專利名稱：一種超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短激光非線性倍頻的產(chǎn)生和調(diào)整領(lǐng)域，尤其涉及一種超短脈沖激光
倍頻連續(xù)衰減器。
背景技術(shù)：
激光技術(shù)自產(chǎn)生以來(lái)，就一直朝著高功率、短脈寬、寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍、小型化及全 固化的方向發(fā)展。超短脈沖激光是近年來(lái)激光技術(shù)發(fā)展為人類提供用于科學(xué)研究最強(qiáng)有力 的新工具之一。超短脈沖激光是指脈沖寬度在皮秒到飛秒乃至阿秒范圍內(nèi)的脈沖激光。超 短光脈沖應(yīng)用范圍，從超高速半導(dǎo)體器件的測(cè)試到材料精密加工，從激發(fā)及追蹤化學(xué)反應(yīng) 到復(fù)雜的眼科和神經(jīng)手術(shù)運(yùn)用等。超短脈沖使人們得以從未達(dá)到的目標(biāo)追循微觀世界的超 快弛豫過(guò)程，以從未有過(guò)的光強(qiáng)度水平研究光與物質(zhì)的相互作用。超短脈沖激光的最直接 應(yīng)用是人們利用它作為光源，發(fā)展了多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦探測(cè)技術(shù)。它的發(fā)展直 接帶動(dòng)物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進(jìn)入微觀超快過(guò)程領(lǐng)域，并開(kāi)創(chuàng)了一些全 新的研究領(lǐng)域，如飛秒化學(xué)、量子控制化學(xué)、半導(dǎo)體相干光譜、高/超高強(qiáng)度科學(xué)與技術(shù)等。 在生物學(xué)方面，人們正在利用飛秒激光技術(shù)所提供的差異吸收光譜、泵浦/探測(cè)技術(shù)，研究 光合作用反應(yīng)中心的傳能、轉(zhuǎn)能與電荷分離過(guò)程。超短脈沖激光還將應(yīng)用于信息的傳輸、處 理與存貯方面。短脈沖激光的獲得不僅是在時(shí)間上的壓縮，而且，其能量也被壓縮到極窄， 其聚焦后產(chǎn)生的超強(qiáng)激光功率已經(jīng)突破數(shù)百TW量級(jí)量級(jí)，這為物理研究提供了許多可以 實(shí)現(xiàn)的極端條件，諸如實(shí)驗(yàn)室天體物理，激光核聚變等，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)入了世 界的前列。 目前，現(xiàn)有的各種固體超短脈沖激光器輸出波長(zhǎng)范圍大都集中在近紅外和紅外波 段，如石榴石為1360nm-1570nm，鎂橄欖石為1200nm-1360nm，欽寶石為700nm-900nm等。然 而，在實(shí)際應(yīng)用中，超短紫外光脈沖以其短波長(zhǎng)的特點(diǎn)有著更高的利用價(jià)值，而常規(guī)超短脈 沖激光器輸出波長(zhǎng)已不能滿足采用短波長(zhǎng)進(jìn)行研究和應(yīng)用的需求。為了進(jìn)一步擴(kuò)展超短脈 沖激光應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍，需要對(duì)現(xiàn)有的超短脈沖激光系統(tǒng)輸出激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。目前最 常使用的手段就是利用非線性光學(xué)晶體進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，我國(guó)中科院物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所多年來(lái) 在非線性晶體的生長(zhǎng)制備領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先水平，其制備的BBO以及LBO晶體被廣泛 應(yīng)用與各種激光波率轉(zhuǎn)換中。本系統(tǒng)中使用的晶體便是其生產(chǎn)的BBO晶體。
超短激光脈沖在其各種應(yīng)用中，必須根據(jù)實(shí)際的用途對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)調(diào)整?，F(xiàn) 有的各種調(diào)節(jié)手段，主要將產(chǎn)生的超短倍頻脈沖光經(jīng)過(guò)衰減器件，而通常的光強(qiáng)衰減(調(diào) 制)器，包括各種衰減片，偏振片以及光柵、液晶等，其對(duì)產(chǎn)生的超短倍頻光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 的同時(shí)由于色散或吸收效應(yīng)，往往會(huì)引起其脈沖寬度和形狀的改變，這將對(duì)其應(yīng)用帶來(lái)不 利的影響。由于其脈沖長(zhǎng)度極短，而且吸收性的連續(xù)衰減片更加會(huì)造成光斑質(zhì)量的不均勻。 由于超短激光極強(qiáng)的脈沖峰值功率，往往也會(huì)對(duì)衰減器件造成一定的損傷。而且由于基頻 光和倍頻光一般為共線傳輸，往往還需要使用濾波片或光柵等將彼此分離，更增加了光學(xué) 系統(tǒng)的復(fù)雜度，因此需尋求恰當(dāng)?shù)氖侄螌?duì)超短脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。
