專利名稱：一種提高飛秒脈沖信噪比方法及其實現(xiàn)裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及提高超短脈沖輸出信噪比的技術，具體涉及一種提高飛秒脈沖信噪比 方法及其實現(xiàn)裝置。
背景技術：
超短脈沖(脈寬一般為fs)作為光源，形成了多種時間分辨光譜技術和泵浦、探測 技術，例如時間分辨熒光光譜技術，飛秒條紋相機，全光取樣、電光取樣測量，交叉相位調(diào) 制技術，超高時間分辨掃描探針顯微技術。由于脈寬很短，帶寬很寬的優(yōu)點，超短脈沖在高 速光通信也備受青睞。在峰值功率方面上，由于CPA和OPCPA技術的引進，超短超強激光的 發(fā)展日新月易。激光系統(tǒng)的峰值功率突飛猛進的增加。超短超強激光由于其極高的峰值 功率提供了高溫，高壓等極端物理條件，并由此誕生了一門新的物理學分支(強場物理)， 當前高達1022w/m2的超強激光強度已經(jīng)獲得。由于這樣高功率的獲得，水窗X射線源，電子 加速，相對論聚焦的研究導致了新的科學發(fā)現(xiàn)。在慣性約束核聚變中，由于超高強度的峰 值功率給激光點火提供了有利的條件，因此超強脈沖在激光點火中(ICF)有很高的應用價 值。另外，超短超強激光等離子體相互作用方面，超短超強激光能夠產(chǎn)生(^bar的壓強和超 高溫，超高密度的等離子體，即可以在實驗室創(chuàng)造恒星才有的條件。在工業(yè)上，超短脈沖由于脈沖短，被加工對象的破壞閾值越低，加工精度越高，因 此，為創(chuàng)造新的工業(yè)高新技術提供一個開發(fā)平臺。但是這些應用對脈沖的信噪比都有很高 的要求。因為，當激光峰值功率增加的同時也帶來了比較高功率的噪聲，這里的噪聲是在 高功率激光系統(tǒng)中，由于泵浦光放大的自發(fā)輻射(ASE)會給產(chǎn)生的脈沖帶來納秒數(shù)量級的 底座，和由于展寬器帶來的光譜剪切，高階色散，而這些在脈沖壓縮時，由于壓縮器不能精 確補償高階色散會給產(chǎn)生的脈沖帶來預脈沖，當預脈沖的峰值功率超過介質的電離閾值 (KTw/m2)，介質會因為預脈沖跟介質電離，從而改變介質的屬性，影響主脈沖與介質的相 互作用，更嚴重的是阻止主脈沖與介質發(fā)生作用。這點在ICF激光點火，超精細激光加工是 非常重要的。所以在高功率激光系統(tǒng)中提高OPCPA輸出脈沖信噪比是非常重要的。國內(nèi)外的一些提高飛秒脈沖信噪比的方法比如，飽和吸收體，非線性偏轉旋轉， 交叉偏振波，等離子體鏡等等，這些方法提高信噪比一般最多只能提高4個量級，而且會損 失大部分飛秒脈沖的能量。而隨著激光峰值功率的飛速發(fā)展，信噪比的提高需要進一步加 大，因此，一種更大的提高飛秒脈沖信噪比和能量損失少的技術的提出是非常有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種提高飛秒脈沖信噪比方法及其實現(xiàn)裝置，以解決傳統(tǒng)提高信 噪比的方法提升量級有限、且在此過程中造成較大能量損失的問題。本發(fā)明的技術思想是采用超快響應時間的kerr介質，即在玻璃薄片上摻雜有 Bi2O3，此介質的響應時間可以達到200fs。從激光器輸出的飛秒脈沖經(jīng)過嚴格同步在此介 質中發(fā)生簡并四波混頻作用，利用得到的相位共軛波來提高注入的飛秒脈沖信號光的信噪比?；诩夹g思想，本發(fā)明的技術方案如下一種提高飛秒脈沖信噪比方法，包括以下步驟(1)將系統(tǒng)接收的泵浦光分成能量相等的兩束光；(2)調(diào)整步驟(1)所述的兩束光，使這兩束光的傳播方向相反；同時調(diào)整系統(tǒng)的輸 入信號光的方向與所述兩束光其中任一的夾角為0.5-3° ；(信號光與前向泵浦光的夾角為 0. 