CN217934551U - 一种超短激光脉冲串的产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，包括：激光器，用于产生所需波长的单个激光脉冲；脉冲串分割合成器件，用于将所述单个激光脉冲进行分割—延时—合成形成脉冲间隔相等的多个激光脉冲串。本实用新型采用分割‑延时‑合成技术，解决了线宽为百飞秒到皮秒量级的激光，在保证单脉冲能量在mJ量级的情况下，能够产生纳秒脉冲间隔、能量大小均等激光脉冲串，解决了高能电子多幅动态成像中纳秒脉冲间隔、能量大小均等脉冲串难以获得的问题，可以广泛应用于超短激光脉冲串的产生。

Description

一种超短激光脉冲串的产生装置

技术领域

本实用新型是关于一种超短激光脉冲串的产生装置，涉及电子加速器领域。

背景技术

高能电子成像分辨率已经达到微米量级，单发成像时间分辨可到皮秒量级，高能电子成像装置已成为高能量密度物质诊断的利器。根据产生电子机制的不同，高能电子成像装置的注入器可以分为热阴极注入器和光阴极注入器。热阴极注入器是通过对阴极材料加热致使材料表面原子的外层电子挣脱束缚而溢出，光阴极注入器是选择合适波长的激光脉冲照射金属或者半导体阴极通过光电效应产生电子。与热阴极注入器相比，光阴极注入器的特点是：其产生的电子束团脉冲宽度取决于激光脉冲宽度；电子束团间隔取决于激光脉冲间隔；电子束团能量大小取决于激光单脉冲能量和光阴极材料，即光阴极注入器产生的电子束的时间结构和特性由驱动激光控制。利用这种特性，通过控制激光束可以获得高能量密度物质内部超高清的动态演化图像。

目前，百飞秒到皮秒脉宽、mJ单脉冲能量、单脉冲能量均等的激光技术比较成熟，相应的激光器产品已经在商用，其作为光阴极注入器，脉冲宽度是满足高能量密度物质成像的要求的。然而，其脉冲间隔一般只能到ms至μm量级，要获得高能量密度物质内部超高清的动态演化图像，需要产生ns量级的脉冲间隔。直接改变脉冲间隔会使得激光单脉冲能量降低好几个数量级。显然，直接用激光器产生的脉冲串实现高能量密度物质动态成像是行不通的。

综上，实现高能量密度物质多幅动态成像的难点在于对线宽在百飞秒到皮秒量级的激光，在保证单脉冲能量在mJ量级的情况下，如何能够获得纳秒脉冲间隔、能量大小均等的激光脉冲串。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种能够产生纳秒间隔且能量大小均等激光脉冲串的超短激光脉冲串的产生装置

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种超短激光脉冲串的产生装置，包括：

激光器，用于产生所需波长的单个激光脉冲；

脉冲串分割合成器件，用于将所述单个激光脉冲进行分割—延时—合成形成脉冲间隔相等的多个激光脉冲串。

进一步地，根据所需要获得的激光脉冲串的个数，设置所述脉冲串分割合成器件的数量为一个以上，当所述脉冲串分割合成器件设置为n个，产生激光脉冲串的个数为2ⁿ。

进一步地，所述脉冲串分割合成器件包括第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一中性密度片、第一反射镜和第二反射镜；从所述激光器中出射的单个激光脉冲的圆偏振光发射到所述第一偏振分光棱镜分为两束偏振光，P偏振光通过所述第一中性密度片衰减后发射到所述第二偏振分光棱镜；S偏振光依次经过所述第一反射镜和所述第二反射镜发射到所述第二偏振分光棱镜，经过反射后的S偏振光和P偏振光在同一个方向上传播，单个激光脉冲被分割为两个单脉冲激光串。

进一步地，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第一反射镜、第二反射镜的距离为P偏振光和S偏振光之间的光程差，通过调节此光程差的大小，能够实现对脉冲间隔的调节。

进一步地，所述脉冲串分割合成器件数量设置为两个，用于产生四个激光脉冲串，其中，第一脉冲串分割合成器件的两偏振分光棱镜与两反射镜的距离设为L，第二脉冲串分割合成器件的两偏振分光棱镜与两反射镜的距离设为2L，产生的四个脉冲串之间的脉冲间隔均为

