CN114336229A - 基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，通过激光的偏振控制，选择双折射晶体的特定琼斯矩阵元作为光谱调制函数，构建了一种有效的波长较为接近的两束宽带激光的隔离方法；具体而言，通过光谱调制函数和双折射晶体厚度控制，可实现1075nm的有效隔离；此外，通过晶体面内旋转角度φ的调节，也可以实现1053nm激光能量的动态控制，这将满足大口径OPCPA激光器小型化的设计需求。

Description

基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离 方法

技术领域

本发明属于光参量啁啾脉冲放大领域，具体涉及一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，可以实现在节省空间的同时，使1075nm激光的有效隔离，并可同时实现对1053nm激光能量的动态调节，进而满足OPCPA小型化设计需求。

背景技术

在以钕玻璃为增益介质的皮秒拍瓦短脉冲激光装置中，增益介质限定了放大的激光中心波长为1053nm，为了保障光谱带宽和压缩信噪比，激光系统前端多采用光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术来获得高能量、带宽约10nm的1053nm激光。此外，为提高调试及使用的工作效率、抑制泵浦激光和1053nm激光之间的噪声转移、以及保障光束质量等方面，OPCPA泵浦源波长要求为532nm，这使得在OPCPA放大过程会同时产生1053nm和1075nm波长较为接近的2束激光。如何有效分离1075nm激光成为影响OPCPA激光器小型化设计的主要问题之一。

以国内神光II高能皮秒拍瓦激光装置的OPCPA前端为例，第一级和第二级均分别采用LBO和BBO非线性晶体，根据相位匹配关系，1053nm信号光和1075nm闲置光夹角分别设置为1°和2°，第一级输出能量为1.5mJ，1053nm和1075nm激光分离方式为远场滤波；第二级输出能量为50mJ、光束口径d＝6mm，采用传输距离超过171mm(D＝d/tan(θ))的方式分离1053nm和1075nm激光。在小能量、小口径下，上述的激光分离技术手段可以接受并采用。但是，随着激光装置的发展和物理要求激光束数的增多，对OPCPA放大输出能量的要求也逐步提升，目前要求≥1J的OPCPA放大输出。这时，对于激光能量≥1J、口径≥22mm情况，BBO晶体不再支持，OPCPA中会选择大口径LBO晶体，根据相位匹配关系，这时1053nm和1075nm激光的夹角约为1°，如果采用空间传输分离，则至少需要1.26m以上(D＝d/tan(θ))传输距离，才能在空间上分离1075nm激光，这对OPCPA小型化设计极为不利。此时，之前小口径下的分离方法已经不再合适。此外，受窄带滤光片损伤阈值和镀膜加工难度(1053nm和1075nm)的制约，此类滤波器件也不适用。综上，如何有效分离大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光成为制约激光器小型化设计的主要问题之一。

因此，提出一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，该方法简化结构，节省空间，能够保障1075nm始终处于隔离状态，不仅便于1053nm和1075nm两束大口径激光的有效分离，还可以实现1053nm激光能量的动态调节，这将十分有利于OPCPA激光器的小型化设计。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提出了一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，该方法能够有效减少空间，并保障1075nm始终处于隔离状态，同时还能够调节1053nm激光能量。本方法具有结构紧凑、抗干扰性强、运行稳定、调节方便等特点，将为大口径OPCPA中1053nm信号光和1075nm闲置光分离提供了一个简单可行的技术途径。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，构建光路：沿OPCPA激光放大器输出光轴依次放置消色差半波片和检偏器，调节消色差半波片，控制检偏器透射光能量最小，使得波片后激光为垂直偏振；

步骤2，根据步骤1的入射激光偏振配置，选择双折射晶体材料并设计厚度d(θ＝90°)，检偏器后透射激光的光谱调制函数，对应双折射晶体琼斯矩阵的m₂₁矩阵元。光谱调制函数中，1075nm透过率处于调制函数的波谷，始终为0；1053nm透过率位于调制函数波峰，且可通过φ调节波峰幅值；

步骤3，将步骤2得到的双折射晶体插入在所述的消色差半波片和检偏器之间，并使激光正入射(θ＝90°)，在检偏器的透射光路中，根据步骤2可实现1075nm激光的有效隔离。