5-1 °，最大角度3度，角度過小兩束光不能很好的分開，造成光路結構不緊湊，角度大了 會由于角色散影響光束質量。)(3)所述兩束光作為前向泵浦光和后向泵浦光，與所述輸入信號光保持同步，發(fā)生 簡并四波混頻作用，產(chǎn)生相位共軛波；(4)所述相位共軛波，即高信噪比的飛秒脈沖信號光。(一般地，在時間上，預脈 沖在主脈沖前面的幾個皮秒。我們利用響應時間在200飛秒的克爾介質，讓預脈沖和主脈 沖分別通過簡并的四波混頻作用產(chǎn)生相位共軛波。由于預脈沖的強度小，在克爾介質發(fā)生 三階非線性效應時的耦和效率很低，從而產(chǎn)生的共軛波的強度非常小，相反，主脈沖的強度 大，產(chǎn)生的共軛波強度很大。即我們通過產(chǎn)生的共軛波消減了原來預脈沖的強度，同時基本 保證了主脈沖的強度。這樣，我們最后得到的共軛波的信噪比得到了很大的提高。)上述步驟(1)中，所述泵浦光首先經(jīng)過啁啾脈沖放大器放大；步驟O)中，所述輸 入信號光首先經(jīng)光參量啁啾脈沖放大器。上述步驟(3)發(fā)生簡并四波混頻作用的三個入射光波的能量相等，允許誤差在 5%以內(nèi)。(為了更好的相位匹配，需要控制入射的三個光波能量相等。如果能量差別太大， 相位匹配關系被破壞。雖然信噪比的提高數(shù)量級基本不受影響，但最后導致產(chǎn)生的共軛波 能量減少，相當于損失了能量。)上述步驟(1)將泵浦光分成能量相等的兩束光的操作與步驟( 調(diào)整兩束光的傳 播方向相反的操作均是通過匹配調(diào)整相應的泵浦光分束系統(tǒng)和反射鏡來實現(xiàn)。一種實現(xiàn)提高飛秒脈沖信噪比的裝置，該裝置的光路由泵浦光光路和信號光光路 組成，泵浦光光路上沿入射方向依次設置有泵浦光隔離器、泵浦光分束系統(tǒng)和kerr介質； 信號光光路上沿入射方向依次設置有信號光隔離器和信號光分束系統(tǒng)；所述泵浦光分束系 統(tǒng)和信號光分束系統(tǒng)的設置方式滿足泵浦光經(jīng)泵浦光分束系統(tǒng)分出的兩束光分別作為前 向泵浦光、后向泵浦光，與經(jīng)信號光分束系統(tǒng)反射出的信號光在kerr介質中發(fā)生簡并四波 混頻作用，且所述信號光的方向與所述兩束光其中任一的夾角為0. 5-3° ；簡并四波混頻作 用產(chǎn)生的相位共軛波作為本裝置之后的放大系統(tǒng)的種子源。上述泵浦光光路上在泵浦光隔離器之前還設置有啁啾脈沖放大器，所述信號光光 路上在信號光隔離器之前還設置有光參量啁啾脈沖放大器。上述泵浦光分束系統(tǒng)由設置于泵浦光隔離器后的第一分束器和分別位于第一分 束器透射、反射光路上的第二全反射鏡、第三全反射鏡構成，所述兩束光經(jīng)與之分別對應的 第二全反射鏡、第三全反射鏡反射形成所述前向泵浦光、后向泵浦光；所述信號光分束系統(tǒng) 設置于信號光隔離器后的第一全反射鏡和第二分束器構成，經(jīng)第二分束器反射出信號光的 方向與所述第二全反射鏡反射出的前向泵浦光的方向的夾角為1°。上述Kerr介質為摻Bi2O3的玻璃薄片。
上述兩個分束器均為熔融硅材料制成，厚度為1mm。三個全反射鏡通過鍍膜實現(xiàn)全 反射。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、信噪比提高的數(shù)量級高。本發(fā)明采用簡并四波混頻原理產(chǎn)生相位共軛波提高飛 秒脈沖信噪比達到7個量級，預脈沖的峰值功率密度由原來的10_5降到10_"。2、能量損失小。3、較好的光束質量。4、輸出脈沖時域波形良好。5、結構簡單，方便實用，成本低。


