CN114442314A - 一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，通过激光的偏振控制，选择温控双折射晶体的特定琼斯矩阵元作为光谱调制函数，构建了一种有效短脉冲激光系统三阶色散补偿方法；具体而言，通过光谱调制函数和双折射晶体厚度及温度控制，首先满足短脉冲激光光谱无损失通过；此外，通过晶体面内旋转角度φ的调节，可以实现短脉冲激光的三阶色散的有效控制。本发明对短脉冲激光系统三阶色散补偿和调控具有重要的意义。

Description

一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控 方法

技术领域

本发明属于短脉冲激光系统的色散控制领域，更具体的说，涉及一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，可以实现对短脉冲激光系统中激光的三阶色散补偿与调控，进而满足激光系统信噪比等参数指标优化的色散控制需求。

背景技术

在短脉冲激光系统中，为了同时实现高能量和短脉冲宽度的激光放大输出，啁啾脉冲放大是一种经常被采用的技术，而色散调控是其中一个重要的技术环节。在二阶色散调节方面，展宽器将低能量的短脉冲在时域上进行展宽，然后利用增益介质或参量放大技术进行能量的放大，最后再利用压缩器对宽带激光进行二阶色散补偿，压缩至转换极限脉冲，以此获得高能量、短脉宽的激光脉冲。虽然通过展宽器和压缩器的调节可以补偿系统的二阶色散，但是也会遗留不能完全补偿的三阶色散，当宽频带激光透过光学元件，如透镜，分束镜、偏振片和增益介质等，会引入三阶色散。此外，对于短脉冲光纤激光系统，光纤引入的三阶色散更为严重，这些都会对短脉冲激光系统的时域特性产生不利的影响，如信噪比、脉冲基座导致的时域脉冲特性变差等，因此有必要进行三阶色散的有效控制。目前，常用的有可编程声光调制器(AOPDF)、GT镜(Gires-Tounrois)和引入棱镜等，但是AOPDF由于口径限制，支持的能量比较小，而GT镜和棱镜色散有色散控制范围小、且不易于调节等缺点。如何找到一种支持高能量、色散控制范围大且操作方便的方法，这对于超短脉冲激光系统的激光性能提升十分重要。

为适用于不同的短脉冲激光系统的三阶色散补偿，本发明以国内神光II高能皮秒拍瓦激光装置为例，调节压缩器可以补偿展宽器和透过介质引入的二阶色散，但是未能补偿的三阶色散量约为1.55×10⁶fs³，虽然目前对于皮秒拍瓦激光装置的时域信噪比特性影响不大，但是随着激光装置的发展和物理要求的提升，以及基于钕玻璃的百飞秒装置升级的考虑，当压缩脉冲宽度为百飞秒量级时，系统三阶色散则需要进行补偿。此外，对于中心波长为800nm的钛宝石激光器或者OPCPA放大器，要求压缩到30fs级脉冲宽度，以及大能量短脉冲光纤激光系统，都需要对系统的三阶色散进行补偿。目前国内外科研工作者都在寻求有效的三阶色散补偿方法。

为此，本发明提出了一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，该方法具有支持能量高、结构简单、适用性强和节省空间等优点，能够对短脉冲激光系统的三阶色散进行补偿和调控，这将对短脉冲激光系统的信噪比等激光参数优化具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提出了一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，该方法具有支持能量高、结构简单、适用性强和节省空间等优点，能够对短脉冲激光系统的三阶色散进行补偿和调控。本方法将为短脉冲激光系统的三阶色散补偿提供一种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：

一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，构建光路：沿短脉冲激光输出光轴依次放置的半波片、起偏器和检偏器，调节半波片并控制检偏器，使检偏器透射激光过能量最大，且入射起偏器和出射检偏器激光偏振为水平偏振；

步骤2，选择双折射晶体材料、设计厚度d(θ＝90°)和温度T，设计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m₂₂矩阵元；设计温度T控制光谱调制函数的中心波长，并通过厚度d控制光谱调制函数带宽，使短脉冲激光光谱成分完全通过，且可通过φ调节光谱调制函数引入的三阶色散幅值；