进一步地，L为0.75m，则产生的四个脉冲串之间的脉冲间隔均为5ns。

进一步地，还包括1/4波片，使得入射到脉冲串分割合成器件的激光脉冲为圆偏振光。

进一步地，还包括光阴极，用于吸收激光脉冲串，产生同样时间结构的电子束脉冲串。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下特点：本实用新型采用分割-延时-合成技术，解决了线宽为百飞秒到皮秒量级的激光，在保证单脉冲能量在mJ量级的情况下，能够产生纳秒脉冲间隔、能量大小均等激光脉冲串，解决了高能电子多幅动态成像中纳秒脉冲间隔、能量大小均等脉冲串难以获得的问题，可以广泛应用于超短激光脉冲串的产生。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例的超短激光脉冲串产生装置的光路结构示意图。

具体实施方式

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本实用新型提供的超短激光脉冲串的产生装置，包括：激光器，用于产生所需波长的单个激光脉冲；脉冲串分割合成器件，用于将单个激光脉冲进行分割—延时—合成形成脉冲间隔相等的多个激光脉冲串。本实用新型采用分割-延时-合成技术，解决了线宽为百飞秒到皮秒量级的激光，在保证单脉冲能量在mJ量级的情况下，能够产生纳秒脉冲间隔、能量大小均等激光脉冲串，解决了高能电子多幅动态成像中纳秒脉冲间隔、能量大小均等脉冲串难以获得的问题，可以广泛应用于超短激光脉冲串的产生。

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实施例提供的超短激光脉冲串的产生装置，包括：激光器和脉冲串分割合成器件；

激光器，用于产生所需波长的一个激光脉冲，

至少一个脉冲串分割合成器件，用于将激光脉冲进行分割—延时—合成形成脉冲间隔相等的多个脉冲串。

在一个优选的实施例中，脉冲串分割合成器件包括第一偏振分光棱镜PBS1、第二偏振分光棱镜PBS2、第一中性密度片ND1、第一反射镜M1和第二反射镜M2；其中，偏振分光棱镜用于将一束圆偏振光的水平偏振和垂直偏振分开，其中，P偏振光完全通过，S偏振光以45°角被反射，出射方向与P偏振光成90°角；反射镜用于改变偏振分光棱镜中出射S偏振光的传输方向，通过改变反射镜到偏振分光棱镜的距离，从而调节经过反射镜的光束的光程；中性密度片用于将透过偏振分光棱镜的光强衰减，使得P偏振光和S偏振光能量透过率相等。

从激光器中出射的单个激光脉冲的圆偏振光发射到第一偏振分光棱镜PBS1分为两束偏振光，P偏振光通过第一中性密度片ND1衰减后发射到第二偏振分光棱镜PBS2；S偏振光经过第一反射镜M1和第二反射镜M2反射后发射到第二偏振分光棱镜PBS2，其反射方向和P偏振光透射方向相同，经过反射后S偏振光和P偏振光在同一个方向上传播，此时单个脉冲激光被分割为两个单脉冲激光串，第一偏振分光棱镜PBS1、第二偏振分光棱镜PBS2和第一反射镜M1、第二反射镜M2的距离为P偏振光和S偏振光之间的光程差，通过调节此光程差的大小，便可以实现对脉冲间隔的调节。

在一个优选的实施例中，设置脉冲串分割合成器件的数量为一个以上，当所述脉冲串分割合成器件设置为n个，产生激光脉冲串的个数为2ⁿ。如果需要产生多个脉冲串可以设置多个脉冲串分割合成器件，例如如果需要产生四个脉冲串，则包括两个脉冲串分割合成器件，第一脉冲串分割合成器件出射的两个激光脉冲串发送到第二脉冲串分割合成器件产生四个激光脉冲串，以此为例，可以根据实际需要进行设置。

在一个优选的实施例中，还包括设置1/4波片，1/4波片用于产生π/2奇数倍的相位延迟，调节入射线偏振光的光矢量与波片快轴成±45°夹角，使得入射到脉冲串分割合成器件的激光脉冲为圆偏振光。

