專利名稱：超短脈沖時(shí)間凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短脈沖激光，特別是一種超短脈沖時(shí)間凈化裝置。
技術(shù)背景在過去的幾十年中，飛秒激光的產(chǎn)生和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，隨著摻鈦藍(lán)寶 石(Ti:sapphire)鎖模激光器及啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)的出現(xiàn)，通過臺(tái)式設(shè)備 獲得超強(qiáng)超短激光脈沖成為可能。超強(qiáng)超短激光脈沖是許多基礎(chǔ)研究中的重要工具，在激光物理研究領(lǐng)域有著不 可替代的作用，比如高次諧波，等離子體通道，阿秒脈沖的產(chǎn)生等都需要高強(qiáng)度的 超短激光脈沖作為光源。然而在這些超短激光脈沖的應(yīng)用中，低對(duì)比度的預(yù)脈沖的 存在，會(huì)在主脈沖到達(dá)之前先破壞靶。在基于固體靶物質(zhì)與超強(qiáng)超短激光脈沖相互 作用，產(chǎn)生高次諧波等物理科學(xué)研究中，當(dāng)預(yù)脈沖強(qiáng)度達(dá)到10lfl—"W/cm2量級(jí)，就有 可能使得靶物質(zhì)材料氣化并產(chǎn)生等離子體，使主脈中實(shí)際是與等離子體相互作用， 而破壞整個(gè)強(qiáng)場(chǎng)激光物理實(shí)驗(yàn)。因此，對(duì)于1021—"W/cm2乃至更高量級(jí)的超強(qiáng)場(chǎng)激光 與物質(zhì)相互作用物理研究中，對(duì)超強(qiáng)超短激光脈沖的對(duì)比度要求就要達(dá)到10u-1013 的量級(jí)。目前主要基于啁啾脈沖放大(CPA)概念的超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)的脈沖對(duì)比度 一般在106-108量級(jí)，因此迫切要求發(fā)展相應(yīng)激光脈沖時(shí)域?qū)Ρ榷忍岣呒夹g(shù)，以將超 強(qiáng)超短激光脈沖對(duì)比度至少再提升4 6個(gè)數(shù)量級(jí)，并要求激光脈沖時(shí)域?qū)Ρ榷鹊奶?高技術(shù)可隨著聚焦功率密度的提高和強(qiáng)場(chǎng)物理需求的發(fā)展也可進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展，支 持更高對(duì)比度的超強(qiáng)超短激光脈沖的獲得。在先技術(shù)中，Jullien等人提供了一種典型的脈沖凈化裝置(A. Jullien ef a/., Optics Express 14, 2760 (2006))，其光路布置如圖1所示。入射光通過透鏡1聚焦 到第一氟化鋇(BaF2)晶體3上，在透鏡1和第一氟化鋇晶體3之間有一起偏器2，在 第一氟化鋇晶體后是第二氟化鋇晶體4。第一氟化鋇晶體和第二氟化鋇晶體均為
切割，3,(02)是第一 (第二)氟化鋇(BaF2)晶體[100]軸與起偏器透振方向的 夾角，在18 22.5°范圍內(nèi)，通過輸出能量進(jìn)行優(yōu)化。第一 BaF2晶體和第二 BaF2 晶體之間的距離亦通過輸出能量進(jìn)行優(yōu)化。第二氟化鋇晶體后是檢偏器5，檢偏器5 的透振方向與起偏器2透振方向垂直。超短激光最后通過準(zhǔn)直透鏡6輸出。3在先技術(shù)中，線偏振光通過透鏡l聚焦到第一氟化鋇晶體3上，由于交叉偏振 波產(chǎn)生(XPW)效應(yīng)，產(chǎn)生與原光束偏振方向相互垂直的激光。XPW效應(yīng)是三階非線 性效應(yīng)，因此，能量較強(qiáng)的主脈沖能夠把大部分能量都轉(zhuǎn)化到與原偏振方向垂直的 光束上，從而能夠透過檢偏器輸出；而能量較弱的預(yù)脈沖幾乎不能產(chǎn)生交叉偏振波， 最后都不能通過檢偏器。第二氟化鋇晶體的目的在于提高轉(zhuǎn)換效率。這就是本在先 技術(shù)裝置實(shí)現(xiàn)脈沖凈化的原理。