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本實(shí)驗(yàn)室(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，原超快速激光光譜學(xué)國(guó)家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)是我國(guó)首批建設(shè)的十個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，長(zhǎng)期以來(lái)研究方向集中在超短脈沖 激光技術(shù)與超快現(xiàn)象。在超短脈沖激光(皮秒、飛秒)的產(chǎn)生、測(cè)量與時(shí)間分辨激光光譜學(xué) 技術(shù)(包括時(shí)間分辨非線性激光光譜學(xué))，超快速激光光譜學(xué)在生物學(xué)、化學(xué)中的應(yīng)用，凝 聚態(tài)物理中的超快現(xiàn)象，超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有豐富的經(jīng) 驗(yàn)，具備完善的實(shí)驗(yàn)儀器。近年來(lái)實(shí)驗(yàn)室在光學(xué)相位控制及光機(jī)電一體化技術(shù)方面的研究 取得重要進(jìn)展，已經(jīng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)出大行程納米精度控制系統(tǒng)、鎖相放大系統(tǒng)、傅里葉光譜系統(tǒng) 以及激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀等。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、能夠防止脈沖光 的脈沖寬度和形狀的改變，光斑質(zhì)量均勻的、且不會(huì)對(duì)衰減器件造成損傷的、能夠?qū)Τ堂} 沖的強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)調(diào)整的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 —種超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，包括將超短脈沖激光擴(kuò)束并分割為至少四束 平行光的光學(xué)系統(tǒng)、對(duì)一束所述平行光相位進(jìn)行調(diào)制的液晶調(diào)制器，用于調(diào)整施加于液晶 調(diào)制器電壓的液晶電壓控制系統(tǒng)，用于將調(diào)制后的所述平行光進(jìn)行聚焦并倍頻的聚焦裝置 和倍頻晶體。將一束超短脈沖激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)束后分成對(duì)稱的幾路平行光，并通過(guò)一片 簡(jiǎn)易的液晶調(diào)制器(SLM)，通過(guò)液晶電壓控制系統(tǒng)調(diào)整SLM中施加的電壓，以便對(duì)其中一路 脈沖激光的相位進(jìn)行精確調(diào)制，以控制幾束平行光對(duì)對(duì)稱中心處兩束和頻光的相位差，利 用其相干疊加對(duì)其輸出強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。 所述光學(xué)系統(tǒng)包括擴(kuò)束鏡以及設(shè)有至少四個(gè)通光孔的掩模板。擴(kuò)束鏡用于將超短 脈沖激光轉(zhuǎn)化為平行光束，掩模板上設(shè)有的至少四個(gè)通光孔將平行光束分割成多路對(duì)稱的 平行光。 所述通光孔為四個(gè)。本發(fā)明中輸出光強(qiáng)度調(diào)制的機(jī)理是兩束和頻光的相干疊加。 每交叉的兩束光在中心處產(chǎn)生一束和頻光，并通過(guò)液晶調(diào)制器調(diào)整其輸出相位，四束光產(chǎn) 生兩束和頻光，相干疊加產(chǎn)生輸出強(qiáng)度的調(diào)整，故選擇通光孔為四個(gè)。 所述液晶調(diào)制器為純相位型，將所述至少四束平行光與所述液晶調(diào)制器對(duì)應(yīng)的液 晶像素對(duì)準(zhǔn)。液晶調(diào)制器為純相位型，則僅對(duì)激光相位產(chǎn)生調(diào)制，對(duì)激光強(qiáng)度和偏振分布不 造成影響。 所述液晶電壓控制系統(tǒng)控制加載在液晶調(diào)制器上的電壓，其變化步長(zhǎng)小于0. OIV， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)的連續(xù)調(diào)制。 所述加載在液晶調(diào)制器上的電壓變化步長(zhǎng)為0. 001V。 所述液晶調(diào)制器調(diào)制度大于一個(gè)波長(zhǎng)相位，所述液晶電壓控制系統(tǒng)的電壓調(diào)整范 圍為0-10V，以保證對(duì)激光相位產(chǎn)生足夠的調(diào)整范圍(> =2 Ji )。 經(jīng)聚焦裝置聚焦后的所述平行光的偏振態(tài)和所述平行光與倍頻晶體的夾角滿足 晶體的相位匹配。以獲得最大的倍頻轉(zhuǎn)換效率。本系統(tǒng)中的晶體采用的相位匹配方式為角 度匹配。
