專利名稱：提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種光學技術領域的裝置，特別是一種提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置。
背景技術：
許多技術領域都涉及到高功率的偏振激光光源，偏振激光可以用來對一些物質進行光學泵浦以提高物質的極化度。例如，采用自旋交換激光泵浦的方法獲得超極化惰性氣體，超極化惰性氣體可以用于生物醫(yī)學及其它領域空腔結構的核磁共振成像檢測。自旋交換激光泵浦方法獲得超極化氣體的原理是非偏振激光轉換為線偏振光；線偏振光再轉換為圓偏振光；圓偏振激光被導入到充滿待極化物質如銣、鈉、鉀等堿金屬蒸汽和惰性氣體(3He、129Xe)的光學泵浦容器內；與堿金屬蒸氣吸收光譜相同波長范圍的圓偏振激光光子將自身的角動量傳遞給堿金屬原子，從而將堿金屬原子極化；通過超精細相互作用，堿金屬原子和惰性氣體原子之間發(fā)生自旋交換，結果導致惰性氣體原子被極化，從而獲得超極化的惰性氣體。
經對現有技術的文獻檢索發(fā)現，普通激光器出射激光一般為部分偏振激光，為了得到泵浦所需的圓偏振光，Jason C Leawoods等人在《Concepts inMagnetic Resonance》(磁共振概念)Vol.13(5)277-293(2001)上發(fā)表的文章“Hyperpolarized3He Gas Production and MR Imaging of the Lung”(超極化3He氣體的制備及肺部核磁共振成像)，該文中采用的光路為激光源為高功率二極管陣列激光器，出射激光通過透鏡組擴束整形為平行光束；平行光束通過一個偏振片，非偏振激光轉換為線偏振光；線偏振光再通過一個1/4λ波片，1/4λ波片的光軸與線偏振光光矢量的振動方向之間的夾角為+45°或-45°，從而獲得圓偏振光。其不足之處在于光波通過偏振片時，光波正交偏振分量之一幾乎完全透射出射成為線偏振光；而另一個偏振分量的激光被偏振片吸收。在這種光路設計下，激光器的出射能量沒有被完全利用，如果激光器出射激光偏振度為0，則可以計算出由于偏振片的損耗，損失的能量為50％，也就是說只有一半的激光能量被用來轉換為圓偏振光對工作物質進行泵浦。由于偏振片對能量的選擇吸收，會發(fā)生嚴重的光熱反應對光學器件造成損傷，現有技術不適用于大功率激光情況。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，使其能夠適用于大功率激光情況。本發(fā)明用偏振分光棱鏡替代偏振片，充分利用了非偏振光源互相垂直的兩個偏振分量的激光能量，提高了激光泵浦極化氣體的效率。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括擴束整形器、偏振分光棱鏡、1/4λ波片、反射鏡或者反射鏡組。擴束整形器設置于激光光源后；偏振分光棱鏡設置于擴束整形器后；兩個1/4λ波片分別設置于入射光和反射光出射的兩個偏振分光棱鏡表面后；反射鏡或者反射鏡組設置于反射光的光路上。激光從激光器傳輸光纖出射，經過擴束整形器后轉換成平行光束。非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱鏡中間的偏振分光面上，反射光束和透射光束均為線偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直。線偏振的透射光束和線偏振的反射光束分別在偏振分光棱鏡垂直相鄰的兩表面出射，然后分別通過一個1/4λ波片被轉換為圓偏振光。圓偏振的透射光束直接入射到光泵室。圓偏振的反射光束經過反射鏡或者反射鏡組反射到光泵室內。
所述的擴束整形器將光束整形為平行光束，并且光束直徑與光泵浦室的直徑相等。
所述的偏振分光棱鏡，其幾何中心軸與擴束整形器光軸重合。
所述的1/4λ波片，其光軸與各自穿過的線偏振光的偏振方向成45°夾角。