該裝置脈沖凈化的能力受到起偏器和檢偏器消光比 的限制，對(duì)比度只能在原來基礎(chǔ)上提高105。另外，由于在先技術(shù)裝置使用的是三階 非線性效應(yīng)，因此對(duì)外界的影響非常敏感。輸入能量的不穩(wěn)定以及裝置中氣流的變 化都會(huì)造成輸出光束的抖動(dòng)和能量的劇烈變化。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供了一種超短脈沖時(shí)間凈化裝置，它 較少受到外界環(huán)境因素的影響，對(duì)比度能在原來基礎(chǔ)上提高107。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種超短脈沖時(shí)間凈化裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括在輸出的線偏振超短脈沖激光的光路上依次的光參量放大系統(tǒng)、倍頻晶體、第一反射鏡、第二反射鏡和1/2波 片，該1/2波片的快軸方向與所述的線偏振超短脈沖激光的偏振方向成45° ，所述 的第一反射鏡和第二反射鏡是鍍膜的雙色介質(zhì)鏡，對(duì)所述的光參量放大系統(tǒng)輸出光 束的透過率大于98%,而對(duì)所述的光參量放大系統(tǒng)輸出光束的倍頻光束的反射率大 于98%。所述的倍頻晶體是偏硼酸鋇晶體、三硼酸鋰晶體或磷酸氧鈦鉀晶體。與在先技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)(1) 在先技術(shù)脈沖凈化的能力受到起偏器和檢偏器消光比的限制，對(duì)比度只能在原來基礎(chǔ)上提高105。根據(jù)小脈沖判斷，本發(fā)明能夠把對(duì)比度在原來基礎(chǔ)上至少 提高7個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了儀器的測(cè)量極限。主脈沖前面的小脈沖是測(cè)量?jī)x器本身自 帶的。(2) 在先技術(shù)使用的是三階非線性效應(yīng)。而三階非線性效應(yīng)的裝置對(duì)環(huán)境要求 比較苛刻，極易受氣流擾動(dòng)、振動(dòng)等因素的影響。本發(fā)明利用級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng) 代替三階非線性效應(yīng)，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。


'圖1為在先技術(shù)超短脈沖時(shí)間凈化裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明超短脈沖時(shí)間凈化裝置的示意圖。圖3為本發(fā)明的超短脈沖時(shí)間凈化裝置實(shí)施例的示意4為本發(fā)明的超短脈沖時(shí)間凈化裝置的入射脈沖和出射脈沖在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的 對(duì)比度曲線。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 參閱圖3，圖3為本發(fā)明的超短脈沖時(shí)間凈化裝置具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 由圖可見，本發(fā)明的超短脈沖時(shí)間凈化裝置的結(jié)構(gòu)輸入的線偏振超短脈沖激光首 先進(jìn)入OPA系統(tǒng)34，由OPA系統(tǒng)34把波長(zhǎng)調(diào)諧到紅外波段；在OPA系統(tǒng)34中， 超短激光脈沖首先通過第一分束片12。其中，小部分光被反射，射入第二分束片16。 第二分束片16的反射光作為第一級(jí)OPA的種子光。該種子光先通過第一小孔17， 然后通過第一聚焦透鏡18聚焦到白寶石19上；調(diào)節(jié)第一小孔17的大小，使聚焦后 的光在白寶石中成單絲，產(chǎn)生超連續(xù)譜，作為第一級(jí)OPA的信號(hào)光；白寶石19后 面是第一準(zhǔn)直透鏡20;第一準(zhǔn)直透鏡20后是第二小孔21;第二小孔21后是第一反 射鏡22，第一反射鏡22后面是第二反射鏡23，第二反射鏡23后是第三反射鏡24， 第三反射鏡24后是第二聚焦透鏡25，第二聚焦透鏡25后是第四反射鏡26，第四反 射鏡26把信號(hào)光反射到第一級(jí)OPA晶體31，這里第一級(jí)OPA晶體31用的是2毫 米的BBO晶體。