以及从超快激光源到非线性晶体对之间光路中的空气引入的材料色散量总和来确定的。具体地，所述的啁啾镜对的色散量C＝∑mili，其中mi表示单位长度的材料的二阶色散量，li表示光在材料内通过的距离，下标i表示光透过的材料类型。
3)所述的非线性晶体对的摆放位置是根据输出光谱、光斑质量和能量(大小和稳定性)来确定的，具体地，使用CCD相机、光谱仪和能量计辅助观察，首先通过CCD相机找到聚焦镜组的焦点位置，然后在该位置后面数厘米处同轴放置第一非线性晶体，绕着光轴转动第一非线性晶体，直至交叉偏振波产生效应最强(需要光谱仪和能量计辅助观察)，再向后慢慢移动第一非线性晶体，找到光谱、光斑质量和能量三者都最佳的位置，将第一非线性晶体固定在该位置；然后在该位置后面数厘米处同轴放置第二非线性晶体，并绕着光轴转动第二非线性晶体使之和第一非线性晶体配对，再向后慢慢移动第二非线性晶体，找到光谱、光斑质量和能量三者都最佳的位置，将第二非线性晶体固定在该位置；
所述方法中，输入线偏振高斯光的能量可以达到毫焦量级，输出高对比度交叉偏振波的能量可达到百微焦量级。对比度提升超过5个数量级。
本发明具有的优势是：
1)本发明结合了涡旋光和交叉偏振波产生的优点：涡旋光能降低聚焦远场能量集中度，交叉偏振波产生可以实现对比度、光谱宽度和光斑质量的提升，从而可以在空气中实现百微焦量级的大能量、高对比度交叉偏振波输出，装置简单、易于实现、稳定性好。
2)本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法，由于利用了涡旋光的远场特性，大幅提高了注入能量，除了能净化脉冲，还可以获取更好的光谱展宽、光谱匀滑和光斑匀滑效果。
3)本发明适应波长范围大，能拓展到拍瓦激光系统常用的各个波段进行脉冲净化。
4)本发明利用了涡旋光的远场光强分布特性，在空气中即可实现百微焦量级的交叉偏振波产生，具有结构简单、装置紧凑、便于模块化的优点。本发明用于超强超短激光系统的前端，对于超强超短激光技术的研究与应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置示意图
图2为本发明所述的涡旋光和高斯光远场光斑对比图
图3为本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置实施例1的系统结构示意图
图4为本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置实施例2的系统结构示意图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
请参照图3，图3为本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置实施例1的装置结构示意图。由图可见，本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置包括：同轴依次放置的超快激光源1、啁啾镜对2、涡旋光调制器3、起偏器4、聚焦镜组5、非线性晶体对6、准直镜组7、检偏器8和涡旋光解调器9。整个装置工作在非真空状态下。其中所述的涡旋光调制器3包括同轴沿光路依次放置的第一左旋λ/4波片3-1、第一涡旋半波片3-2和第一右旋λ/4波片3-3；涡旋光解调器9包括同轴沿光路依次放置的第二右旋λ/4波片9-1、第二涡旋半波片9-2和第二左旋λ/4波片9-3；所述的聚焦镜组5包括第一凹面镜5-1和第一凸面镜5-2，所述的准直镜组7包括第二凸面镜7-1和第二凹面镜7-2。所述的非线性晶体对6由带有单面楔角的第一非线性晶体6-1和第二非线性晶体6-2组成。
所述的超快激光源1输出1毫焦的800纳米飞秒激光(脉宽40飞秒)，经过啁啾镜对2预补偿二阶色散后，通过由第一左旋λ/4波片3-1、第一涡旋半波片3-2和第一右旋λ/4波片3-3组成的涡旋光调制器3，将高斯光调制成涡旋光。通过起偏器4后，经过由第一凹面镜5-1和第一凸面镜5-2组成的聚焦镜组5后，入射到非线性晶体对6上，产生偏振态与输入相互垂直的交叉偏振波150微焦，仍为涡旋光。该交叉偏振涡旋光经由第二凸面镜7-1和第二凹面镜7-2组成的准直镜组7准直成平行光后，由检偏器8滤出。最后通过由第二右旋λ/4波片9-1、第二涡旋半波片9-2和第二左旋λ/4波片9-3组成的涡旋光解调器9，将涡旋交叉偏振波解调为高斯光束，以作为后续放大系统(CPA或者OPCPA系统)的高对比度种子光。