光學(xué)系統(tǒng)所在環(huán)境溫度變化范圍不超過(guò)士rc。所述聚焦裝置為透鏡。
本發(fā)明的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器無(wú)需使用附加濾波器件便可實(shí)現(xiàn)基頻光 與倍頻光的分離，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將一束超短脈沖激光擴(kuò)束為平行光，經(jīng)過(guò)掩模板分為多 束，投射到液晶調(diào)制器上，液晶電壓控制系統(tǒng)則通過(guò)調(diào)整施加于液晶調(diào)整器的電極上的電 壓，對(duì)其中一束光的相位延遲實(shí)現(xiàn)精確操控，隨后調(diào)整后的平行光束經(jīng)聚焦裝置聚焦，在倍 頻晶體中產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)的倍頻脈沖光。由于基頻光與倍頻光為非共線傳輸，因而無(wú)需使用 附加濾波器件便可實(shí)現(xiàn)基頻光與倍頻光的分離，還能夠防止脈沖光脈沖寬度和形狀的改 變，獲得的光斑質(zhì)量均勻，也不會(huì)對(duì)衰減器件造成損傷，也能夠?qū)Τ堂}沖的強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù) 調(diào)整。


圖1為本發(fā)明的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器的掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
實(shí)施例 如圖1所示，本超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，包括將超短脈沖激光擴(kuò)束并分割 為四束平行光的光學(xué)系統(tǒng)1、對(duì)其中一束平行光相位進(jìn)行調(diào)制的液晶調(diào)制器2、用于調(diào)整施 加于液晶調(diào)制器電壓的液晶電壓控制系統(tǒng)3、用于將調(diào)制后的所述平行光進(jìn)行聚焦并倍頻 的透鏡4和倍頻晶體5。 光學(xué)系統(tǒng)包括擴(kuò)束鏡11以及設(shè)有四個(gè)通光孔的掩模板12，如圖2所示，為掩膜板 12的結(jié)構(gòu)示意圖。將一束超短脈沖激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡11擴(kuò)束，擴(kuò)束光經(jīng)過(guò)掩膜板12后變?yōu)?四束平行相干光。這里要將四束平行光與液晶調(diào)制器2對(duì)應(yīng)的液晶像素對(duì)準(zhǔn)。
這里的液晶調(diào)制器2為純相位型，僅對(duì)激光相位產(chǎn)生調(diào)制，對(duì)激光強(qiáng)度和偏振分 布不造成影響，且液晶調(diào)制器2調(diào)制度大于一個(gè)波長(zhǎng)相位，即2ji 。而液晶電壓控制系統(tǒng)3 通過(guò)調(diào)整施加在液晶調(diào)制器2上的電壓的大小來(lái)對(duì)其中一束光的相位延遲實(shí)現(xiàn)連續(xù)的精 確操控。此外，液晶電壓控制系統(tǒng)3控制加載在液晶調(diào)制器2上的電壓具有足夠小的變化 步長(zhǎng)， 一般小于0. OIV，這里選擇0. 001V，且液晶電壓控制系統(tǒng)3的電壓調(diào)整范圍要足夠大， 所加交流電壓需在0-10V間可調(diào)，以保證對(duì)激光相位產(chǎn)生足夠的調(diào)整范圍(> =2 Ji)。
經(jīng)調(diào)整后的四束光經(jīng)透鏡4聚焦于倍頻晶體5中，聚焦后的平行光的偏振態(tài)和平 行光與倍頻晶體5的夾角滿足晶體的相位匹配，以獲得最大的倍頻轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明中使 用轉(zhuǎn)換效率和損傷閾值高的BBO晶體，采用一類相位匹配，切割角為e =28° ，小=0° 。 為保證和頻光有高的轉(zhuǎn)換效率，各束入射光與垂直倍頻晶體5表面方向的夾角應(yīng)不超過(guò) 20° ，本系統(tǒng)中的晶體采用的相位匹配方式為角度匹配。
此外，光學(xué)系統(tǒng)i所在環(huán)境溫度變化范圍不超過(guò)士rc。 本發(fā)明利用超短脈沖激光和頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其倍頻光強(qiáng)度的調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超短脈 沖激光的倍頻光強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)，可應(yīng)用于紫外及其他各種短波長(zhǎng)超短激光脈沖的產(chǎn)生和 強(qiáng)度調(diào)諧。其工作過(guò)程如下將一束超短脈沖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡ll擴(kuò)束后投至帶四個(gè)通光孔的 掩模板12，將平行光分成對(duì)稱的四路，并通過(guò)一片簡(jiǎn)易的液晶調(diào)制器2(SLM)，調(diào)整液晶電