第二分束片16的透射光作為第一級(jí)OPA的泵浦光，首先經(jīng)過第一 1/2波片27，該波片的快軸與入射光的偏振方向的夾角為45° ，泵浦光通過后偏振 方向與原來方向垂直。第一 1/2波片后是第一延時(shí)器28，第一延時(shí)器28由固定在 平移臺(tái)上的兩塊互相垂直的反射鏡組成。第一延時(shí)器28后是第五反射鏡29。第五 反射鏡29后是第三聚焦透鏡30。第一級(jí)0PA的泵浦光經(jīng)過第三聚焦透鏡30后，聚 焦到第一級(jí)OPA晶體31。第一級(jí)OPA的泵浦光和信號(hào)光經(jīng)過第一級(jí)OPA晶體31后， 成為無用光，被第一垃圾桶32擋住。泵浦光和信號(hào)光通過OPA過程產(chǎn)生的閑置光經(jīng) 過第二準(zhǔn)直透鏡33準(zhǔn)直后，入射到第二級(jí)OPA晶體35中。第一分束片12的透射光 占總能量的大部分，作為第二級(jí)OPA的泵浦光。第二級(jí)OPA的泵浦光透過第一分束 片12后，首先經(jīng)過第二延時(shí)器13反射。第二延時(shí)器13的結(jié)構(gòu)與第一延時(shí)器28的 結(jié)構(gòu)相同。第二延時(shí)器13后是第六反射鏡14。第六反射鏡14后是第四聚焦透鏡15。 第四聚焦透鏡15后是第七反射鏡34。第二級(jí)OPA的泵浦光被第七反射鏡34反射到 第二級(jí)OPA晶體35中，與第一級(jí)OPA輸出的閑置光相互作用。第二級(jí)OPA的泵浦光經(jīng)過第二級(jí)OPA晶體35后，被第二垃圾桶36擋住。第一級(jí)OPA的閑置光經(jīng) 第二級(jí)OPA放大輸出后，入射到倍頻晶體38中。倍頻晶體38后面是第八反射鏡39， 第八反射鏡39后面是第九反射鏡40。第九反射鏡40后面是第二 1/2波片41，該波 片的快軸方向與入射光的偏振方向的夾角是45° 。在本實(shí)施例中，所述的第八反射鏡39和第九反射鏡40是鍍膜的雙色介質(zhì)鏡， 其反射光的波長(zhǎng)與倍頻后輸出的超短激光脈沖的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。所述的第一反射鏡22、 第二反射鏡23、第三反射鏡24和第四反射鏡26是銀鏡反射鏡。所述的第五反射鏡 29、第六反射鏡14、第七反射鏡34、第一延時(shí)器28和第二延時(shí)器13里面的反射鏡 是鍍膜的介質(zhì)反射鏡。所述的第二聚焦透鏡25，聚焦后光束的焦點(diǎn)應(yīng)該在第一 0PA 晶體31前方1-5厘米處，可根據(jù)實(shí)際情況選擇透鏡的焦距。所述的第三聚焦透鏡 30，聚焦后光束的焦點(diǎn)應(yīng)該在第一OPA晶體31后方3-4厘米處，可根據(jù)實(shí)際情況選 擇透鏡的焦距。所述的第二準(zhǔn)直透鏡33目的在于準(zhǔn)直出射的閑置光，該透鏡的焦距 以及具體位置請(qǐng)根據(jù)實(shí)際情況選擇。所述的第四聚焦透鏡15的焦距一般在2-3米， 焦點(diǎn)應(yīng)在第二0PA晶體35后面，晶體上的光斑不能太小，避免因功率密度太高而打 壞晶體，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇透鏡的焦距和具體位置。上述超短脈沖時(shí)間凈化裝置的具體使用步驟如下所述(l)把光仔細(xì)對(duì)入(OPA) 系統(tǒng)。(2)用光譜儀測(cè)量OPA系統(tǒng)出射光的光譜，微調(diào)第二級(jí)OPA晶體的角度，使 出射光光譜的中心波長(zhǎng)為入射光光譜中心波長(zhǎng)的兩倍。(3)優(yōu)化OPA系統(tǒng)，使出射 能量最大。(4)調(diào)整倍頻晶體38的角度，使出射的倍頻光能量最大。