所述的方法还包括：利用光谱仪6测试检偏器后的透射光，调节双折射晶体面内旋转角度(φ)，可以实现调节1053nm激光能量的功能。

所述的光谱调制函数为双折射晶体琼斯矩阵，可通过入射和出射激光偏振进行控制。本方法的偏振配置选择m₂₁矩阵元，

设计光谱调制函数，使检偏器透射1053nm激光，检偏器反射隔离1075nm激光。

所述的1053nm激光，入射双折射晶体3前与出射检偏器4后激光偏振垂直。光路排布不仅限于上述排布方式。

所述的检偏器反射的1075nm隔离反射光由吸收体吸收。

所述的双折射晶体3固定于可面内旋转的调整架上。

所述的OPCPA为532nm泵浦下放大1053nm和1075nm激光，激光光谱带宽～10nm,两束激光夹角≤3°。

所述的双折射晶体为铌酸锂、石英、方解石等晶轴切割在面内的单轴晶体。

本发明基于一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，涉及的具体结构和参数的选择包括以下几个方面：

1.确定隔离前后入射激光的偏振。由于双折射调制光谱函数取决于双折射晶体的琼斯矩阵，为了保障1075nm闲置光始终处于隔离状态，通过控制隔离前后1053nm激光的偏振相互垂直，进而选择双折射琼斯矩阵

中的m₁₂或者m₂₁，本发明通过偏振配置选择m₂₁。

2.确定双折射晶体的种类和厚度。由于双折射晶体的厚度决定了调制光谱的宽度，为调节方便，方案中选择θ＝90°，光谱调制函数为类余弦函数，厚度的选择依据为1053nm波长处于调制函数的波峰处，1075nm始终位于波谷处。此外，还需加工晶体能够支持大口径，并可加工得到所需厚度。

3.确定双折射晶体光轴方向。双折射晶体的晶轴可通过旋转调整架来实现面内旋转角度φ的控制。在本发明中，此角度决定了1053nm处于波峰处的幅值，通过光谱仪的反馈，可以实现1053nm激光的分离，并可以根据需要进行能量控制，而1075nm激光强度不随φ变化，始终处于波谷。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：①本发明针对大口径OPCPA1053nm信号光和1075nm闲置光的分离问题，通过构建光路、激光的偏振配置选取双折射晶体琼斯矩阵m₂₁作为光谱调制函数，设计了一种有效的波长较为接近的两束宽带激光的分离方法，可以实现1075nm的有效隔离；②通过晶体面内旋转角度φ的动态调节，也可以实现1053nm激光的能量动态调节；③本发明可以实现大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光的有效隔离，具有结构紧凑，易于调节等优点，可以满足OPCPA激光器小型化设计的要求。④本发明不仅限于1053nm和1075nm，也可以适用其他两束波长较为接近的激光的隔离；

附图说明

图1为本发明的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离光路排布图。

图2为本发明通过双折射晶体φ控制1053nm和1075nm激光分离的理论计算结果曲线图，其中a为光谱范围为1035nm-1095nm的光谱调制函数曲线；b为1053nm±5nm处局部光谱透过曲线；c为1075nm±5nm处局部光谱透过曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法做进一步详细阐述，以求更为清楚的理解具体结构和实现过程，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。

本实施例基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，构建光路为：沿OPCPA输出1053nm和1075nm激光1依次排列的消色差半波片2、、双折射晶体3、检偏器4、散射器5、连接电脑的光谱仪6和吸收体7，所述的双折射晶体固定于可面内旋转的调整架上。

作为优选，本实施例中的OPCPA为532nm泵浦下的1053nm和1075nm输出，能量为1J，口径为22mm，OPCPA采用的非线性晶体为LBO，两束宽带激光夹角为1°。

作为进一步优选，本实施例中的双折射晶体为铌酸锂、石英、方解石、晶轴切割在面内的单轴晶体以及具有双折射效应的电光晶体。

本实施例基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，包括以下步骤：

步骤1，构建光路后，移除双折射晶体3，启动OPCPA激光放大器输出1053nm和1075nm激光1，经所述的消色差半波片2控制检偏器4和散射器5后激光能量，用连接电脑的光谱仪6测试并存储1053nm和1075nm光谱数据；

步骤2，调节消色差半波片2，使得检偏器4透射能量最小，反射光能量最大并进入吸收体7，此时波片2后激光为垂直偏振；

步骤3，根据步骤2的入射激光偏振配置，选择双折射晶体材料并设计厚度d(θ＝90°)，检偏器4后透射激光的光谱调制函数，对应双折射晶体琼斯矩阵的m₂₁矩阵元。光谱调制函数中，1075nm透过率处于调制函数的波谷，始终为0；1053nm透过率位于调制函数波峰，且可通过φ调节波峰幅值；

