專利名稱：一種提升超短脈沖激光信噪比的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超短脈沖信激光噪比的提升領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的超短脈沖激光信噪比實現(xiàn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
脈沖極短和強度極高的飛秒激光將顯示獨特的光學(xué)特性，并且將創(chuàng)造研究重大科學(xué)問題的新途徑。所形成的超強電場已經(jīng)可與原子中電子所受的束縛電場相比擬。這種強電場與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的新現(xiàn)象以及物理機理是強場物理的主要研究內(nèi)容。同時飛秒高峰值功率的激光也是產(chǎn)生激光等離子體、超短X射線激光的重要工具。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(shù)和泵浦、探測技術(shù)，例如:時間分辨熒光光譜技術(shù)，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(shù)，超高時間分辨掃描探針顯微技術(shù)。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(shù)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(xué)分支(強場物理)。CPA/0PCPA技術(shù)打開了一個新的物理學(xué)領(lǐng)域，諸如ICF快點火，高能物理，高強度X射線輻照源，粒子加速，產(chǎn)生X射線激光，產(chǎn)生激光高次諧波，產(chǎn)生中子，天體物理等，給科學(xué)家們帶來了未曾預(yù)料到的一些新奇物理現(xiàn)象，還可以使人們在實驗室中對天體物理現(xiàn)象以及慣性約束核聚變反應(yīng)進行實驗室模擬。當(dāng)前高達(dá)IO22WAi2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(dǎo)致了新的科學(xué)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(yīng)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Gbar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(shù)提供一個開發(fā)平臺。但是這些應(yīng)用對脈沖的信噪比都有很高的要求。因為，當(dāng)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(yù)脈沖，當(dāng)預(yù)脈沖的峰值功率超過介質(zhì)的電離閾值(KTW/m2)，介質(zhì)會因為預(yù)脈沖跟介質(zhì)電離，從而改變介質(zhì)的屬性，影響主脈沖與介質(zhì)的相互作用，更嚴(yán)重的是阻止主脈沖與介質(zhì)發(fā)生作用。這點在ICF激光點火，超精細(xì)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、交叉偏振波(XPW)、光參量放大(OPA)、等離子體鏡等，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。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(shù)的提出是非常有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的提高超短脈沖信噪比的方法提升量級少、轉(zhuǎn)換效率低、裝置調(diào)試復(fù)雜、穩(wěn)定性低的技術(shù)問題，本發(fā)明一種提升超短脈沖激光信噪比的裝置及方法，本發(fā)明具有原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、高效穩(wěn)定、調(diào)試簡單等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種提升超短脈沖激光信噪比的裝置，其特殊之處在于:包括沿激光光束傳輸方向依次設(shè)置的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、非線性玻璃、第二透鏡、第二四分之一波片以及檢偏器，所述起偏器和檢偏器的透光軸方向互相垂直，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸方向垂直，所述非線性玻璃設(shè)置在第一透鏡和第二透鏡的焦點重合處。上述非線性玻璃為摻Bi2O3的非線性玻璃。上述第一四分之一波片和第二四分之一波片均為消色差四分之一波片。上述提升信噪比裝置的提升超短脈沖激光信噪比方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:I]激光光束通過起偏器形成豎直線偏振光，入射到第一四分之一波片且豎直線偏振光與第一四分之一波片的快軸夾角為12° -14° ；2]豎直線偏振光通過第一四分之一波片輸出橢圓偏振光；3]橢圓偏振光經(jīng)過第一透鏡聚焦到非線性玻璃發(fā)生強度旋轉(zhuǎn)輸出混合在一起的旋轉(zhuǎn)后的非線性橢圓偏振光和未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的橢圓偏振光；4]旋轉(zhuǎn)后的非線性橢圓偏振光和未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的橢圓偏振光通過第二透鏡聚焦至第二四分之一波片上；旋轉(zhuǎn)后的非線性橢圓偏振光經(jīng)過第二四分之一波片輸出與豎直線偏振光垂直的水平線偏振光，未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的橢圓偏振光經(jīng)過第二四分之一波片輸出與豎直線偏振光相同的偏振光；5]水平線偏振光和豎直線偏振光同時入射至檢偏器上，水平線偏振光經(jīng)過檢偏器透射射出得到高信噪比的光脈沖，豎直線偏振光經(jīng)過檢偏器反射射出。