步骤3，将步骤2得到的置于温控炉内的双折射晶体插入在所述的起偏器和检偏器之间，并使激光正入射(θ＝90°)，在检偏器的透射光路中，通过控制角度φ实现短脉冲激光的色散控制。

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；通过利用偏振配置选择m₂₂矩阵元，

其中参数

所述的半波片(2)、起偏器(3)、置于温控炉(4)内的双折射晶体(5)，以及检偏器(6)作为一个模块，可以直接应用到待补偿的三阶色散的激光系统中，或通过光源定标集成后移植到激光系统中。

所述的短脉冲激光，入射双折射晶体前与出射检偏器后的激光偏振平行。

所述的双折射晶体放置于温控炉内，并一起固定于可面内旋转的调整架上。

所述的色散测量仪为Wizzler、Frog等光谱相位及色散测量设备。

所述的双折射晶体为石英、铌酸锂、方解石等晶轴切割在面内的单轴晶体。

本发明基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，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，需要入射双折射晶体以及最终输出激光的偏振相互平行，进而选择双折射琼斯矩阵

中的m₁₁或者m₂₂。为实现色散调节功能，本发明通过偏振配置(入射和出射都为水平偏振)选择m₂₂矩阵元，

其中参数

2.确定双折射晶体的种类、厚度和温度。由于双折射晶体的厚度决定了调制光谱的宽度和三阶色散量的幅值，首先要保障满足光谱带宽要求(Δλ_FSR＝λ₀ ²/(Δnd))，为调节方便，方案中选择θ＝90°，并利用温度控制光谱调制函数的中心波长，最终使得激光的光谱成分完全通过。

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，通过面内旋转角度φ实现三阶色散的控制，调节过程额外引入的二阶色散较小，如必要可以通过激光系统展宽器或压缩器进行预补偿，这里主要阐述实现三阶色散的补偿和调控功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：①本发明针对短脉冲激光系统的三阶色散补偿和调控问题，通过构建光路、激光的偏振配置选取双折射晶体琼斯矩阵m₂₂作为光谱调制函数，设计了一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿方法；②通过晶体面内旋转角度φ的动态调节，可以实现三阶色散量的动态调节；③本发明可以实现短脉冲激光系统中三阶色散的有效补偿，具有支持能量高、结构紧凑和易于调节等优点，可以满足提升激光系统信噪比等补偿三阶色散的要求。

附图说明

图1为本发明的基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法的光路排布图。

图2以神光II高能拍瓦激光系统三阶色散补偿(带宽3nm(FWHM)，色散1.55×10⁶fs³)为实施例的理论计算结果曲线图，其中a为三阶色散量和光谱范围随晶体厚度的变化曲线；b为三阶色散量随面内旋转角度φ的变化关系；c为光谱强度透过曲线；d为补偿引入的-1.55×10⁶fs³三阶色散量。

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温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控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。

本实施例选择神光II高能拍瓦激光系统输出中心波长1053nm、带宽3nm(FWHM)，待补偿三阶色散为1.55×10⁶fs³。

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。

本实施例基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，包括以下步骤：

步骤1，构建光路：沿短脉冲激光1输出光轴依次放置的半波片2、起偏器3和检偏器6，调节半波片2并控制检偏器6，使检偏器6透射激光过能量最大，且入射起偏器3和出射检偏器6激光偏振为水平偏振；

步骤2，选择双折射晶体材料、设计厚度d(θ＝90°)和温度T，设计检偏器(6)后透射激光的光谱调制函数，对应双折射晶体琼斯矩阵的m₂₂矩阵元；设计温度T控制光谱调制函数的中心波长，并通过厚度d控制光谱调制函数带宽，使短脉冲激光1光谱成分完全通过，且可通过φ调节光谱调制函数引入的三阶色散幅值；