步骤4，将步骤3得到的双折射晶体3插入在所述的消色差半波片2和检偏器4之间，并使激光正入射(θ＝90°)，在检偏器4的透射光路中，可实现1075nm激光的有效隔离和1053nm激光的能量控制，可配合使用光谱仪6进行观察。

本实施中消色差半波片2用于调控入射激光的偏振，保障能量调节和双折射光谱调制中所需的偏振方向。

以下应用例以石英晶体作为双折射晶体：

双折射石英晶体安置在高精度面内旋转调节的装置上，角度控制精度0.5°，石英精晶体厚度加工精度为±2.5um，以上角度控制精度和加工精度现有工艺都可以实现。检偏器为45°工作的薄膜偏振片，使用波长为1045-1075nm，入射角度偏差45°±2.5°，可满足设计要求。

具体实施步骤为：

1、开启激光后，1053nm和1075nm激光1同向小角度传输，移除双折射晶体3，调节消色差半波片2，控制检偏器4后进入光谱仪6的光谱强度，测量有效值后设置为参考；

2、调节消色差半波片2，使进入石英晶体偏振为垂直偏振；

3、根据双折射光谱整形的琼斯矩阵：

本实施例以滤除1075nm(T＝0)和保留1053nm(T＝1)为设计目的，通过光路排布和偏振配置，选择m₂₁矩阵元。透过光谱调制函数为：

本实施例中实验晶体厚度为2830um,θ＝90°，为了更加简单明了的阐述滤波效果，运用上述公式得到了随φ变化的1053nm和1075nm光谱的调制曲线，分别如图2(a)、2(b)和2(c)所示。图中，可以看出1075nm待滤除的激光始终处于低光谱调制函数的波谷(T＝0)，可以使用吸收体7滤除，而1053nm激光透过率始终处于波峰，且幅值可以通过φ进行调节。此外，对于两束激光的入射角度差异(≤2°)，在90°±5°内，光谱调制函数无变化；因此采用本发明可以有效对大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光进行分离，同时可以实现1053nm激光能量的动态控制。

最后应当说明的是：对本发明的具体实施方式进行修改或部分技术特性进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应覆盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，构建光路：沿OPCPA激光放大器(1)输出光轴依次放置消色差半波片(2)和检偏器(4)，调节消色差半波片(2)，控制检偏器(4)透射光能量最小，且消色差半波片(2)后激光为垂直偏振；

步骤2，选择双折射晶体材料并设计厚度d(θ＝90°)，设检偏器(4)后透射激光的光谱调制函数，对应双折射晶体琼斯矩阵的m₂₁矩阵元，光谱调制函数中，1075nm透过率处于调制函数的波谷，始终为0；1053nm透过率位于调制函数波峰，且可通过φ调节波峰幅值；

步骤3，将步骤2得到的双折射晶体(3)插入在所述的消色差半波片(2)和检偏器(4)之间，并使激光正入射(θ＝90°)，在检偏器(4)的透射光路中，实现1075nm激光的有效隔离。

2.根据权利要求1所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，该方法还包括：

利用光谱仪(6)测试检偏器(4)后的透射光，调节双折射晶体(3)面内旋转角度(φ)，实现调节1053nm激光能量的功能。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，所述的光谱调制函数为双折射晶体琼斯矩阵，可通过入射和出射激光偏振进行控制；利用偏振配置选择m₂₁矩阵元，

4.根据权利要求1所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，对于1053nm激光，入射双折射晶体(3)前与出射检偏器(4)后激光偏振垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，经所述的检偏器(4)反射的1075nm隔离反射光由吸收体(7)吸收。

6.根据权利要求1所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，所述的双折射晶体(3)固定于可面内旋转的调整架上。

7.根据权利要求1所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，所述OPCPA为532nm泵浦下放大1053nm和1075nm激光，激光光谱带宽～10nm,两束激光夹角≤3°。

8.根据权利要求1所述的一种基于双折射调制的大口径OPCPA中1053nm和1075nm激光分离方法，其特征在于，所述双折射晶体为铌酸锂、石英、方解石等晶轴切割在面内的单轴晶体。

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