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的提升超短脈沖激光信噪比的方法，其特征在于:步驟I]中豎直線偏振光與第一四分之一波片的快軸夾角為12.6°。上述非線性玻璃為摻Bi2O3的非線性玻璃。上述第一四分之一波片和第二四分之一波片均為消色差四分之一波片。本發(fā)明所具有的優(yōu)點:1、本發(fā)明信噪比提高的幅度大，本發(fā)明采用非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)提高飛秒脈沖激光信噪比，在不計檢偏器消光比的影響情況下，輸出脈沖激光信噪比約為輸入激光脈沖信噪比的三次方。2、轉(zhuǎn)換效率高，本發(fā)明采用一束光進行轉(zhuǎn)換，節(jié)能并且轉(zhuǎn)換效率高。3、高的光束質(zhì)量，本發(fā)明通過非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)提高信噪比的同時在空間上也對光脈沖進行非線性濾波，從而可得到較高的光束質(zhì)量。4、輸出脈沖時域波形良好，本發(fā)明檢波器最終輸出的光脈沖與激光器輸出的光脈沖波形相似、無畸變。5、適合于大能量脈沖激光信噪比的提升，穩(wěn)定性高，本發(fā)明采用非線性玻璃，由于非線性玻璃特性(當(dāng)強脈沖經(jīng)過非線性玻璃時發(fā)生非線性相移，從而發(fā)生非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)，當(dāng)弱脈沖經(jīng)過非線性玻璃時強度小，非線性效應(yīng)弱，偏振態(tài)不變)，這也就造就了本發(fā)明適用大能量脈沖激光。6、結(jié)構(gòu)簡單，方便實用，成本低。本發(fā)明整個裝置包括沿光路搭建的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、非線性玻璃、第二透鏡、第二四分之一波片以及檢偏器等五種光學(xué)器件，光學(xué)器件少、容易獲得。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的飛秒脈沖輸入信噪比；圖3為本發(fā)明的經(jīng)過非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)的輸出信噪比；圖4為本發(fā)明的經(jīng)過非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換效率。其中附圖標(biāo)記為:1_激光器，2-第一四分之一波片，3-第一透鏡，4-非線性玻璃，5-第二透鏡，6-第二四分之一波片，Pl-起偏器，P2-檢偏器。
具體實施例方式本發(fā)明采用非線性玻璃具有高的三階非線性系數(shù)(一般三階非線性系數(shù)要求在10_12esu量級以上)，例如在玻璃薄片上摻雜有Bi2O3,重金屬，PbO,都可以的。常用的是Bi2O3,目的是具有高的三階非線性系數(shù)，此介質(zhì)三階非線性系數(shù)可以達(dá)到5.8X 10_12eSu，從而可以利用較低的功率密度(GW量級)來實現(xiàn)非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)線偏振光與四分之一波片快軸夾角實現(xiàn)控制橢圓率可以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。利用該方案得到旋轉(zhuǎn)后的偏振光來提高飛秒脈沖激光的信噪比，同時也獲得了較高的轉(zhuǎn)換效率。參見圖1，本發(fā)明提供了基于非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)提高飛秒脈沖信噪比。包括沿激光光束傳輸方向依次設(shè)置的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、非線性玻璃、第二透鏡、第二四分之一波片以及檢偏器，起偏器和檢偏器的透光軸方向互相垂直，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸方向垂直，所述非線性玻璃設(shè)置在第一透鏡和第二透鏡的焦點重合處。非線性玻璃為摻Bi2O3的非線性玻璃。第一四分之一波片和第二四分之一波片均為消色差四分之一波片。該方案中從激光器I輸出的光是平行于紙面的線偏振光，起偏器P1和檢偏器P2且透光軸方向互相垂直，消色差四分之一波片。其中，四分之一波片快軸方向互相垂直。從激光器輸出的經(jīng)過起偏器P1的豎直線偏振光與第一四分之一波片快軸夾角為12.6°。調(diào)節(jié)線偏振光與四分之一波片快軸夾角實現(xiàn)控制橢圓率可以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在功率密9.1561/(31112—定的前提下，有個最佳角度12.6°，角度大轉(zhuǎn)換效率降低，最佳夾角范圍為12-14°。經(jīng)過第一四分之一波片后，輸入線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光。然后經(jīng)過第一透鏡聚焦到摻Bi2O3的玻璃薄片發(fā)生非線性作用，其中，摻Bi2O3的玻璃薄片的厚度為2.8mm，入射到摻Bi2O3的玻璃薄片表面上的功率密度為9.15GW/cm2。由于非線性效應(yīng)，主脈沖在經(jīng)過摻Bi2O3的玻璃薄片時發(fā)生非線性相移，從而發(fā)生非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)，相反，預(yù)脈沖由于強度小，非線性效應(yīng)弱，不發(fā)生橢圓旋轉(zhuǎn)。