CN201032510Y - 超短脉冲激光滤波装置 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲激光滤波装置，其特点是由同光轴依次设置的第一1/4波片、第一正透镜、小孔光阑、非线性正色散透明固体材料、第二正透镜、第二1/4波片和检偏器构成，所述的第一正透镜与第二正透镜的间距为两焦距之和并共焦点，所述的小孔光阑位于第一正透镜的焦点，第一1/4波片的快轴方向与入射的线偏振超短脉冲的偏振方向成22.5°，所述的非线性正色散透明固体材料安装在所述的滑块上，第一1/4波片和第二1/4波片为零级1/4波片，且其快轴方向相互正交，所述的检偏器的光轴方向与入射的线偏振超短脉冲的偏振方向相互垂直。本实用新型可以消除激光的空间不均匀性、提高超短脉冲的时间对比度，具有结构简单、光路调节方便的优点。

Description

超短脉冲激光滤波装置

技术领域

本实用新型涉及超短激光脉冲，特别是一种超短脉冲激光滤波装置，它可以实现飞秒级高功率超短脉冲激光的空间滤波和时间滤波，提高脉冲质量，从而得到高时空分辨的激光脉冲。

背景技术

当今世界，从生产生活、科学研究到国家安全的各个领域，超短脉冲激光都得到了广泛的应用，超短脉冲激光放大技术目前已经成为激光技术的研究热点之一。超短脉冲激光技术中的一个最引人注目的成就是啁啾脉冲放大技术(以下简称为CPA)的迅速发展。CPA技术产生的超短超强脉冲激光开辟了多种强场科学领域，特别值得一提的是近年来成为研究热点的惯性约束聚变(ICF)快点火技术。在这些应用中，对作为光源的超短脉冲质量往往有很高的要求，而CPA技术产生的激光时间对比度<10³，且存在由于衍射和非线性效应而产生的空间高频调制。因此，要获得高质量的超短脉冲强激光就需要对脉冲进行净化。

在先技术1，D.Homoelle等人提出了利用填充惰性气体的空心光纤来提高高强度超短脉冲对比度的方法(“Pulse contrast enhancement ofhigh-energy pulses byuseof a gas-filled hollow waveguide”Optics Letters，Vo1.27，NO.18，1646-1648，2002)；在先技术2，陈晓伟等人提出了利用非线性正色散固体透明材料来到达提高脉冲对比度(“超短脉冲时间和空间净化装置”，发明专利，2005.11.23，CN1700536A)，并可同时压缩脉冲的目的。

图1是D.Homoelle等人利用填充惰性气体的空心波导来提高高强度超短脉冲对比度的光路图。水平偏振的超短脉冲入射到第一1/4波片1上，第一1/4波片1的快轴方向和入射超短脉冲的偏振方向成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，然后通过第一正透镜2聚焦入射到充满惰性气体的波导3内。从波导3中出射的超短脉冲再通过准直透镜4入射到快轴方向垂直于第一1/4波片1的第二1/4波片5上，最后通过检偏器6输出，检偏器6的快轴方向与入射超短脉冲的偏振方向垂直。椭圆偏振的超短脉冲在惰性气体中传播时会产生非线性椭圆旋转效应，使脉冲峰值附近的高强度部分发生偏转，而低强度的脉冲底座及卫星脉冲的偏振态则基本不变，当脉冲经过第二1/4波片5和检偏器6时，只有与入射脉冲偏振方向垂直的主脉冲部分输出，而与入射脉冲偏振方向一致的卫星脉冲则被滤掉。

在这个装置中，脉冲通过惰性气体时，由于非线性效应的影响，超短脉冲的宽度得到很大的展宽，甚至分裂，因而需要额外的色散补偿装置，这就增加了装置的复杂度和成本。另外为了保持光束模式和避免气体电离，入射脉冲能量只能限制在毫焦耳量级。

图2是陈晓伟等人发明的超短脉冲时间和空间净化装置示意图。

这个装置将在先技术1中的充有惰性气体的空心波导换成了非线性正色散透明固体材料9，这样既可以达到时间净化、压缩脉冲的目的，又省去了额外的色散补偿装置。但其采用了两个反射镜增加了系统的反射损耗。

