CN1322640C - 超短脉冲时间和空间净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种超短脉冲时间和空间净化装置，包括第一1/4波片、聚焦透镜、第二1/4波片和检偏器，其特征是：①所述的第一1/4波片和第二1/4波片为零级1/4波片，二者的快轴方向相互正交；②在所述的聚焦透镜和第二1/4波片之间还有一非线性正色散透明固体材料和镀银凹面反射镜；③所述的镀银凹面反射镜与所述的聚焦透镜位于同一高度，其间距为两者焦距之和并共焦点，所述的非线性正色散透明固体材料固定在一光学滑轨的滑块上并置于聚焦透镜的几何焦点之后。本发明可提高超短脉冲的时间对比度，改善空间模式质量，并且不需要采用额外的色散补偿元件，装置简单易操作。
Description
技术领域
本发明涉及超短脉冲激光，特别是一种超短脉冲时间和空间净化装置，可以同时提高超短脉冲的时间对比度和空间模式，不需要采用额外的色散补偿元件，装置简单易搭建，主要适用于飞秒超短激光脉冲，应用于高强度超快激光技术及超快强场物理研究领域。
背景技术
在过去的几十年中，飞秒激光的产生和应用取得了长足的进展，随着掺钛蓝宝石(Ti：sapphire)锁模激光器及啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现，通过台式化设备获得超强超短激光脉冲成为可能。超强超短激光脉冲是许多基础研究中的重要工具，在激光物理研究领域有着不可替代的作用，比如高次谐波，等离子体通道，阿秒脉冲的产生等都需要高强度的超短激光脉冲作为光源。然而在这些超短激光脉冲的应用中，对脉冲的对比度和空间的模式往往有很高的要求。在强场的情况下，低对比度的卫星脉冲的存在，特别是主脉冲之前的卫星脉冲，会在主脉冲到达之前先破坏靶。一般CPA激光器输出脉冲的对比度＜103，因此在部分实验中需要对超短脉冲进行净化以提高脉冲的对比度。
在先技术中，D.Homoelle等人提供了一种典型的脉冲净化装置(OpticsLetters，Vol.27，No.18，1646-1648，2002)，其光路布置见图1所示。水平偏振的线偏振超短脉冲入射到第一1/4波片1上，第一1/4波片1的快轴方向和入射的超短线偏振脉冲的偏振方向成22.5°，通过第一1/4波片1后，超短脉冲的偏振态变为椭圆偏振，然后通过聚焦透镜2聚焦到毛细管3内。通过毛细管3后脉冲再通过准直透镜4准直再入射到第二1/4波片5上，第二1/4波片5的快轴方向和第一1/4波片1的快轴方向垂直，最后通过检偏器6输出，其快轴方向与入射脉冲偏振方向垂直。由于超短脉冲在毛细管3中产生非线性作用，使得主脉冲的偏振状态发生改变，而由于脉冲强度低，卫星脉冲的偏振状态基本不发生变化，通过第二1/4波片5后卫星脉冲的偏振方向与入射脉冲的偏振方向一致，主脉冲上产生与入射脉冲偏振方向垂直的分量，最后与入射脉冲偏振方向垂直的主脉冲部分通过检偏器6输出，其输出脉冲的对比度得到很大的提高。
在先装置中，主脉冲偏振的改变由通过充惰性气体的毛细管3得到，由于传输过程中的非线性效应的影响，超短脉冲的宽度得到了很大的展宽，甚至分裂，需要额外通过一个色散补偿装置对脉冲进行压缩，这导致整个系统变得比较复杂，效率降低，并且成本增加。另外，由于毛细管3本身的破坏阈值的限制，整个装置不适用于大能量的超短脉冲。
发明内容
本发明为了克服上述在先技术中的不足，提供一种超短脉冲时间和空间净化装置，它应具有同时达到时间净化、压缩脉冲宽度和改善光束空间模式的效果，装置简单，容易搭建，操作方便。
本发明的技术解决方案如下：
一种超短脉冲时间和空间净化装置，在输入的线偏振超短脉冲激光的光路上有：第一1/4波片、聚焦透镜、第二1/4波片和检偏器，该检偏器的光轴方向与所述的入射线偏振超短脉冲激光的偏振方向垂直，所述的第一1/4波片的快轴方向与所述的入射线偏振超短脉冲激光的偏振方向成22.5°，其特征是：
①所述的第一1/4波片和第二1/4波片为零级1/4波片，二者的快轴方向相互正交；
②在所述的聚焦透镜和第二1/4波片之间还有一非线性正色散透明固体材料和镀银凹面反射镜；
③所述的镀银凹面反射镜与所述的聚焦透镜位于同一高度，其间距为两者焦距之和并共焦点，所述的非线性正色散透明固体材料位于聚焦透镜的几何焦点之后；
④所述的非线性正色散透明固体材料固定在一光学滑轨的滑块上，借助该光学滑轨的运动以改变所述的非线性正色散透明固体材料相对于聚焦透镜的几何焦点的距离。