圖1為為本發(fā)明的原理圖；其中，Z axis為晶體通光方向；圖2為本發(fā)明實施例的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的飛秒脈沖輸入信噪比；圖4為本發(fā)明的經(jīng)過簡并四波混頻產(chǎn)生相位共軛波的輸出信噪比。
具體實施例方式本發(fā)明提供了基于簡并四波混頻原理產(chǎn)生相位共軛波方法提高飛秒脈沖信噪比， 如圖1所示。其中，Z axis為晶體通光方向，在設計時，Kerr介質的晶體最佳厚度主要由 三入射光能量確定。E1和氏分別表示前向泵浦光和后向泵浦光，產(chǎn)生的共軛波&可以看作 是原始輸入的信號光&的反射波。Kerr介質為摻Bi2O3的玻璃薄片，薄片厚度為25um。當 kerr介質晶體參數(shù)確定后，有個最佳的泵浦光、信號光能量，使產(chǎn)生的共軛波效率最佳。飛 秒脈沖的寬度為500fs，波長為1053nm，經(jīng)過光束分離器和反射鏡后入射到kerr介質中的 三個光波能量分別為0. 5mJ。參見圖2，CPA為啁啾脈沖放大器，光隔離器與CPA系統(tǒng)相連，BS1，BS2分別是分束 器，Ml, M2，M3是三個全反射鏡。OPCPA為光參量啁啾脈沖放大器，光隔離器與OPCPA系統(tǒng) 相連，光隔離器起的作用主要是阻止從分束器BS1，M1的反射光進入CPA和OPCPA系統(tǒng)。在 此發(fā)明中，我們用CPA輸出的光脈沖經(jīng)過BSl，M2，M3后分成能量相等的兩束光，調(diào)整反射鏡 的角度使這兩束光的傳播方向相反，這兩束光分別作為簡并四波混頻的前向泵浦光和后向 泵浦光，另一光路從OPCPA系統(tǒng)輸出經(jīng)分束器Ml，BS2后作為簡并四波混頻的輸入信號光。 為了更好的分離出共軛光，輸入信號光與前向泵浦光的夾角為1°，產(chǎn)生的共軛光E4與輸 入信號光&的傳播方向相反。預脈沖視為本系統(tǒng)的噪聲，因此信噪比在這里即是主脈沖的強度與預脈沖的強度 之比。本發(fā)明中產(chǎn)生的共軛波的預脈沖強度被嚴重削減，而主脈沖強度基本保持不變，相當 于削減預脈沖的強度，從而提高脈沖的信噪比。參見圖3，我們利用共軛波來提高飛秒脈沖的信噪比?？v軸用對數(shù)坐標來表示主脈 沖與預脈沖的強度情況，預脈沖的強度相對主脈沖的強度歸一化。主脈沖寬度為500fs，預 脈沖在主脈沖前面的2ps處，輸入信號的信噪比為105。參見圖4，我們?nèi)匀徊捎脷w一化的對數(shù)坐標表示產(chǎn)生共軛波的信噪比情況。預脈沖的峰值強度已經(jīng)由原來輸入信號光的10_5降到10_12，所以通過這種方法，預脈沖的強度降 低了 7個數(shù)量級。因此，基于簡并四波混頻產(chǎn)生的共軛波替代原始的輸入信號光，這種方法 可以提高飛秒脈沖信噪比7個數(shù)量級。
權利要求
1.一種提高飛秒脈沖信噪比方法，包括以下步驟(1)將系統(tǒng)接收的泵浦光分成能量相等的兩束光；(2)調(diào)整步驟(1)所述的兩束光，使這兩束光的傳播方向相反；同時調(diào)整系統(tǒng)的輸入信 號光的方向與所述兩束光其中任一的夾角為0.5-3° ；(3)所述兩束光作為前向泵浦光和后向泵浦光，與所述輸入信號光保持同步，發(fā)生簡并 四波混頻作用，產(chǎn)生相位共軛波；(4)所述相位共軛波，即高信噪比的飛秒脈沖信號光。
2.根據(jù)權利要求1所述提高飛秒脈沖信噪比方法，其特征在于步驟(1)中，所述泵浦 光首先經(jīng)過啁啾脈沖放大器放大；步驟O)中，所述輸入信號光首先經(jīng)光參量啁啾脈沖放 大器。
