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,就一直朝著高功率、短脈寬、寬波長調(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激光技術(shù)發(fā)展為人類提供用于科學(xué)研究最強有力 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 快弛豫過程,以從未有過的光強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)展了多種時間分辨光譜技術(shù)和泵浦探測技術(shù)。它的發(fā)展直 接帶動物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進(jìn)入微觀超快過程領(lǐng)域,并開創(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)生的超強激光功率已經(jīng)突破數(shù)百TW量級量級,這為物理研究提供了許多可以 實現(xiàn)的極端條件,諸如實驗室天體物理,激光核聚變等,我國在此領(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,在實際應(yīng)用中,超短紫外光脈沖以其短波長的特點有著更高的利用價值,而常規(guī)超短脈 沖激光器輸出波長已不能滿足采用短波長進(jìn)行研究和應(yīng)用的需求。為了進(jìn)一步擴展超短脈 沖激光應(yīng)用的波長范圍,需要對現(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,我國中科院物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所多年來 在非線性晶體的生長制備領(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)實際的用途對其強度進(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)過衰減器件,而通常的光強衰減(調(diào) 制)器,包括各種衰減片,偏振片以及光柵、液晶等,其對產(chǎn)生的超短倍頻光進(jìn)行強度調(diào)制 的同時由于色散或吸收效應(yīng),往往會引起其脈沖寬度和形狀的改變,這將對其應(yīng)用帶來不 利的影響。由于其脈沖長度極短,而且吸收性的連續(xù)衰減片更加會造成光斑質(zhì)量的不均勻。 由于超短激光極強的脈沖峰值功率,往往也會對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Τ堂}沖的強度進(jìn)行調(diào)整。
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本實驗室(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室,原超快速激光光譜學(xué)國家 重點實驗室)是我國首批建設(shè)的十個重點實驗室之一,長期以來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、測量與時間分辨激光光譜學(xué) 技術(shù)(包括時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,具備完善的實驗儀器。近年來實驗室在光學(xué)相位控制及光機電一體化技術(shù)方面的研究 取得重要進(jìn)展,已經(jīng)獨立開發(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
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點,本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單的、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、且不會對衰減器件造成損傷的、能夠?qū)Τ堂} 沖的強度進(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束并分割為至少四束 平行光的光學(xué)系統(tǒng)、對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)擴束后分成對稱的幾路平行光,并通過一片 簡易的液晶調(diào)制器(SLM),通過液晶電壓控制系統(tǒng)調(diào)整SLM中施加的電壓,以便對其中一路 脈沖激光的相位進(jìn)行精確調(diào)制,以控制幾束平行光對對稱中心處兩束和頻光的相位差,利 用其相干疊加對其輸出強度進(jìn)行調(diào)整。 所述光學(xué)系統(tǒng)包括擴束鏡以及設(shè)有至少四個通光孔的掩模板。擴束鏡用于將超短 脈沖激光轉(zhuǎn)化為平行光束,掩模板上設(shè)有的至少四個通光孔將平行光束分割成多路對稱的 平行光。 所述通光孔為四個。本發(fā)明中輸出光強度調(diào)制的機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)生輸出強度的調(diào)整,故選擇通光孔為四個。 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)制器對應(yīng)的液 晶像素對準(zhǔn)。液晶調(diào)制器為純相位型,則僅對激光相位產(chǎn)生調(diào)制,對激光強度和偏振分布不 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,其變化步長小于0. OIV, 以實現(xiàn)對輸出光強的連續(xù)調(diào)制。 所述加載在液晶調(diào)制器上的電壓變化步長為0. 001V。 所述液晶調(diào)制器調(diào)制度大于一個波長相位,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)衰減器無需使用附加濾波器件便可實現(xiàn)基頻光 與倍頻光的分離,因而結(jié)構(gòu)簡單,將一束超短脈沖激光擴束為平行光,經(jīng)過掩模板分為多 束,投射到液晶調(diào)制器上,液晶電壓控制系統(tǒng)則通過調(diào)整施加于液晶調(diào)整器的電極上的電 壓,對其中一束光的相位延遲實現(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,因而無需使用 附加濾波器件便可實現(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,也不會對衰減器件造成損傷,也能夠?qū)Τ堂}沖的強度進(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。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
實施例 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束并分割 為四束平行光的光學(xué)系統(tǒng)1、對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)包括擴束鏡11以及設(shè)有四個通光孔的掩模板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)過擴束鏡11擴束,擴束光經(jīng)過掩膜板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對應(yīng)的液晶像素對準(zhǔn)。
這里的液晶調(diào)制器2為純相位型,僅對激光相位產(chǎn)生調(diào)制,對激光強度和偏振分 布不造成影響,且液晶調(diào)制器2調(diào)制度大于一個波長相位,即2ji 。而液晶電壓控制系統(tǒng)3 通過調(diào)整施加在液晶調(diào)制器2上的電壓的大小來對其中一束光的相位延遲實現(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, 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 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士rc。 本發(fā)明利用超短脈沖激光和頻效應(yīng)實現(xiàn)對其倍頻光強度的調(diào)制,可實現(xiàn)對超短脈 沖激光的倍頻光強度的連續(xù)可調(diào),可應(yīng)用于紫外及其他各種短波長超短激光脈沖的產(chǎn)生和 強度調(diào)諧。其工作過程如下將一束超短脈沖激光經(jīng)擴束鏡ll擴束后投至帶四個通光孔的 掩模板12,將平行光分成對稱的四路,并通過一片簡易的液晶調(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 控制四束光對對稱中心處兩束和頻光的相位差,利用其相干疊加從而對其輸出強度進(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,無需使用附加濾波器件便可實現(xiàn)基頻光與倍頻光的分離。
以上對本發(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,對于本領(lǐng) 域的一般技術(shù)人員,依據(jù)本發(fā)明實施例的思想,在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變 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8個甚至多個,綜上所述,本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(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束并分割為至少四束平行光的光學(xué)系統(tǒng)、對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) 包括擴束鏡以及設(shè)有至少四個通光孔的掩模板。
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。
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)制器對應(yīng)的液晶像素對準(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為o. ooiv。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項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)制度大于一個波長相位,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士rc。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項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束并分割為至少四束平行光的光學(xué)系統(tǒng)、對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)實現(xiàn)對其倍頻光強度的調(diào)制,在超短脈沖激光產(chǎn)生倍頻光的過程中,控制倍頻晶體中的倍頻效率從而實現(xiàn)對超短脈沖激光的倍頻光強度的連續(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、且不會對衰減器件造成損傷、能夠超短脈沖的強度進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。
文檔編號G02F1/35GK101750836SQ200910214228
公開日2010年6月23日 申請日期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 申請人:中山大學(xué)