发明内容

本实用新型的目的就是要弥补上述在先技术的不足，提供一种超短脉冲滤波装置，该装置应具有同时达到时间净化、压缩脉冲宽度和空间滤波的效果，且具有结构简单、调节方便的优点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种超短脉冲激光滤波装置，其特点是由同光轴依次设置的第一1/4波片、第一正透镜、小孔光阑、非线性正色散透明固体材料、第二正透镜、第二1/4波片和检偏器构成，所述的第一正透镜与第二正透镜的间距为两焦距之和并共焦点，所述的小孔光阑位于第一正透镜的焦点，第一1/4波片的快轴方向与入射的线偏振超短脉冲的偏振方向成22.5°，所述的非线性正色散透明固体材料安装在滑块上，该滑块固定在光学滑轨上，第一1/4波片和第二1/4波片为零级1/4波片，且其快轴方向相互正交，所述的检偏器的光轴方向与入射的线偏振超短脉冲激光的偏振方向相互垂直。

所述的非线性正色散透明固体材料位于第一正透镜的几何焦点之后。

由所述的非线性正色散透明固体材料为BK7玻璃。

本实用新型超短脉冲激光滤波装置的工作原理如下：

一椭圆偏振的超短脉冲激光在非线性正色散透明固体材料中传播时会产生非线性椭圆旋转效应，改变入射激光的偏振态，这种非线性效应与入射激光的强度成指数关系。当第一零级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，得到的椭圆偏振光的偏振旋转效率最佳。这种椭圆旋转效应，使脉冲峰值附近的高强度部分发生偏转，而低强度的脉冲底座及卫星脉冲的偏振态则基本不变。然后脉冲再经过第二1/4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效应的高强度部分则与原偏振态发生偏转，最后用检偏器将脉冲的高强度部分与其余部分分离，从而提高超短脉冲的时间对比度。而且在脉冲通过非线性正色散透明固体材料时还会由于自聚焦作用以及随之产生的等离子体作用而产生脉冲宽度压缩。此外，位于第一正透镜几何焦点处的小孔光阑可起到空间滤波的作用，从而改善高功率超短脉冲激光的空间调制，使时间滤波与空间滤波同步完成，大大提高超短脉冲质量。

本实用新型的技术效果如下：

1、本实用新型利用高功率超短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效应和时空自聚焦效应，以及小孔光阑的空间滤波效果同时达到增强时间对比度、压缩脉冲和改善空间调制的作用。整个装置简单、搭建容易、调整方便，比在先技术能达到更好的空间调制效果。

2、本系统无需另外的色散补偿和反射装置，可大大减少系统的能量损失。

附图说明

图1是在先技术1的利用填充惰性气体的空心波导来提高高强度超短脉冲对比度的光路示意图。

图2是在先技术2的超短脉冲时间和空间净化装置示意图。

图3是本实用新型的超短脉冲滤波装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

先请参阅图3，图3是本实用新型的超短脉冲滤波装置示意图。由图可见，本实用新型超短脉冲滤波装置的构成包括第一1/4波片15、第一正透镜16、小孔光阑17、非线性正色散透明固体材料18、固定在光学滑轨上的滑块19、第二正透镜20、第二1/4波片21和检偏器22，其位置关系是：当一水平偏振的超短脉冲激光通过第一1/4波片15后，偏振态变为椭圆偏振，然后由第一正透镜16聚焦穿过小孔光阑17入射到非线性正色散透明固体材料18中，其出射的脉冲再通过第二正透镜20入射到第二1/4波片21，最后由检偏器22输出。

所述的第一1/4波片15的快轴方向与入射的线偏振超短脉冲的偏振方向成22.5°。

所述的第一1/4波片15和第二1/4波片21为零级1/4波片，且其快轴方向相互正交。

所述的第一正透镜16与第二正透镜20位于同一高度，其间距为两者焦距之和并共焦点。所述的小孔光阑17位于第一正透镜16的几何焦点处。

所述的非线性正色散透明固体材料18位于第一正透镜16的几何焦点之后并安装在一光学滑轨19上，借助该光学滑轨19的运动来改变所述的非线性正色散透明固体材料18相对于第一正透镜16的几何焦点的距离。

