CN114488553A - 一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置 - Google Patents
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Abstract
一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其构成包括第一偏振片、N个双折射晶体、第二偏振片。宽带光首先通过第一偏振片，再依次经过N个双折射晶体，最后通过第二偏振片进行色散补偿。其中，偏振模式相同的两个偏振片用以选择双折射晶体的琼斯矩阵元。每个双折射晶体独立调节连续具有一定宽度光谱的三阶色散，采用级联排列后实现了对宽带光谱三阶色散的调节。该装置针对超短脉冲激光系统现有调节三阶色散装置的缺点，具有损伤阈值高、调节量大、操作简单的特点。
Description
技术领域
本发明专利涉及宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节，是一种适用于高功率宽光谱超短脉冲的三阶色散调节装置。
背景技术
在基于啁啾脉冲放大(CPA)技术的激光系统中，色散管理是贯穿整体架构的理论基础，光脉冲经过展宽、啁啾放大之后，会引入大量的高阶色散。残余的高阶色散影响了啁啾脉冲放大过程的可靠性，限制了最终放大脉冲压缩到傅里叶变换极限脉宽的可能性。同时，残余的高阶色散还会对脉冲的信噪比产生影响，使信噪比变差。因此，不论是从激光的产生，还是从激光与物质相互作用的应用来讲，补偿高阶色散对啁啾脉冲放大(CPA)激光系统都具有重要意义。现有的啁啾脉冲放大(CPA)激光系统缺少色散精密调控的技术手段。
常规的棱镜对、光栅对器件的间距、角度调节方案具有光路调节困难，且无法独立调节二、三阶色散等问题，无法满足啁啾脉冲放大过程中动态变化、非线性的色散量调控需求。
另一种色散调制仪器声光可编程色散滤波器(AOPDF)虽然可以提供不同阶色散量的独立调节，但存在色散调节量有限、损伤阈值低、只适用于低重复频率激光系统的问题。
发明内容
为了克服啁啾脉冲放大(CPA)激光系统已有的色散调控方法存在损伤阈值低、调节量有限、无法满足啁啾脉冲放大过程中残余色散量动态变化等缺点，本发明提供一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，利用双折射晶体搭建一种新型的宽光谱大量程的三阶色散调节装置实现了高损伤阈值，色散调节量大以及调节方便的效果。
本发明的技术解决方案如下：
一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其特点在于，包括偏振方向相同的第一偏振片与第二偏振片，以及级联方式排列在该第一偏振片与第二偏振片之间的N个双折射晶体，其中5≤N≤15，通过改变各个双折射晶体面内旋转角，实现超短脉冲三阶色散调节。
所述的第一偏振片和第二偏振片用于控制入射光与出射光的偏振方向，具有相同的偏振态，即所述的第一偏振片，第二偏振片为TM或TE偏振，选择偏振模式相同的组合可得到出射光的复振幅的表达式，进而得到双折射晶体引入的相位表达式计算出色散量，以选择适当的晶体琼斯矩阵元。
激光通过厚度为t，面内旋转角为Ф的双折射晶体引入的相位的表达式为ψ(ω)，通常写成泰勒展开形式：
ψ(ω)中与ω不成线性的部分为色散，ω的三次项的系数ψ3即为三阶色散(TOD)，且三阶色散(TOD)是晶体厚度t、面内旋转角Ф以及入射光中心波长的函数。晶体厚度t决定其调节三阶色散(TOD)波段范围，而晶体的面内旋转角Ф则影响三阶色散(TOD)的具体数值。
根据已知激光系统的光谱范围以及残余三阶色散的大小，对各个双折射晶体的厚度t以及面内旋转角Ф进行确定。最后把各个特定厚度、面内旋转角的双折射晶体采用级联方式置于光路中进行三阶色散的补偿，当系统残余三阶色散量发生变化时，此时仅需通过调整晶体的面内旋转角Ф即可完成调节。
优选的，所述N＝7，即第一双折射晶体、第二双折射晶体、第三双折射晶体、第四双折射晶体、第五双折射晶体、第六双折射晶体和第七双折射晶体。
所述的第一双折射晶体、第二双折射晶体、第三双折射晶体、第四双折射晶体、第五双折射晶体、第六双折射晶体、第七双折射晶体为铌酸锂晶体、BBO、石英晶体等双折射晶体，光通过其会引入相位变化，进而引入一定的色散量。
本发明的技术效果为，能够在仅引入较小二阶色散量的前提下，通过偏振片和双折射晶体的组合引入满足系统色散补偿的可正负调节的三阶色散量，且不同的双折射晶体分别独立调制连续的约1nm宽的光谱，最终可实现整个宽带光的三阶色散调节。
本发明的特点是：(1)支持的损伤阈值很高，双折射晶体有着很高的损伤阈值，因此可满足高能激光系统的色散调节。(2)提供独立的、大量程的三阶色散调节量，经仿真实验选择特定厚度的双折射晶体后，通过调节晶体面内旋转角即可得到所需的三阶色散量调节量，用于补偿系统残余的三阶色散。(3)可对宽带光谱进行三阶色散调节，在晶体特定厚度时，各矩阵元的透过率函数针对不同波长均具有不同程度衰减，改变晶体厚度时，衰减中心会发生移动，因此可通过选择适当厚度的双折射晶体来控制宽约1nm的光谱，进而通过多块双折射晶体级联的方式实现对宽光谱的三阶色散调节。
附图说明
图1是利用偏振片与双折射晶体的组合进行三阶色散调节的光路图。
图2是双折射晶体的放置与偏振示意图。
图3是特定厚度(图中为1mm)铌酸锂双折射晶体独立调节1052nm波段附近三阶色散的效果图。
图4是本发明一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置的应用实施例1的光路图。