最后，通過四分之一波片和檢偏器將偏轉(zhuǎn)后的主脈沖和沒有旋轉(zhuǎn)的預(yù)脈沖分開，得到了與輸入光脈沖偏振方向垂直、高信噪比的光脈沖。從而在時域上將激光脈沖的主脈沖與預(yù)脈沖分開及其提高了脈沖激光的時域信噪比。按時間先后區(qū)分，在前面的為預(yù)脈沖，一般預(yù)脈沖強度要比主脈沖強度要小5-6個量級，主脈沖指的是時間窗口中間強度最強的脈沖。參見圖2，利用非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)來提高飛秒脈沖的信噪比?？v軸用對數(shù)坐標(biāo)來表示主脈沖與預(yù)脈沖的強度情況，預(yù)脈沖的強度相對主脈沖的強度歸一化。主脈沖寬度為500fs，預(yù)脈沖在主脈沖前面的2ps處，輸入信號光的信噪比為10_5。參見圖3，仍然采用歸一化的對數(shù)坐標(biāo)表示該方案輸出信噪比的情況。預(yù)脈沖的峰值強度已經(jīng)由原來輸入信號光的10_5降到8.84X10_14，因此，在不計檢偏器消光比的影響下，基于非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)這種方法可以使輸出飛秒脈沖激光信噪比為輸入光脈沖信噪比的三次方。參見圖4，利用非線性橢圓偏振旋轉(zhuǎn)獲得了比較高的轉(zhuǎn)換效率。非線性相移量為
3.8 π，理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%。
權(quán)利要求
1.一種提升超短脈沖激光信噪比的裝置，其特征在于:包括沿激光光束傳輸方向依次設(shè)置的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、非線性玻璃、第二透鏡、第二四分之一波片以及檢偏器， 所述起偏器和檢偏器的透光軸方向互相垂直，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸方向垂直，所述非線性玻璃設(shè)置在第一透鏡和第二透鏡的焦點重合處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升超短脈沖激光信噪比的裝置，其特征在于:所述非線性玻璃為摻Bi2O3的非線性玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提升超短脈沖激光信噪比的裝置，其特征在于:所述第一四分之一波片和第二四分之一波片均為消色差四分之一波片。
4.一種權(quán)利要求1所述提升信噪比裝置的提升超短脈沖激光信噪比方法，其特征在于:包括以下步驟: 1]激光光束通過起偏器形成豎直線偏振光，入射到第一四分之一波片且豎直線偏振光與第一四分之一波片的快軸夾角為12° -14° ； 2]豎直線偏振光通過第一四分之一波片輸出橢圓偏振光； 3]橢圓偏振光經(jīng)過第一透鏡聚焦到非線性玻璃發(fā)生強度旋轉(zhuǎn)輸出混合在一起的旋轉(zhuǎn)后的非線性橢圓偏振光和未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的橢圓偏振光； 4]旋轉(zhuǎn)后的非線性橢圓偏振光和未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的橢圓偏振光通過第二透鏡聚焦至第二四分之一波片上； 旋轉(zhuǎn)后的非線性橢圓偏振光經(jīng)過第二四分之一波片輸出與豎直線偏振光垂直的水平線偏振光，未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的橢圓偏振光經(jīng)過第二四分之一波片輸出與豎直線偏振光相同的偏振光; 5]水平線偏振光和豎直線偏振光同時入射至檢偏器上，水平線偏振光經(jīng)過檢偏器透射射出得到高信噪比的光脈沖，豎直線偏振光經(jīng)過檢偏器反射射出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提升超短脈沖激光信噪比的方法，其特征在于:步驟I]中豎直線偏振光與第一四分之一波片的快軸夾角為12.6°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的提升超短脈沖激光信噪比的方法，其特征在于: 所述非線性玻璃為摻Bi2O3的非線性玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提升超短脈沖激光信噪比的方法，其特征在于:所述第一四分之一波片和第二四分之一波片均為消色差四分之一波片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提升超短脈沖激光信噪比的裝置及方法，包括沿激光光束傳輸方向依次設(shè)置的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、非線性玻璃、第二透鏡、第二四分之一波片以及檢偏器，起偏器和檢偏器的透光軸方向互相垂直，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸方向垂直，非線性玻璃設(shè)置在第一透鏡和第二透鏡的焦點重合處。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的提高超短脈沖信噪比的方法提升量級少、轉(zhuǎn)換效率低、裝置調(diào)試復(fù)雜、穩(wěn)定性低的技術(shù)問題，發(fā)明具有原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、高效穩(wěn)定、調(diào)試簡單等優(yōu)點。
文檔編號H01S3/10GK103187680SQ20111044571
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉紅軍, 梁師國, 黃楠, 孫啟兵 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所