所述的检偏器22的光轴方向与入射的线偏振超短脉冲的偏振方向相互垂直。

水平偏振的超短脉冲入射到第一1/4波片上15，第一1/4波片15的快轴方向和入射超短脉冲的偏振方向成22.5°，通过第一1/4波片15后，超短脉冲的偏振态由水平方向的线偏振变为椭圆偏振，然后由第一正透镜16聚焦穿过小孔光阑17进行空间滤波后垂直入射到非线性正色散透明固体材料18中，小孔光阑位于第一正透镜16的几何焦点处，通过空间滤波可达到改善激光脉冲的高频空间调制的效果。非线性正色散透明固体材料18安装在一光学滑轨19上位于第一正透镜16的几何焦点之后，在入射不同能量大小的脉冲时，可以借助该光学滑轨19的运动改变非线性正色散透明固体材料18相对于第一正透镜16的几何焦点的距离，从而避免材料受到破坏。从非线性正色散透明固体材料18中出射的超短脉冲再通过第二正透镜20准直成平行光束入射到快轴方向垂直于第一1/4波片16的第二1/4波片21上，最后通过光轴方向与入射超短脉冲的偏振方向垂直的检偏器22输出。椭圆偏振的超短脉冲在非线性正色散透明固体材料18中传播时会产生非线性椭圆旋转效应，使脉冲峰值附近的高强度部分发生偏转，而低强度的脉冲底座及卫星脉冲的偏振态则基本不变，当脉冲经过第二1/4波片21和检偏器22时，只有与入射脉冲偏振方向垂直的主脉冲部分输出，而与入射脉冲偏振方向一致的卫星脉冲则被滤掉，从而达到提高脉冲的时间对比度的效果。而且在脉冲通过非线性正色散透明固体材料18时还会由于自聚焦作用以及随之产生的等离子体作用，脉冲宽度压缩。在本实用新型中，非线性正色散透明固体材料18为一块几毫米厚的BK7玻璃，为了利用超短脉冲在玻璃中的自聚焦效应压缩脉宽，就要使入射脉冲功率大于BK7玻璃的自聚焦阈值功率1.8MW，通常入射脉冲强度在10¹¹W/cm²。

本实用新型利用高功率超短脉冲在非线性正色散透明固体材料18传输过程中的非线性椭圆旋转效应和时空自聚焦效应，以及小孔光阑17的空间滤波效果同时达到增强时间对比度、压缩脉冲和改善空间调制的作用，且无需另外的色散补偿和反射装置，大大减少系统的能量损失，整个装置具有结构简单、搭建容易、调整方便的优点。

Claims (3)

1.一种超短脉冲激光滤波装置，其特征在于由同光轴依次设置的第一1/4波片(15)、第一正透镜(16)、小孔光阑(17)、非线性正色散透明固体材料(18)、第二正透镜(20)、第二1/4波片(21)和检偏器(22)构成，所述的第一正透镜(16)与第二正透镜(20)之间距为两焦距之和并共焦点，所述的小孔光阑(1 7)位于第一正透镜(16)的焦点，所述的第一1/4波片(15)的快轴方向与入射的线偏振超短脉冲激光的偏振方向成22.5°，所述的非线性正色散透明固体材料(18)固定在一滑块(19)上，该滑块(19)可在一光学滑轨上移动固定，所述的第一1/4波片(15)和第二1/4波片(21)为零级1/4波片，且其快轴方向相互正交，所述的检偏器(22)的光轴方向与入射的线偏振超短脉冲激光的偏振方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光滤波装置，其特征在于所述的非线性正色散透明固体材料(18)位于第一正透镜(16)的几何焦点之后。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲激光滤波装置，其特征在于所述的非线性正色散透明固体材料(18)为BK7玻璃。

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