在所述的镀银凹面反射镜和第二1/4波片之间还有一镀银平面反射镜。
所述的非线性正色散透明固体材料为BK7玻璃片。
与在先技术相比，本发明具有以下显著的特点：
(1)利用高能量超短激光脉冲在非线性正色散透明固体材料传输过程中的非线性椭圆旋转和时空自聚焦效应同时达到时间净化，压缩脉冲宽度和改善光束空间模式的效果，装置简单，容易搭建，操作方便。而在先技术基本上都是分时间净化和色散补偿两个步骤完成，其中为精确补偿时间净化过程中带来的线性和高阶色散，往往需要精确设计色散延迟线，例如采用啁啾介质镜甚至自适应光学系统等技术，这大大增大了装置的成本和复杂程度。
(2)在不同入射脉冲能量情况下，只需移动非线性正色散透明固体材料在光路中的位置即可改变入射到所述的非线性正色散透明固体材料上的光强，可避免材料受到破坏，并保持脉冲时间净化，压缩脉宽和改善光束空间模式的效果，因此可以适用于不同能量的入射脉冲，特别是大能量的脉冲。而在先技术中采用的充惰性气体空心光纤的方法调节控制比较困难，而且不同脉冲能量入射时，所需的后继色散补偿元件也需要重新调整。此外在充惰性气体空心光纤内同时保持光束模式和避免气体电离的需要，在先技术对于入射脉冲能量限制在毫焦量级。
(3)因为本发明无需另外的色散补偿脉冲宽度的步骤，脉冲净化总体的系统效率高。而在先技术因为需要格外的色散补偿元件，往往会给系统带来较大的能量损失。
附图说明
图1为在先技术超短脉冲时间净化装置示意图。
图2为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置示意图。
图3为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的入射超短脉冲在对数坐标系下的自相关图形。
图4为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的出射超短脉冲在对数坐标系下的自相关图形。
图5为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的入射超短脉冲在笛卡儿坐标系下的图形。
图6为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的出射超短脉冲在笛卡儿坐标系下的图形。
图7为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的入射光束的空间模式图形。
图8为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的出射光束的空间模式图形。
具体实施方式
下面通过实施例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2，图2为本发明的超短脉冲时间和空间净化装置具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明的超短脉冲时间和空间净化装置的结构：在输入的线偏振超短脉冲激光的光路上有：第一1/4波片7、聚焦透镜8、第二1/4波片13和检偏器14，该检偏器14的光轴方向与所述的入射线偏振超短脉冲激光的偏振方向垂直，所述的第一1/4波片7的快轴方向与所述的入射线偏振超短脉冲激光的偏振方向成22.5°，其特征是：
①所述的第一1/4波片7和第二1/4波片13为零级1/4波片；所述的第一1/4波片7和第二1/4波片13的快轴方向相互正交；
②在所述的聚焦透镜8和第二1/4波片13之间还有一非线性正色散透明固体材料9、镀银凹面反射镜11和镀银平面反射镜12；
③所述的镀银凹面反射镜11与所述的聚焦透镜8位于同一高度，其间距为两者焦距之和并共焦点o，所述的非线性正色散透明固体材料9位于聚焦透镜8的儿何焦点o之后；
④所述的非线性正色散透明固体材料9固定在一光学滑轨10的滑块上，借助该光学滑轨10的运动以改变所述的非线性正色散透明固体材料9相对于聚焦透镜8的几何焦点o的距离。
在本实施例中所述的非线性正色散透明固体材料9由BK7玻璃制成的片。