图中，1为波片，2为第一反射镜，3为第一偏振片，4为第一双折射晶体，5为第二双折射晶体，6为第三双折射晶体，7为第四双折射晶体，8为第五双折射晶体，9为第六双折射晶体，10为第七双折射晶体，11为第二偏振片，12为第二反射镜，13为色散测量仪器。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3和实施例1光路图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是利用偏振片与双折射晶体的组合进行三阶色散调节的光路图。前后两块偏振片用以选择双折射晶体的琼斯矩阵元以满足调节要求，两块偏振片之间N个双折射晶体分别独立调节连续波段的三阶色散，采用级联方式放置后可实现对宽光谱三阶色散的调节。
参见图2，图2是双折射晶体的放置与偏振示意图，用于解释调节三阶色散的具体方式。双折射晶体垂直水平面放置，以便于调节晶体的面内旋转角Ф，双折射晶体的厚度为t，选定厚度后可确定该晶体可调节的波段的范围。在具体的实验中，已知系统剩余三阶色散量后，便可通过仿真计算确定所需双折射晶体的面内旋转角Ф的值，调整晶体角度后得到补偿系统剩余三阶色散的状态。
参见图3，图3是特定厚度(图中为1mm)的铌酸锂双折射晶体独立调节1052nm波段附近三阶色散的效果图。通过该图可以看出三阶色散(TOD)仅在1052nm附近有较大的数值，而在其他波段时的值很小，实现了独立控制1052nm附近光谱三阶色散(TOD)的效果。
参见表1，表1是七个厚度在0.3mm～0.9mm间的双折射晶体对不同波段的二、三阶色散最大引入量的表格。
表1
可以看出表中的双折射晶体引入二阶色散(GDD)的量很小，最大值仅为0.01ps2量级，对特定波段引入三阶色散(TOD)的量可以很大，最大可达104ps3，而对其余波段引入三阶色散(TOD)的量也可忽略。利用以上七个不同厚度的双折射晶体实现了独立控制连续的宽约1nm光谱的三阶色散。将七个双折射晶体采用级联的方式排列在光路中，可实现对1050nm～1056nm波段三阶色散(TOD)的调节。此外，通过仿真实验，改变晶体的厚度，也可对其它宽光谱激光系统的三阶色散进行调节。
图4是本发明一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置的应用实施例1的光路图。
所述的波片用于控制进入色散测量装置的能量，以防由于激光能量过大损坏色散测量装置。
所述的第一反射镜、第二反射镜为反射率≥95％的反射镜。
所述的色散测量仪器为Wizzler等色散测量器件。
所述的双折射晶体为铌酸锂晶体、BBO、石英晶体等双折射晶体。
如图所示，待调节宽带光首先通过波片1，接着经过第一反射镜2反射依次通过第一双折射晶体4、第二双折射晶体5、第三双折射晶体6、第四双折射晶体7、第五双折射晶体8、第六双折射晶体9、第七双折射晶体10，每个晶体分别独立调节宽约1nm的连续光谱，采用级联的方式置于光路中，可对宽约7nm光谱的三阶色散进行调节。色散调节完成之后，光束经过第二反射镜12进入色散测量仪器进行剩余高阶色散的测量，以检测系统残余的色散是否被补偿。
本发明针对宽带光引入可满足系统调节要求的三阶色散量，结构较为简单，仅通过旋转双折射晶体的面内旋转角Ф即可改变引入的三阶色散量，并且具备大量程，可正负切换的特点，满足了高能啁啾脉冲放大(CPA)激光系统的剩余色散中包含的高阶项具有动态变化性的特点，并且具有良好的可行性。
Claims (5)
1.一种宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其特征在于，包括偏振态相同的第一偏振片(3)与第二偏振片(11)，以及级联方式排列在该第一偏振片(3)与第二偏振片(11)之间的N个双折射晶体，其中5≤N≤15，通过改变各个双折射晶体面内旋转角，实现超短脉冲三阶色散调节。
2.根据权利要求1所述的宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其特征在于，所述的第一偏振片(3)和第二偏振片(11)用于控制入射光与出射光的偏振方向，要求其具有相同的偏振态，以选择适当的晶体琼斯矩阵元。
3.根据权利要求1所述的宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其特征在于，不同厚度的双折射晶体对不同波段的三阶色散的实现补偿，通过改变晶体的面内旋转角即可改变三阶色散的大小以补偿系统残余的三阶色散量。
4.根据权利要求1或3所述的宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其特征在于，由几何光学计算出激光通过厚度为t，面内旋转角为Ф的双折射晶体引入的相位的表达式ψ(ω)，通常写为泰勒展开形式：
ω的三次项的系数ψ3即为三阶色散(TOD)，且三阶色散(TOD)是晶体厚度t、面内旋转角Ф以及入射光中心波长的函数，晶体厚度t决定其调节三阶色散(TOD)波段范围，而晶体的面内旋转角Ф则影响三阶色散(TOD)的具体数值；
根据已知激光系统的光谱范围以及残余三阶色散的大小，对各个双折射晶体的厚度t以及面内旋转角Ф进行确定。最后把各个特定厚度、面内旋转角的双折射晶体采用级联方式置于光路中进行三阶色散的补偿，当系统残余三阶色散量发生变化时，此时仅需通过调整晶体的面内旋转角Ф即可完成调节。
5.根据权利要求1-4任一所述的宽光谱大量程的超短脉冲三阶色散调节装置，其特征在于，所述N＝7，即第一双折射晶体(4)、第二双折射晶体(5)、第三双折射晶体(6)、第四双折射晶体(7)、第五双折射晶体(8)、第六双折射晶体(9)和第七双折射晶体(10)。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张兴周等: "《现代光纤通信技术》", 31 March 2003 * |
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