本發(fā)明超短脈沖時(shí)間凈化裝置的基本原理是光參量放大(OPA)效應(yīng)和倍頻 (SHG)效應(yīng)均是二階非線性效應(yīng);它們的共同特點(diǎn)是，能量轉(zhuǎn)換效率與光強(qiáng)的平方 成正比；能量強(qiáng)的脈沖能夠得到高的非線性轉(zhuǎn)換效率，能量低的脈沖轉(zhuǎn)換夢(mèng)率非常低; 因此，通過光參量放大(OPA)系統(tǒng)和倍頻系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)，使得超短激光脈沖的對(duì)比度 得到了顯著的提高。使用兩塊對(duì)倍頻光高反、對(duì)基頻光高透的雙色反射鏡，使得混 在一起的倍頻光和基頻光得以分離。另外，二級(jí)非線性效應(yīng)要比三階非線性效應(yīng)不 易受外界影響，因此，本系統(tǒng)能夠獲得較高的穩(wěn)定性。本發(fā)明超短脈沖時(shí)間凈化裝置，當(dāng)中的光參量放大(OPA)系統(tǒng)可以有多種形式， 不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的具體實(shí)施例入射光的波長(zhǎng)為800納米，能量8. 4毫焦，脈寬40飛秒， 重復(fù)頻率lKHz。第一分束片12的分束比為92: 8，透射光能量是92%，反射光能量 是8%。第二分束片16的分束比為7: 3，透射光能量是70%，反射光能量是30%。白 寶石厚度2毫米。第一級(jí)OPA晶體是I類匹配的BBO晶體，厚度2毫米。第二級(jí)OPA6晶體是n類配的BBO晶體，厚度4毫米。超短脈沖通過OPA系統(tǒng)后，波長(zhǎng)被調(diào)諧到 1600納米。然后通過倍頻晶體，波長(zhǎng)倍頻到800納米。倍頻晶體為BBO， I類匹配， 厚度3毫米。本實(shí)施例中所用的介質(zhì)膜反射鏡以及雙色介質(zhì)反射鏡，中心波長(zhǎng)均是 800nm。倍頻晶體使用I類匹配，凈化后的800nm的超短激光脈沖的偏振方向垂直于 入射光。通過一快軸方向與入射光偏振方向夾角為45。的l/2波片后，出射光偏振 方向與入射光偏振方向一致。入射脈沖和出射脈沖測(cè)得的對(duì)比度如圖4,凈化后主 脈沖前面的小脈沖是由測(cè)量?jī)x器引起的。
權(quán)利要求
1、一種超短脈沖時(shí)間凈化裝置，特征在于其構(gòu)成包括在輸出的線偏振超短脈沖激光的光路上依次的光參量放大系統(tǒng)(7)、倍頻晶體(8)、第一反射鏡(9)、第二反射鏡(10)和1/2波片(11)，該1/2波片(11)的快軸方向與所述的線偏振超短脈沖激光的偏振方向成45°，所述的第一反射鏡(9)和第二反射鏡(10)是鍍膜的雙色介質(zhì)鏡，對(duì)所述的光參量放大系統(tǒng)(7)輸出光束的透過率大于98％，而對(duì)所述的光參量放大系統(tǒng)(7)輸出光束的倍頻光束的反射率大于98％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖時(shí)間凈化裝置，其特征是所述的倍頻晶體 (8)是偏硼酸鋇晶體、三硼酸鋰晶體或磷酸氧鈦鉀晶體。
全文摘要
一種超短脈沖時(shí)間凈化裝置，其構(gòu)成包括在輸出的線偏振超短脈沖激光的光路上依次的光參量放大系統(tǒng)、倍頻晶體、第一反射鏡、第二反射鏡和1/2波片，該1/2波片的快軸方向與所述的線偏振超短脈沖激光的偏振方向成45°，所述的第一反射鏡和第二反射鏡是鍍膜的雙色介質(zhì)鏡，對(duì)所述的光參量放大系統(tǒng)輸出光束的透過率大于98％，而對(duì)所述的光參量放大系統(tǒng)輸出光束的倍頻光束的反射率大于98％。本發(fā)明具有提高超短激光脈沖對(duì)比度顯著，輸出穩(wěn)定，不受元器件限制，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101625500SQ20091005500
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者冷雨欣, 張春梅, 徐至展, 李儒新, 黃延穗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所