线偏振的超短脉冲通过第一零级1/4波片7将线偏振光变为椭圆偏振光，其中第一1/4波片的快轴方向与入射脉冲偏振方向成22.5°，然后椭圆偏振光通过长聚焦透镜8聚焦，聚焦后的光束再通过一个镀银凹面镜11准直成平行光束。将一片几毫米厚的BK7玻璃做为非线性正色散固体材料9安置在一个滑块位置可固定的光学滑轨10上，放在聚焦透镜8与镀银凹面镜11之间的光路中，位于透镜几何焦点o之后的一段距离，并使激光光束与该BK7玻璃片9的入射面垂直。激光脉冲在BK7玻璃9中传输时，脉冲高强度部分的偏振态会发生旋转，而低强度部分(脉冲列中存在的基座或者卫星脉冲)偏振态则不发生变化。准值后的光束再通过第二1/4波片13，其快轴方向与第一1/4波片7的快轴方向垂直。经过第二1/4波片13后，脉冲的低强度部分返回到其初始偏振状态，而高强度部分则发生旋转。然后光束再通过一个检偏器14，检偏器14的光轴方向与初始入射脉冲偏振方向垂直，于是一部分高强度脉冲可以通过检偏器14，而其余部分则被去除。通过检偏器14的激光脉冲在时间上可以达到提高脉冲对比度的效果。此外，当入射脉冲的峰值功率大于BK7玻璃9的自聚焦阈值功率时，激光光束在玻璃材料中传输时会产生自聚焦等非线性过程，这种自聚焦效应可使脉冲在时间和空间上自压缩，同时空间自聚焦效应与聚焦透镜8的几何发散共同作用相当于一个空间光阑，使得脉冲较高强度部分向中心会聚，而边缘不规则的低强度部分则在空间上与主体脉冲分离，可以有效的改善光束的空间模式。调节玻璃9在光路中的位置还可改变入射到玻璃9的表面的激光强度，从而改变自聚焦程度的强弱，进而可以调节输出超短脉冲的宽度。所以利用本发明装置不仅可以达到在时间上净化脉冲的作用，而且在无需格外的色散补偿元件下即可得到与输入脉冲宽度一致乃至更短的时间和空间净化后的超短脉冲。其光路布置如图2所示。
第一块零级1/4波片7和第二块零级1/4波片13用于改变脉冲的偏振态，两者快轴方向正交；聚焦透镜8用于聚焦光束；非线性正色散透明固体材料9固定于光学滑轨10的可固定滑块上，放于聚焦透镜8的几何焦点O后一段距离，可在平行于光路的方向上前后移动；镀银凹面反射镜11与聚焦透镜8同一高度，间距约为两者焦距之和，用于准直聚焦光束；镀银平面反射镜12用来改变光路方向；检偏器14的光轴方向与入射线偏振脉冲的偏振方向垂直，用于将净化后的脉冲与废弃脉冲分离。
在本发明技术中，非线性正色散透明固体材料9采用一块几毫米厚的BK7玻璃片，并利用光束在玻璃材料中的非线性椭圆旋转效应在时间上提高脉冲对比度，同时利用超短脉冲在玻璃材料中的自聚焦效应压缩脉宽并改善光束模式，所以入射脉冲的功率需大于BK7玻璃的自聚焦阈值功率约1.8MW，也就是说本技术适用于压缩较高能量飞秒激光脉冲。因为在空气中存在实焦点，所以焦点附近的空气中存在的非线性效应对于脉冲的偏振旋转也有少量的贡献。另外，聚焦透镜8的焦距一般在1-2m，不必限定于某一确定值。为了在BK7玻璃9中保证足够强的非线性效应，入射脉冲强度一般在1011W/cm2量级，所以当待压缩脉冲功率较低时为了达到较大功率密度需选用焦距较短的透镜。对于mJ量级的入射脉冲，BK7玻璃材料厚度一般选择3mm，再大能量的脉冲可选择稍薄的材料。玻璃材料固定于二维光学调整架上，光束与材料入射面垂直，二维调整架与一维光学滑轨连接。为了有足够的活动范围，滑轨长度一般在200mm左右。此外要求滑轨上的滑块在选定位置后可固定，以避免在实验中带来不确定因素。
上述超短脉冲时间和空间净化装置的具体使用步骤如下所述：(1)首先水平偏振的超短激光脉冲入射到第一1/4波片7上，该1/4波片7的快轴方向与入射脉冲的偏振方向成22.5°。(2)通过1/4波片7后，超短脉冲的偏振态变为椭圆偏振，然后通过聚焦透镜8聚焦。(3)非线性正色散透明固体材料9固定在光学滑轨10的滑块上，放于透镜的几何焦点O后一段距离，超短脉冲在固体材料9内传输时的非线性椭圆旋转效应使得脉冲高强度部分的偏振态发生旋转，而强度较低的脉冲底座以及卫星脉冲的偏振状态则基本不发生变化。同时超短脉冲在固体材料9中的自聚焦效应可使脉冲在时间和空间上自压缩，并改善光束空间质量。(4)透过非线性正色散透明固体材料9后光束由一个镀银凹面反射镜11准直，镀银凹面反射镜11的焦点和入射的超短脉冲通过的焦点o一致。(5)准直后的光束反射到镀银平面反射镜12上。(6)镀银平面反射镜12将准直光束反射到第二1/4波片13上，该1/4波片13的快轴方向与第一1/4波片7的快轴方向垂直。(7)经过第二波片13后光束再通过检偏器14将净化脉冲与废弃脉冲分开，检偏器14的光轴方向与入射线偏振超短脉冲的偏振方向垂直。(8)改变透明固体材料9距离聚焦透镜8的几何焦点o的位置可以调节脉冲在材料内非线性效应的强弱，从而使得脉冲宽度得到不同程度的自压缩，无需额外的色散补偿装置来压缩脉冲。