所述的反射鏡或者反射鏡組將偏振分光棱鏡反射出來的光束反射到光泵室內。反射鏡或者反射鏡組的擺放位置和角度應盡量使反射光束與透射光束夾角更小、交疊區(qū)域更大。
所述的反射鏡組，其包含的反射鏡的數量為單數，以保證通過半波損失作用將反射光束的偏振態(tài)轉換為與透射光束的偏振態(tài)一致。
本發(fā)明工作時，波長與待泵浦物質吸收譜線相對應的激光從激光器傳輸光纖出射，出射激光通常具有一定的發(fā)散角，光波經過擴束整形器后轉換成一束平行光束，光束直徑與光泵浦室的直徑相等，以使光泵浦室得到均勻照射。平行光束垂直入射到一個偏振分光棱鏡內。偏振分光棱鏡由一對直角棱鏡膠合而成，其中一塊棱鏡的斜面上鍍有多層介質偏振分光膜。非偏振光垂直入射到偏振分光棱鏡中間的偏振分光面上，反射光束和透射光束均為線偏振光，而且兩束光的偏振方向互相垂直。線偏振的透射光束和線偏振的反射光束分別在偏振分光棱鏡垂直相鄰的兩表面出射。線偏振的透射光束從偏振分光棱鏡出射后經過一個1/4λ波片，1/4λ波片的光軸與線偏振光光矢量的振動方向之間夾角為45°，線偏振光被轉換為圓偏振光直接入射到光泵室內對待泵浦物質進行光學泵浦。線偏振的反射光束從偏振分光棱鏡出射后經過一個1/4λ波片，1/4λ波片的光軸與線偏振光光矢量的振動方向之間夾角為45°，則線偏振光被轉換為圓偏振光并且偏振態(tài)與透射光束的偏振態(tài)相反，圓偏振激光束經過反射鏡反射到光泵室內，由于有反射鏡的半波損失作用，反射光的偏振態(tài)將被轉換為與透射光完全相同。反射鏡或者反射鏡組的擺放位置和角度應盡量使反射光束與透射光束夾角更小、交疊區(qū)域更大。若選用反射鏡組則反射鏡的數量為單數，以保證反射光束和透射光束最終的偏振態(tài)一致。反射光束與透射光束一起對待泵浦物質進行光學泵浦。由于一個偏振分量的激光被透射而另一個偏振分量的激光被反射，偏振分光棱鏡線幾乎不吸收光能，不會產生很嚴重的光熱效應，可以應用于高功率激光情況。
本發(fā)明的有益效果是充分利用了非偏振光源互相垂直的兩個偏振分量的激光能量，將兩個不同偏振態(tài)的線偏振激光轉換為相同偏振態(tài)的圓偏振光共同作用于待泵浦物質，極大的提高了泵浦激光能量的利用率。根據激光源偏振度的不同，本發(fā)明可以將激光能量的利用率提高30％-80％。由于降低了光熱效應對光學器件的損傷，本發(fā)明可以用于高功率激光情況。本發(fā)明結構簡單，可操作性強。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括擴束整形器1、偏振分光棱鏡2、1/4λ波片3、反射鏡4。擴束整形器1設置于激光光源5后；偏振分光棱鏡2設置于擴束整形器1后；兩個1/4λ波片3分別設置于偏振分光棱鏡2的透射光和反射光出射的兩個平面后；反射鏡或者反射鏡組4設置于反射光的光路上。激光從激光器傳輸光纖5出射，經過擴束整形器1后轉換成平行光束。非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱鏡2中間的偏振分光面上，反射光束和透射光束均為線偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直。線偏振的透射光束和線偏振的反射光束分別在偏振分光棱鏡2垂直相鄰的兩表面出射，然后分別通過1/4λ波片3被轉換為圓偏振光。圓偏振的透射光束直接入射到光泵室6，圓偏振的反射光束經過反射鏡或者反射鏡組4反射到光泵室內。圖1中，實線表示沿光軸傳播的光，為了對整個光束的傳播途徑能夠更清楚的理解，用虛線表示非光軸傳播的光。
所述的擴束整形器1將光束整形為平行光束且光束直徑與光泵浦室6的直徑相等。
所述的偏振分光棱鏡2，其幾何中心軸與擴束整形器1光軸重合。
所述的兩個1/4λ波片3，其光軸與各自穿過的線偏振光偏振方向成45°夾角。
所述的反射鏡或者反射鏡組4將偏振分光棱鏡2反射出來的光束反射到光泵浦室6內，其擺放位置和角度盡可能使偏振分光棱鏡2反射出來的光束與偏振分光棱鏡2透射出來的光束夾角更小、交疊區(qū)域更大。
