CN1811572A - 提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置 - Google Patents
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Abstract
一种光学技术领域的提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置。本发明中，激光从激光器传输光纤出射，经过扩束整形器后转换成平行光束，非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱镜中间的偏振分光面上，反射光束和透射光束均为线偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直，线偏振的透射光束和线偏振的反射光束分别在偏振分光棱镜垂直相邻的两表面出射，然后分别通过一个1/4λ波片被转换为圆偏振光，圆偏振的透射光束直接入射到光泵室，圆偏振的反射光束经过反射镜或者反射镜组反射到光泵室内。本发明可以将激光能量的利用率提高30％－80％，且结构简单，可操作性强。由于降低了光热效应对光学器件的损伤，本发明可以用于高功率激光情况。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学技术领域的装置，特别是一种提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置。
背景技术
许多技术领域都涉及到高功率的偏振激光光源，偏振激光可以用来对一些物质进行光学泵浦以提高物质的极化度。例如，采用自旋交换激光泵浦的方法获得超极化惰性气体，超极化惰性气体可以用于生物医学及其它领域空腔结构的核磁共振成像检测。自旋交换激光泵浦方法获得超极化气体的原理是：非偏振激光转换为线偏振光；线偏振光再转换为圆偏振光；圆偏振激光被导入到充满待极化物质如铷、钠、钾等碱金属蒸汽和惰性气体(3He、129Xe)的光学泵浦容器内；与碱金属蒸气吸收光谱相同波长范围的圆偏振激光光子将自身的角动量传递给碱金属原子，从而将碱金属原子极化；通过超精细相互作用，碱金属原子和惰性气体原子之间发生自旋交换，结果导致惰性气体原子被极化，从而获得超极化的惰性气体。
经对现有技术的文献检索发现，普通激光器出射激光一般为部分偏振激光，为了得到泵浦所需的圆偏振光，Jason C Leawoods等人在《Concepts inMagnetic Resonance》(磁共振概念)Vol.13(5)277-293(2001)上发表的文章“Hyperpolarized 3He Gas Production and MR Imaging of the Lung”(超极化3He气体的制备及肺部核磁共振成像)，该文中采用的光路为：激光源为高功率二极管阵列激光器，出射激光通过透镜组扩束整形为平行光束；平行光束通过一个偏振片，非偏振激光转换为线偏振光；线偏振光再通过一个1/4λ波片，1/4λ波片的光轴与线偏振光光矢量的振动方向之间的夹角为+45°或-45°，从而获得圆偏振光。其不足之处在于：光波通过偏振片时，光波正交偏振分量之一几乎完全透射出射成为线偏振光；而另一个偏振分量的激光被偏振片吸收。在这种光路设计下，激光器的出射能量没有被完全利用，如果激光器出射激光偏振度为0，则可以计算出由于偏振片的损耗，损失的能量为50％，也就是说只有一半的激光能量被用来转换为圆偏振光对工作物质进行泵浦。由于偏振片对能量的选择吸收，会发生严重的光热反应对光学器件造成损伤，现有技术不适用于大功率激光情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，使其能够适用于大功率激光情况。本发明用偏振分光棱镜替代偏振片，充分利用了非偏振光源互相垂直的两个偏振分量的激光能量，提高了激光泵浦极化气体的效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：扩束整形器、偏振分光棱镜、1/4λ波片、反射镜或者反射镜组。扩束整形器设置于激光光源后；偏振分光棱镜设置于扩束整形器后；两个1/4λ波片分别设置于入射光和反射光出射的两个偏振分光棱镜表面后；反射镜或者反射镜组设置于反射光的光路上。激光从激光器传输光纤出射，经过扩束整形器后转换成平行光束。非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱镜中间的偏振分光面上，反射光束和透射光束均为线偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直。线偏振的透射光束和线偏振的反射光束分别在偏振分光棱镜垂直相邻的两表面出射，然后分别通过一个1/4λ波片被转换为圆偏振光。圆偏振的透射光束直接入射到光泵室。圆偏振的反射光束经过反射镜或者反射镜组反射到光泵室内。
所述的扩束整形器将光束整形为平行光束，并且光束直径与光泵浦室的直径相等。
所述的偏振分光棱镜，其几何中心轴与扩束整形器光轴重合。
所述的1/4λ波片，其光轴与各自穿过的线偏振光的偏振方向成45°夹角。
所述的反射镜或者反射镜组将偏振分光棱镜反射出来的光束反射到光泵室内。反射镜或者反射镜组的摆放位置和角度应尽量使反射光束与透射光束夹角更小、交叠区域更大。
所述的反射镜组，其包含的反射镜的数量为单数，以保证通过半波损失作用将反射光束的偏振态转换为与透射光束的偏振态一致。
本发明工作时，波长与待泵浦物质吸收谱线相对应的激光从激光器传输光纤出射，出射激光通常具有一定的发散角，光波经过扩束整形器后转换成一束平行光束，光束直径与光泵浦室的直径相等，以使光泵浦室得到均匀照射。平行光束垂直入射到一个偏振分光棱镜内。偏振分光棱镜由一对直角棱镜胶合而成，其中一块棱镜的斜面上镀有多层介质偏振分光膜。非偏振光垂直入射到偏振分光棱镜中间的偏振分光面上，反射光束和透射光束均为线偏振光，而且两束光的偏振方向互相垂直。线偏振的透射光束和线偏振的反射光束分别在偏振分光棱镜垂直相邻的两表面出射。线偏振的透射光束从偏振分光棱镜出射后经过一个1/4λ波片，1/4λ波片的光轴与线偏振光光矢量的振动方向之间夹角为45°，线偏振光被转换为圆偏振光直接入射到光泵室内对待泵浦物质进行光学泵浦。线偏振的反射光束从偏振分光棱镜出射后经过一个1/4λ波片，1/4λ波片的光轴与线偏振光光矢量的振动方向之间夹角为45°，则线偏振光被转换为圆偏振光并且偏振态与透射光束的偏振态相反，圆偏振激光束经过反射镜反射到光泵室内，由于有反射镜的半波损失作用，反射光的偏振态将被转换为与透射光完全相同。反射镜或者反射镜组的摆放位置和角度应尽量使反射光束与透射光束夹角更小、交叠区域更大。若选用反射镜组则反射镜的数量为单数，以保证反射光束和透射光束最终的偏振态一致。反射光束与透射光束一起对待泵浦物质进行光学泵浦。由于一个偏振分量的激光被透射而另一个偏振分量的激光被反射，偏振分光棱镜线几乎不吸收光能，不会产生很严重的光热效应，可以应用于高功率激光情况。