在一个优选的实施例中，还包括光阴极，用于吸收激光脉冲串，产生同样时间结构的电子束脉冲串。

下面通过具体实施例详细说明以脉冲宽度为百fs、单脉冲能量为2mJ、波长为266nm的激光脉冲产生四个脉冲间隔为5ns的激光脉冲的实现过程。

本实施例包括激光器、两个脉冲串分割合成器件和两个1/4波片B1、B2；激光器发射的单脉冲激光束经过第一1/4波片B1使之变为圆偏振光，调节的角度视激光器中出来的激光的偏振状态而定，若为圆偏振光则省去设置1/4波片B1。圆偏振光通过第一偏振分光棱镜PBS1后，水平偏振和垂直偏振被分开，垂直偏振的P偏振光完全通过，而水平偏振的S偏振光以45°角被反射；透射的P偏振光通过第一中性密度片ND1使之能量衰减到和S偏振光能量大小相等后进入第二偏振分光棱镜PBS2；反射的S偏振光通过第一反射镜M1和第二反射镜M2反射后通过第二偏振分光棱镜PBS2，被第二偏振分光棱镜PBS2反射，其反射方向和P偏振光透射方向相同；此时原来的单个脉冲激光被分割为两个单脉冲激光串，从第二偏振分光棱镜PBS2出射的激光为线偏振光经过第二1/4波片B2使之变为圆偏振光重复上述过程，可以使得两个单脉冲串变为四个脉冲串，其能量大小约为原来的1/4，其脉冲宽度和激光器中出射的激光脉冲宽度相同。将第一偏振分光棱镜PBS1和第二偏振分光棱镜PBS2与第一反射镜M1和第二反射镜M2的距离设为L，两束光到达第二偏振分光棱镜PBS2后光程差为L；将第三偏振分光棱镜PBS3和第四偏振分光棱镜PBS4与第三反射镜M3和第四反射镜M4的距离设为2L，两束光到达第四偏振分光棱镜PBS4后光程差为2L；则产生的四个脉冲串之间的脉冲间隔均为

依次类推，如果要产生8个脉冲串，则可以设置有第三个脉冲串分割合成器件，将两分光棱镜与两反射镜的距离设为8L，在此不做赘述，若要产生纳秒脉冲间隔的脉冲串，只需要将L设置为米量级。本实施例中，第一偏振分光棱镜PBS1和第二偏振分光棱镜PBS2与第一反射镜M1和第二反射镜M2的距离设为L设为0.75m，第三偏振分光棱镜PBS3和第四偏振分光棱镜PBS4与第三反射镜M3和第四反射镜M4的距离设为1.5m，则产生的四个脉冲串之间的脉冲间隔均为5ns，具体操作时，打开激光器，产生的脉冲激光通过第一1/4波片B1的中心，在第二偏振分光棱镜PBS2后面用探测器获取激光脉冲，并调节第一中性密度片ND1大小，使得产生的两个脉冲串大小相同；将探测器放置在在第四偏振分光棱镜PBS4后面，调节第二中性密度片ND2的大小，使得产生的四个脉冲中第一、第二个脉冲的大小和第三、第四个脉冲大小相同从而获得四个脉冲间隔为5ns、单脉冲能量大小相等的脉冲串。

综上，通过本实施例的分光-延时-合成的方法，从激光器中出射的一个激光脉冲最终被分割为四个脉冲串，其脉冲间隔可以通过调节P偏振光和S偏振光之间的光程差来实现，P偏振光和S偏振光之间的能量差异通过调节中性密度片来实现。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，包括：

激光器，用于产生所需波长的单个激光脉冲；

脉冲串分割合成器件，用于将所述单个激光脉冲进行分割—延时—合成形成脉冲间隔相等的多个激光脉冲串。

2.根据权利要求1所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，根据所需要获得的激光脉冲串的个数，设置所述脉冲串分割合成器件的数量为一个以上，当所述脉冲串分割合成器件设置为n个，产生激光脉冲串的个数为2ⁿ。

3.根据权利要求1所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，所述脉冲串分割合成器件包括第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一中性密度片、第一反射镜和第二反射镜；

从所述激光器中出射的单个激光脉冲的圆偏振光发射到所述第一偏振分光棱镜分为两束偏振光，P偏振光通过所述第一中性密度片衰减后发射到所述第二偏振分光棱镜；S偏振光依次经过所述第一反射镜和所述第二反射镜发射到所述第二偏振分光棱镜，经过反射后的S偏振光和P偏振光在同一个方向上传播，单个激光脉冲被分割为两个单脉冲激光串。

4.根据权利要求3所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第一反射镜、第二反射镜的距离为P偏振光和S偏振光之间的光程差，通过调节此光程差的大小，能够实现对脉冲间隔的调节。

5.根据权利要求3所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，所述脉冲串分割合成器件数量设置为两个，用于产生四个激光脉冲串，其中，第一脉冲串分割合成器件的两偏振分光棱镜与两反射镜的距离设为L，第二脉冲串分割合成器件的两偏振分光棱镜与两反射镜的距离设为2L，产生的四个脉冲串之间的脉冲间隔均为2L/c，c为光速。

6.根据权利要求5所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，L为0.75m，则产生的四个脉冲串之间的脉冲间隔均为5ns。

7.根据权利要求1～6任一项所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，还包括1/4波片，使得入射到脉冲串分割合成器件的激光脉冲为圆偏振光。

8.根据权利要求1～6任一项所述的超短激光脉冲串的产生装置，其特征在于，还包括光阴极，用于吸收激光脉冲串，产生同样时间结构的电子束脉冲串。

Images