在本实施例中，所述的啁啾镜对2的色散量为-1000fs2，第一左旋λ/4波片3-1、第一右旋λ/4波片3-3、第二右旋λ/4波片9-1和第二左旋λ/4波片9-3均为消色差波片。非线性晶体对6采用氟化钡晶体。第一凹面镜5-1的焦距为375毫米，第一凸面镜5-2的焦距为-200毫米，第二凸面镜7-1的焦距为-100毫米，第二凹面镜7-2的焦距为250毫米。第一非线性晶体6-1和第二非线性晶体6-2的厚度均为1毫米，均带有单面10分的楔角，两块配对使用。其中，第一非线性晶体6-1在焦后4厘米处，第二非线性晶体6-2在第一非线性晶体6-1后4.5厘米处。
实施例2
请参照图4，图4为本发明基于涡旋光的交叉偏振波产生装置实施例2的系统结构示意图。由图可见，本发明实施例2的装置包括：同轴依次放置的超快激光源1、啁啾镜对2、涡旋光调制器3、起偏器4、聚焦镜组5、非线性晶体对6、准直镜组7、检偏器8和涡旋光解调器9。整个装置工作在非真空状态下。其中所述的涡旋光调制器3包括同轴沿光路依次放置的第一左旋λ/4波片3-1、第一涡旋半波片3-2和第一右旋λ/4波片3-3；涡旋光解调器9包括同轴沿光路依次放置的第二右旋λ/4波片9-1、第二涡旋半波片9-2和第二左旋λ/4波片9-3；聚焦镜组5包括第一薄凸透镜5-3，准直镜组7包括第二薄凸透镜7-3。非线性晶体对6由带有单面楔角的第一非线性晶体6-1和第二非线性晶体6-2组成。
所述的超快激光源1输出1毫焦的800纳米飞秒激光(脉宽40飞秒)，经过啁啾镜对2预补偿二阶色散后，通过由第一左旋λ/4波片3-1、第一涡旋半波片3-2和第一右旋λ/4波片3-3组成的涡旋光调制器3，将高斯光调制成涡旋光。通过起偏器4后，经过由第一薄凸透镜5-3组成的聚焦镜组5后，入射到非线性晶体对6上，产生偏振态与输入相互垂直的交叉偏振波150微焦，仍为涡旋光。该交叉偏振涡旋光经由第二薄凸透镜7-3组成的准直镜组7准直成平行光后，由检偏器8滤出。最后通过由第二右旋λ/4波片9-1、第二涡旋半波片9-2和第二左旋λ/4波片9-3组成的涡旋光解调器9，将涡旋交叉偏振波解调为高斯光束，以作为后续放大系统(CPA或者OPCPA系统)的高对比度种子光。
在本实施例中，所述的啁啾镜对2的色散量为-1200fs2，第一左旋λ/4波片3-1、第一右旋λ/4波片3-3、第二右旋λ/4波片9-1和第二左旋λ/4波片9-3均为消色差波片。非线性晶体对6采用氟化钡晶体。第一薄凸透镜5-3的焦距为500毫米，第二薄凸透镜7-3的焦距为250毫米。第一非线性晶体6-1和第二非线性晶体6-2的厚度均为1毫米，均带有单面10分的楔角，两块配对使用。其中，第一非线性晶体6-1在焦后4厘米处，第二非线性晶体6-2在第一非线性晶体6-1后4.5厘米处。
图2所示为在相同的输入近场条件下，本发明所述的涡旋光和高斯光远场光斑对比图(以一阶涡旋光为例)。可以清楚地看到：涡旋光的远场光束尺寸远大于高斯光束(4～5倍)，从而成倍地降低聚焦强度，这样我们就可以在空气中实现毫焦量级的交叉偏振波注入，从而直接产生百微焦量级的净化交叉偏振波。
实施例1与实施例2的最主要区别在于：实施例1中的聚焦镜组5和准直镜组7均采用反射结构；而实施例2中的聚焦镜组5和准直镜组7均采用透射结构。其中，反射结构可以支持更大的光谱带宽(大于100纳米)。优选地，对小于100纳米的光谱带宽，实施例2更加紧凑；而对大于100纳米的光谱带宽，实施例1更加合理。
实验表明，本发明利用了涡旋光的远场光强分布特性，在空气中即可实现百微焦量级的交叉偏振波产生，具有结构简单、装置紧凑、便于模块化的优点。本发明用于超强超短激光系统的前端，对于超强超短激光技术的研究与应用具有重要意义。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。
Claims (8)
1.一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，包括：同轴依次放置的超快激光源（1）、啁啾镜对（2）、涡旋光调制器（3）、起偏器（4）、聚焦镜组（5）、非线性晶体对（6）、准直镜组（7）、检偏器（8）和涡旋光解调器（9）；整个装置工作在非真空状态下；