本发明的有益效果是：充分利用了非偏振光源互相垂直的两个偏振分量的激光能量，将两个不同偏振态的线偏振激光转换为相同偏振态的圆偏振光共同作用于待泵浦物质，极大的提高了泵浦激光能量的利用率。根据激光源偏振度的不同，本发明可以将激光能量的利用率提高30％-80％。由于降低了光热效应对光学器件的损伤，本发明可以用于高功率激光情况。本发明结构简单，可操作性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：扩束整形器1、偏振分光棱镜2、1/4λ波片3、反射镜4。扩束整形器1设置于激光光源5后；偏振分光棱镜2设置于扩束整形器1后；两个1/4λ波片3分别设置于偏振分光棱镜2的透射光和反射光出射的两个平面后；反射镜或者反射镜组4设置于反射光的光路上。激光从激光器传输光纤5出射，经过扩束整形器1后转换成平行光束。非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱镜2中间的偏振分光面上，反射光束和透射光束均为线偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直。线偏振的透射光束和线偏振的反射光束分别在偏振分光棱镜2垂直相邻的两表面出射，然后分别通过1/4λ波片3被转换为圆偏振光。圆偏振的透射光束直接入射到光泵室6，圆偏振的反射光束经过反射镜或者反射镜组4反射到光泵室内。图1中，实线表示沿光轴传播的光，为了对整个光束的传播途径能够更清楚的理解，用虚线表示非光轴传播的光。
所述的扩束整形器1将光束整形为平行光束且光束直径与光泵浦室6的直径相等。
所述的偏振分光棱镜2，其几何中心轴与扩束整形器1光轴重合。
所述的两个1/4λ波片3，其光轴与各自穿过的线偏振光偏振方向成45°夹角。
所述的反射镜或者反射镜组4将偏振分光棱镜2反射出来的光束反射到光泵浦室6内，其摆放位置和角度尽可能使偏振分光棱镜2反射出来的光束与偏振分光棱镜2透射出来的光束夹角更小、交叠区域更大。
所述的反射镜组4，其包含的反射镜的数量应为单数，以保证通过半波损失作用将反射光束的偏振态转换为与透射光束的偏振态一致。
Claims (6)
1.一种提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，包括：扩束整形器(1)、偏振分光棱镜(2)、1/4λ波片(3)、反射镜或者反射镜组(4)，其特征在于，扩束整形器(1)设置于激光光源后，偏振分光棱镜(2)设置于扩束整形镜(1)后，两个1/4λ波片(3)分别设置于偏振分光棱镜(2)的透射光和反射光出射的两个平面后，反射镜或者反射镜组(4)设置于反射光的光路上，激光从激光器传输光纤(5)出射，经过扩束整形器(1)后转换成平行光束，非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱镜(2)中间的偏振分光面上，反射光束和透射光束均为线偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直，线偏振的透射光束和线偏振的反射光束分别在偏振分光棱镜(2)垂直相邻的两表面出射，然后分别通过1/4λ波片(3)被转换为圆偏振光，圆偏振的透射光束直接入射到光泵室(6)，圆偏振的反射光束经过反射镜或者反射镜组(4)反射到光泵室内。
2.根据权利要求1所述的提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，其特征是，所述的扩束整形镜(1)将光束整形为平行光束且光束直径与光泵浦室的直径相同。
3.根据权利要求1所述的提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，其特征是，所述的偏振分光棱镜(2)的几何中心轴与扩束整形镜(1)光轴重合。
4.根据权利要求1所述的提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，其特征是，所述的两个1/4λ波片(3)，其光轴与各自穿过的线偏振光偏振方向成45°夹角。
5.根据权利要求1所述的提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，其特征是，所述的反射镜或者反射镜组(4)将偏振分光棱镜(2)反射出来的光束反射到光泵室(6)内，其设置位置和角度尽可能使偏振分光棱镜(2)反射出来的光束与偏振分光棱镜(2)透射出来的光束夹角更小、交叠区域更大。
6.根据权利要求1或者5所述的提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置，其特征是，所述的反射镜组(4)，其包含的反射镜的数量为单数，以保证通过半波损失作用将反射光束的偏振态转换为与透射光束的偏振态一致。
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| CN 200510111227 CN1811572A (zh) | 2005-12-08 | 2005-12-08 | 提高激光泵浦超极化气体泵浦效率的装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN106842605A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-06-13 | 中国科学技术大学 | 基于偏振分光镜的分光装置 |
| CN109273979A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-01-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于圆偏振光极化泵浦的碱金属蒸气激光器及出光方法 |
| CN110609055A (zh) * | 2018-06-15 | 2019-12-24 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种超极化稀有惰性气体发生装置 |
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2005
- 2005-12-08 CN CN 200510111227 patent/CN1811572A/zh active Pending
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