所述的反射鏡組4，其包含的反射鏡的數量應為單數，以保證通過半波損失作用將反射光束的偏振態(tài)轉換為與透射光束的偏振態(tài)一致。
權利要求
1.一種提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，包括擴束整形器(1)、偏振分光棱鏡(2)、1/4λ波片(3)、反射鏡或者反射鏡組(4)，其特征在于，擴束整形器(1)設置于激光光源后，偏振分光棱鏡(2)設置于擴束整形鏡(1)后，兩個1/4λ波片(3)分別設置于偏振分光棱鏡(2)的透射光和反射光出射的兩個平面后，反射鏡或者反射鏡組(4)設置于反射光的光路上，激光從激光器傳輸光纖(5)出射，經過擴束整形器(1)后轉換成平行光束，非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱鏡(2)中間的偏振分光面上，反射光束和透射光束均為線偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直，線偏振的透射光束和線偏振的反射光束分別在偏振分光棱鏡(2)垂直相鄰的兩表面出射，然后分別通過1/4λ波片(3)被轉換為圓偏振光，圓偏振的透射光束直接入射到光泵室(6)，圓偏振的反射光束經過反射鏡或者反射鏡組(4)反射到光泵室內。
2.根據權利要求1所述的提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，其特征是，所述的擴束整形鏡(1)將光束整形為平行光束且光束直徑與光泵浦室的直徑相同。
3.根據權利要求1所述的提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，其特征是，所述的偏振分光棱鏡(2)的幾何中心軸與擴束整形鏡(1)光軸重合。
4.根據權利要求1所述的提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，其特征是，所述的兩個1/4λ波片(3)，其光軸與各自穿過的線偏振光偏振方向成45°夾角。
5.根據權利要求1所述的提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，其特征是，所述的反射鏡或者反射鏡組(4)將偏振分光棱鏡(2)反射出來的光束反射到光泵室(6)內，其設置位置和角度盡可能使偏振分光棱鏡(2)反射出來的光束與偏振分光棱鏡(2)透射出來的光束夾角更小、交疊區(qū)域更大。
6.根據權利要求1或者5所述的提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置，其特征是，所述的反射鏡組(4)，其包含的反射鏡的數量為單數，以保證通過半波損失作用將反射光束的偏振態(tài)轉換為與透射光束的偏振態(tài)一致。
全文摘要
一種光學技術領域的提高激光泵浦超極化氣體泵浦效率的裝置。本發(fā)明中，激光從激光器傳輸光纖出射，經過擴束整形器后轉換成平行光束，非偏振的平行光束垂直入射到偏振分光棱鏡中間的偏振分光面上，反射光束和透射光束均為線偏振光，而且反射光束和透射光束的偏振方向互相垂直，線偏振的透射光束和線偏振的反射光束分別在偏振分光棱鏡垂直相鄰的兩表面出射，然后分別通過一個1/4λ波片被轉換為圓偏振光，圓偏振的透射光束直接入射到光泵室，圓偏振的反射光束經過反射鏡或者反射鏡組反射到光泵室內。本發(fā)明可以將激光能量的利用率提高30％－80％，且結構簡單，可操作性強。由于降低了光熱效應對光學器件的損傷，本發(fā)明可以用于高功率激光情況。
文檔編號G02F1/35GK1811572SQ20051011122
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月8日 優(yōu)先權日2005年12月8日
發(fā)明者楊昆, 任秋實, 王成, 姚志萍 申請人:上海交通大學