所述的涡旋光调制器（3）与涡旋光解调器（9）在结构上共轭；所述的涡旋光调制器（3）包括同轴沿光路依次放置的第一左旋λ/4波片（3-1）、第一涡旋半波片（3-2）和第一右旋λ/4波片（3-3）；所述的涡旋光解调器（9）包括同轴沿光路依次放置的第二右旋λ/4波片（9-1）、第二涡旋半波片（9-2）和第二左旋λ/4波片（9-3）；
所述的非线性晶体对（6）位于聚焦镜组（5）产生的焦点和准直镜组（7）之间；
所述的起偏器（4）的起偏方向和检偏器（8）的检偏方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，所述的第一左旋λ/4波片（3-1）、第一右旋λ/4波片（3-3）、第二右旋λ/4波片（9-1）和第二左旋λ/4波片（9-3）均为消色差λ/4波片。
3.根据权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，所述的啁啾镜对（2）由第一啁啾镜（2-1）和第二啁啾镜（2-2）配对组成，入射角为5度，入射光和出射光位于同一水平高度，且光轴相互平行。
4.根据权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，所述的聚焦镜组（5）采用反射结构或者透射结构，在反射结构中：光线以5度的入射角依次经过第一凹面镜（5-1）和第一凸面镜（5-2），入射光和出射光位于同一水平高度，且光轴相互平行；在透射结构中：第一薄凸透镜（5-3）与光线同轴。
5.根据权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，所述的准直镜组（7）采用反射结构或者透射结构，在反射结构中：光线以5度的入射角依次经过第二凸面镜（7-1）和第二凹面镜（7-2），入射光和出射光位于同一水平高度，且光轴相互平行；在透射结构中：第二薄凸透镜（7-3）与光线同轴。
6.根据权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，所述的非线性晶体对（6）由两块带有单面楔角的第一非线性晶体（6-1）和第二非线性晶体（6-2）配对组成，配对采用中心对称的方式，保证配对后沿着光轴方向的各个位置的非线性晶体总厚度一致。
7.根据权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特征在于，所述的超快激光源（1）为锁模宽带飞秒脉冲激光器，输出线偏振基模高斯光，单脉冲能量达到毫焦量级，脉宽小于50飞秒。
8.利用权利要求1所述的基于涡旋光的交叉偏振波产生装置的交叉偏振波的产生方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1）所述的超快激光源（1）输出的线偏振高斯光，通过啁啾镜对（2）预补偿二阶色散，再通过涡旋光调制器（3）变成线偏振涡旋光，之后依次经过起偏器（4）、聚焦镜组（5），聚焦在非线性晶体对（6）上，产生高对比度的交叉偏振波，仍为涡旋光；经过准直镜组（7）准直后，经检偏器（8）滤出交叉偏振涡旋光，最后经涡旋光解调器（9）恢复成高斯光，以作为后续放大系统的高对比度种子光；
2）所述的啁啾镜对（2）的色散量是根据涡旋光调制器（3）、起偏器（4）和聚焦镜组（5），以及从超快激光源（1）到非线性晶体对（6）之间光路中的空气引入的材料色散量总和来确定的：所述的啁啾镜对（2）的色散量 ，其中表示单位长度的材料的二阶色散量，表示光在材料内通过的距离，下标表示光透过的材料类型；
3）所述的非线性晶体对（6）的摆放位置是根据输出光谱、光斑质量和能量来确定的，具体地，使用CCD相机、光谱仪和能量计辅助观察，首先通过CCD相机找到所述的聚焦镜组（5）的焦点位置，然后在该位置后面数厘米处同轴放置第一非线性晶体（6-1），绕着光轴转动第一非线性晶体（6-1），直至交叉偏振波产生效应最强，再向后慢慢移动第一非线性晶体（6-1），找到光谱、光斑质量和能量三者都最佳的位置，将第一非线性晶体（6-1）固定在该位置；然后在该位置后面数厘米处同轴放置第二非线性晶体（6-2），并绕着光轴转动第二非线性晶体（6-2）使之和第一非线性晶体（6-1）配对，再向后慢慢移动第二非线性晶体（6-2），找到光谱、光斑质量和能量三者都最佳的位置，将第二非线性晶体（6-2）固定在该位置；
4）所述的超快激光源（1）输出的线偏振高斯光的能量可以达到毫焦量级，该装置输出高对比度交叉偏振波的能量可达到百微焦量级。
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