本发明的超短脉冲时间和空间净化基本原理是，椭圆偏振的超短激光脉冲在非线性正色散透明固体材料9中传播时会产生非线性椭圆旋转效应，可改变入射激光的偏振态，这种非线性效应是与入射激光强度成指数关系的，而当第一个零级1/4波片的快轴方向与入射的线偏振激光的偏振方向成22.5°时得到椭圆偏振光的偏振旋转效率最佳。这种椭圆偏转效应的强度相关特性使得脉冲峰值附近的高强度部分发生旋转，而低强度的脉冲底座及卫星脉冲的偏振态则基本上没有变化。然后激光脉冲再经过一个零级1/4波片使得脉冲中偏振态没有变化的部分恢复到原来的偏振态，而产生非线性椭圆旋转的高强度部分则与原偏振态发生偏转，此时再经过一个偏振器作为检偏元件可将一部分高强度脉冲与其余部分分离，从而达到提高脉冲对比度的目的。不同于以往的整形方法，在本装置中引入正色散透明固体材料不仅可以达到净化时域脉冲的目的，超短脉冲在正色散材料中的自聚焦过程以及随之产生的等离子体作用还会造成脉冲宽度压缩；此外，装置中采用发散光束入射到固体材料可在压缩脉宽的同时实现对脉冲的空间模式改善。
本发明具体实施例：入射的线偏振超短激光脉冲宽度约63fs，中心波长800nm，光谱宽度约21nm，重复频率1kHz，入射脉冲功率为195mW。非线性正色散透明固体材料9选用3mm厚的BK7玻璃片，固定在行程为200mm的光学精密滑轨10上，然后放于聚焦透镜8几何焦点后约100mm处。聚焦透镜8的焦距为1.5m，镀银凹面反射镜11焦距为0.75m，距聚焦透镜8约2.25m，检偏器14的消光比大于106。对于从图2所示的超短脉冲时间和空间净化的装置中输出的脉冲，用自相关仪可同时测量其脉冲宽度和对比度，采用CCD测量输入脉冲和输出脉冲的空间模式。输入脉冲的对比度大约为10(图3)，脉冲宽度大约为63fs(图5)，脉冲横截面上能量分布不是很好的高斯型，边缘部位有些不规则(图7)；输出脉冲的对比度得到明显改善，观察不到卫星脉冲，限于测量的精度，可以得到输出脉冲的对比度大于100(图4)，脉冲宽度大约为57fs(图6)，比入射脉冲宽度略小，输出脉冲横截面上能量分布如图8所示，具有较好的高斯形状。入射脉冲平均功率为195mW，经过第二1/4波片13后总光束平均功率为137.5mW，总能量通过率约为70.5％；其中净化脉冲效率约为10％，整个装置效率约为6.5％，其中由于装置中部分光学元件没有镀增透膜，导致整个系统镜面反射损耗为31％。
Claims (3)
1、一种超短脉冲时间和空间净化装置，在输入的线偏振超短脉冲激光的光路上有：第一1/4波片(7)、聚焦透镜(8)、第二1/4波片(13)和检偏器(14)，该检偏器(14)的光轴方向与所述的入射线偏振超短脉冲激光的偏振方向垂直，所述的第一1/4波片(7)的快轴方向与所述的入射线偏振超短脉冲激光的偏振方向成22.5°，其特征是：
①所述的第一1/4波片(7)和第二1/4波片(13)为零级1/4波片，二者的快轴方向相互正交；
②在所述的聚焦透镜(8)和第二1/4波片(13)之间还有一非线性正色散透明固体材料(9)和镀银凹面反射镜(11)；
③所述的镀银凹面反射镜(11)与所述的聚焦透镜(8)位于同一高度，其间距为两者焦距之和并共焦点(o)，所述的非线性正色散透明固体材料(9)位于聚焦透镜(8)的几何焦点(o)之后；
④所述的非线性正色散透明固体材料(9)固定在一光学滑轨(10)的滑块上。
2、根据权利要求1所述的超短脉冲时间和空间净化装置，其特征是在所述的镀银凹面反射镜(11)和第二1/4波片(13)之间还有一镀银平面反射镜(12)。
3、根据权利要求1或2所述的超短脉冲时间和空间净化装置，其特征是所述的非线性正色散透明固体材料(9)为BK7玻璃片。
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| PULSE CONTRAST ENHANCEMENT OF HIGE-ENERGYPULSES BY USE OF A GAS-FILLED HOLLOWWAVEGUIDE D.HOMOELLE AND ALEXANDER L.GAETA,OPTICS LETTERS,Vol.27 No.18 2002 * |
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