步骤3，将步骤2得到的置于温控炉4内的双折射晶体5插入在所述的起偏器3和检偏器6之间，并使激光正入射(θ＝90°)，在检偏器6的透射光路中，利用色散测量仪7进行测量。开启温控，温度工作在T₁，使得短脉冲激光光谱完全通过；通过控制面内旋转角度φ，得到需要补偿的色散量。

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°，石英晶体厚度加工精度为±10um，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°，温控炉的温控范围为25-50°，温控精度为0.1°。以上可满足设计要求。

具体实施步骤为：

1.开启激光后，沿激光1光轴方向，首先移除温控炉4和双折射晶体5，调节半波片2，控制检偏器6后透过能量最大，使入射起偏器3和出射检偏器6激光偏振为水平偏振；最后进入色散测量仪7，通过色散测量仪测量短脉冲激光的二阶和三阶色散，并分别记录数据作为参考；

2.根据双折射光谱整形的琼斯矩阵：

其中，

d(T)＝d₀[1+α(T-T₀)](α＝13.366710^-6atT₀＝18)，

本实施例以调控激光系统引入的三阶色散为目的，通过光路排布和偏振配置，选择m₂₂矩阵元。透过光谱调制函数为：

E_Out＝m₂₂E_In

本实施例中实验晶体厚度为7mm,θ＝90°，T＝26.7°，可以满足激光的3nm(FWHM)的带宽要求和-1.55×10⁶fs³的三阶色散幅值要求。为了更加简单明了的阐述色散补偿效果，运用上述公式得到了(a)三阶色散量和带宽随厚度的变化曲线；(b)三阶色散量幅值随面内旋转角度φ的变化曲线；(c)光谱强度透过率曲线以及(d)针对色散量为-1.55×10⁶fs³的三阶色散补偿曲线以及此过程引入的二阶色散量，如图2所示。通过图2可以看出，采用本发明可以对短脉冲激光系统的三阶色散进行有效的补偿和控制。

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 (7)

1.一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，构建光路：沿短脉冲激光(1)输出光轴依次放置的半波片(2)、起偏器(3)和检偏器(6)，调节半波片(2)并控制检偏器(6)，使检偏器(6)透射激光过能量最大，且入射起偏器(3)和出射检偏器(6)激光偏振为水平偏振；

步骤2，选择双折射晶体材料、设计厚度d(θ＝90°)和温度T，设计检偏器(6)后透射激光的光谱调制函数，对应双折射晶体琼斯矩阵的m₂₂矩阵元；设计温度T控制光谱调制函数的中心波长，并通过厚度d控制光谱调制函数带宽，使短脉冲激光(1)光谱成分完全通过，且可通过φ调节光谱调制函数引入的三阶色散幅值；

步骤3，将步骤2得到的置于温控炉(4)内的双折射晶体(5)插入在所述的起偏器(3)和检偏器(6)之间，并使激光正入射(θ＝90°)，在检偏器(6)的透射光路中，通过控制角度φ实现短脉冲激光的色散控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，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；发明中利用入射/出射光偏振配置选择m₂₂矩阵元，

其中参数

3.根据权利要求1所述的一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，其特征在于，所述的半波片(2)、起偏器(3)、置于温控炉(4)内的双折射晶体(5)，以及检偏器(6)作为一个模块，可以直接应用到待补偿的三阶色散的激光系统中，或通过光源定标集成后移植到激光系统中。

4.根据权利要求1所述的一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，其特征在于，对于短脉冲激光(1)，入射双折射晶体(5)前与出射检偏器(6)后激光偏振平行。

5.根据权利要求1所述的一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，其特征在于，所述的双折射晶体(5)放置于温控炉(4)内，并一起固定于可面内旋转的调整架上。

6.根据权利要求1所述的一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，其特征在于，所述的色散测量仪(7)为Wizzler、Frog等光谱相位及色散测量设备。

7.根据权利要求1所述的一种基于温控双折射晶体的短脉冲激光三阶色散补偿及调控方法，其特征在于，所述的双折射晶体为石英、铌酸锂、方解石等晶轴切割在面内的单轴晶体。

Images