5壓控制系統(tǒng)3加載在液晶調(diào)制器2上的電壓，對(duì)其中一路脈沖激光的相位進(jìn)行精確調(diào)整，以 控制四束光對(duì)對(duì)稱中心處兩束和頻光的相位差，利用其相干疊加從而對(duì)其輸出強(qiáng)度進(jìn)行調(diào) 整。隨后調(diào)整后的四束光經(jīng)透鏡4聚焦，在倍頻晶體中產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)的倍頻脈沖光。由于 基頻光與倍頻光為非共線傳輸，無(wú)需使用附加濾波器件便可實(shí)現(xiàn)基頻光與倍頻光的分離。
以上對(duì)本發(fā)明所提供的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)于本領(lǐng) 域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變 之處，例如，聚焦裝置也可以為其它類型可起聚焦作用的光學(xué)儀器，掩模板上的通光孔也可 為6個(gè)8個(gè)甚至多個(gè)，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于包括將超短脈沖激光擴(kuò)束并分割為至少四束平行光的光學(xué)系統(tǒng)、對(duì)一束所述平行光相位進(jìn)行調(diào)制的液晶調(diào)制器、用于調(diào)整施加于液晶調(diào)制器電壓的液晶電壓控制系統(tǒng)、用于將調(diào)制后的所述平行光進(jìn)行聚焦并倍頻的聚焦裝置和倍頻晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述光學(xué)系統(tǒng) 包括擴(kuò)束鏡以及設(shè)有至少四個(gè)通光孔的掩模板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述通光孔為4個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述液晶調(diào)制 器為純相位型，將所述至少四束平行光與所述液晶調(diào)制器對(duì)應(yīng)的液晶像素對(duì)準(zhǔn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述液晶電壓 控制系統(tǒng)控制加載在液晶調(diào)制器上的電壓，其變化步長(zhǎng)小于0. OIV。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述加載在液晶調(diào)制器上的電壓變化步長(zhǎng)為o. ooiv。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述液晶調(diào)制器調(diào)制度大于一個(gè)波長(zhǎng)相位，所述液晶電壓控制系統(tǒng)的電壓調(diào)整范圍為o-iov。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于經(jīng)聚焦裝置聚焦后的所述平行光的偏振態(tài)和所述平行光與倍頻晶體的夾角滿足晶體的相位 匹配。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于光學(xué)系統(tǒng)所在環(huán)境溫度變化范圍不超過(guò)士rc。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，其特征在于所述聚焦裝置為透鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器，包括將超短脈沖激光擴(kuò)束并分割為至少四束平行光的光學(xué)系統(tǒng)、對(duì)一束所述平行光相位進(jìn)行調(diào)制的液晶調(diào)制器、用于調(diào)整施加于液晶調(diào)制器電壓的液晶電壓控制系統(tǒng)、用于將調(diào)制后的所述平行光進(jìn)行聚焦并倍頻的聚焦裝置和倍頻晶體。本發(fā)明是利用超短脈沖激光和頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其倍頻光強(qiáng)度的調(diào)制，在超短脈沖激光產(chǎn)生倍頻光的過(guò)程中，控制倍頻晶體中的倍頻效率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超短脈沖激光的倍頻光強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明提供的超短脈沖激光倍頻連續(xù)衰減器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠防止脈沖光脈沖寬度和形狀的改變、光斑質(zhì)量均勻、且不會(huì)對(duì)衰減器件造成損傷、能夠超短脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101750836SQ200910214228
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者關(guān)燁鋒, 周建英, 張培晴, 謝向生 申請(qǐng)人:中山大學(xué)