3.根據(jù)權利要求2所述提高飛秒脈沖信噪比方法，其特征在于步驟(3)發(fā)生簡并四 波混頻作用的三個入射光波的能量相等，允許誤差在5 %以內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求1至3任一所述提高飛秒脈沖信噪比方法，其特征在于步驟⑴將 泵浦光分成能量相等的兩束光的操作與步驟( 調(diào)整兩束光的傳播方向相反的操作均是 通過匹配調(diào)整相應的泵浦光分束系統(tǒng)來實現(xiàn)。
5.一種實現(xiàn)如權利要求1所述提高飛秒脈沖信噪比方法的裝置，其特征在于該裝置 的光路由泵浦光光路和信號光光路組成，泵浦光光路上沿入射方向依次設置有泵浦光隔離 器、泵浦光分束系統(tǒng)和kerr介質；信號光光路上沿入射方向依次設置有信號光隔離器和信 號光分束系統(tǒng)；所述泵浦光分束系統(tǒng)和信號光分束系統(tǒng)的設置方式滿足泵浦光經(jīng)泵浦光 分束系統(tǒng)分出的兩束光分別作為前向泵浦光、后向泵浦光，與經(jīng)信號光分束系統(tǒng)反射出的 信號光在kerr介質中發(fā)生簡并四波混頻作用，且所述信號光的方向與所述兩束光其中任 一的夾角為0. 5-3° ；簡并四波混頻作用產(chǎn)生的相位共軛波作為本裝置之后的放大系統(tǒng)的 種子源。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于所述泵浦光光路上在泵浦光隔離器之前 還設置有啁啾脈沖放大器，所述信號光光路上在信號光隔離器之前還設置有光參量啁啾脈 沖放大器。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于所述泵浦光分束系統(tǒng)由設置于泵浦光隔 離器后的第一分束器和分別位于第一分束器透射、反射光路上的第二全反射鏡、第三全反 射鏡構成，所述兩束光經(jīng)與之分別對應的第二全反射鏡、第三全反射鏡反射形成所述前向 泵浦光、后向泵浦光；所述信號光分束系統(tǒng)設置于信號光隔離器后的第一全反射鏡和第二 分束器構成，經(jīng)第二分束器反射出信號光的方向與所述第二全反射鏡反射出前向泵浦光的 方向的夾角為1°。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于所述Kerr介質為摻Bi2O3的玻璃薄片。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其特征在于所述兩個分束器均為熔融硅材料制成，厚 度為1mm。
全文摘要
本發(fā)明旨在提供一種提高飛秒脈沖信噪比方法及其實現(xiàn)裝置，以解決傳統(tǒng)提高信噪比的方法提升量級有限、且在此過程中造成較大能量損失的問題。該方法包括以下步驟(1)將系統(tǒng)接收的泵浦光分成能量相等的兩束光；(2)調(diào)整步驟(1)所述的兩束光，使這兩束光的傳播方向相反；同時調(diào)整系統(tǒng)的輸入信號光的方向與所述兩束光其中任一的夾角為0.5-3°；(3)所述兩束光作為前向泵浦光和后向泵浦光，與所述輸入信號光保持同步，發(fā)生簡并四波混頻作用，產(chǎn)生相位共軛波；(4)所述相位共軛波，即高信噪比的飛秒脈沖信號光。本發(fā)明信噪比提高的數(shù)量級高，能量損失小，形成較好的光束質量。
文檔編號G02B27/10GK102073188SQ201010605690
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權日2010年12月24日
發(fā)明者劉紅軍, 孫啟兵, 文進, 梁師國, 趙衛(wèi), 黃楠 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所