通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法

2023-06-25 21:12:26 1

專利名稱：通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法
技術領域：
本發明屬於超短脈衝放大技術領域，特別涉及提高飛秒雷射信噪比的方法。
背景技術：
啁啾脈衝放大(CPA)技術和寬帶高增益介質的出現，將超短脈衝高功率雷射裝置 輸出的雷射脈衝峰值功率由GW量級迅速推至TW量級，甚至是PW量級，而且正向EW量級的 更高峰值功率邁進。與此相應，雷射脈衝的聚焦功率密度也被迅速提高，達到1019—2°W/cm2量 級以上。在雷射與物質相互作用過程中，強度為10"W/cn^的雷射可使物質產生等離子體，從 而削弱主脈衝。因此要求此類雷射系統的信噪比達到10" 10"或以上，對EW乃至更高功 率的雷射系統而言，其信噪比要求更高，但目前超短脈衝高功率雷射裝置輸出的雷射(飛 秒雷射)信噪比一般為107 1(^，與超高峰值功率雷射的要求還存在一定的差距。因此， 提高超雷射的信噪比是超短脈衝領域研究的熱點問題。
現有技術中，提高飛秒雷射信噪比的技術方案有以下幾種
1、採用電光開關法 目前，電光開關的時間門可短至4ns-7ns，能有效去除前級再生放大器漏光噪聲。 電光開關可級聯使用，信噪比可提高2-3個量級，但採用電光開關只能解決主脈衝前沿幾 個ns的噪聲，而對幾個ps到ns量級的噪聲卻無能為力。
2、非線性濾波法 非線性濾波技術的典型代表為交叉偏振波(XPW)和等離子體鏡(PM)濾波技術。 A. Jullien等人以BaF2作為XPW轉換晶體，由於轉換效率正比於強度3次方，因而能有效提 高雷射的信噪比，達到101Q IO"水平，適應於ii J-mJ雷射脈衝(A. Jullien，N. Minkovski， S. M. Saltiel. 10 temporal contrast for femtosecond ultraintense lasers by cross polarizedwave generation [J] Opt. Lett. ，2005,30(8) :920-922)，經優化後的轉換效率 為20% (V. Chvykov， P. Rousseau, S. Reed， et al. Generation of 1011 contrast 50 TW laser pulses [J]. Opt. Lett. ，2006,31(10) :1456-1458)。但非線性濾波在啁啾脈衝壓縮後
使用，存在非線性效應、轉換效率低、不能級聯使用、光路調整複雜等問題。
3、利用環形腔放大法 Y.Yanovsky等人利用環形腔放大來降低自發輻射噪聲，信噪比提高兩個量級， 獲得了信噪比為108的飛秒脈衝(Y.Yanovsky Y， C.Felix， G. Mourou， et al. Why ring regenativeamplification regin [J] A卯l. Phys. B， 2002， 74 :S181_185)。但採用該技 術方案光路調整複雜，且僅適用於預放，難以在雷射系統中的後級放大中使用。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種通過掃描濾波提高飛秒雷射信
噪比的方法，此種方法不僅能濾掉噪聲，有效提高飛秒雷射的信噪比，而且飛秒雷射的轉換 效率高，操作簡單。
本發明所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，是將待提高信噪比的飛秒 雷射展寬形成的啁啾脈衝通過掃描濾波濾掉噪聲後，再壓縮成飛秒雷射。對所述啁啾脈衝 進行掃描濾波的次數根據壓縮後形成的飛秒雷射信噪比的要求而定，可以為一次，也可以 為多次，次數越多，啁啾脈衝壓縮後形成的飛秒雷射的信噪比越高，當然，其峰值強度會降 低。 上述方法中，要求所用掃描濾波器的中心頻率與進入掃描濾波器的啁啾脈衝的中
心頻率相同，且它們的變化規律一致，以便使啁啾脈衝以高透過率通過掃描濾波器。 上述方法中，所用掃描濾波器為通帶寬度可變的掃描濾波器，以提高掃描濾波器
設計的靈活性。 根據本發明所述方法，所用掃描濾波器由設置在同一光路上的第一偏振器、雙摺 射晶體、電光晶體和第二偏振器構成，第一偏振器與第二偏振器的透振方向相互正交，雙摺 射晶體和電光晶體位於第一偏振器和第二偏振器之間。第一偏振器與第二偏振器的位置可 互換，雙折射晶體與電光晶體的位置可互換。通過第一偏振器(或第二偏振器)的啁啾脈 衝和噪聲，其透振方向與第一偏振器(或第二偏振器) 一致，並進入雙折射晶體、電光晶體； 雙折射晶體使接收到的啁啾脈衝和噪聲的偏振方向發生改變且改變量不隨時間變化，電光 晶體在所施加的隨時間改變的電壓作用下使接收到的啁啾脈衝和噪聲的偏振方向發生改 變且改變量隨時間變化，通過雙折射晶體、電光晶體的啁啾脈衝的偏振方向與第二偏振器 (或第一偏振器)的透振方向一致，通過雙折射晶體、電光晶體的大部分噪聲的偏振方向與 第二偏振器(或第一偏振器)的透振方向不一致；根據馬呂斯定律，偏振方向與第二偏振 器(或第一偏振器)的透振方向一致的啁啾脈衝以透過率為100%通過，噪聲以其偏振方 向與第二偏振器(或第一偏振器)透振方向的夾角餘弦平方的透過率通過，即第二偏振器 (或第一偏振器)允許與其透振方向一致的啁啾脈衝通過，而噪聲將以低的透過率通過，從 而將大部分噪聲濾掉，達到濾波的效果。 控制加載在電光晶體上的電壓能夠使掃描濾波器的中心頻率與進入掃描濾波器
的啁啾脈衝的中心頻率相同，且它們的變化規律一致，而選用不同材料的電光晶體可以改
變掃描濾波器的通帶寬度。電光晶體可選用非線性光學晶體製作，優選磷酸二氫鉀(KDP)、
偏硼酸鋇(BB0)製作。 本發明具有以下有益效果 1、使用本發明所述方法，經一次掃描濾波的啁啾脈衝壓縮形成的飛秒雷射的信噪 比可提高兩個量級。 2、使用本發明所述方法，可對飛秒雷射展寬形成的啁啾脈衝進行多次掃描濾波， 以獲得高信噪比的飛秒雷射。 3、本發明所述方法，啁啾脈衝的轉換效率高，經一次掃描濾波，啁啾脈衝的轉換效 率可達90%以上。 4、本發明所述方法操作簡單，能適應於大口徑、大能量的高功率雷射器的末端使 用。


圖1是本發明所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法中所述掃描濾波的原理圖； 圖2是根據本發明所述方法設計的掃描濾波器的一種結構示意圖；
圖3是根據本發明所述方法設計的掃描濾波器的又一種結構示意圖；
圖4是本發明所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法的一種流程圖；
圖5是本發明所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法的又一種流程圖。
圖中，1-噪聲、2_濾波函數、3-啁啾脈衝、4-濾波函數的掃描路徑、1-強度、"_角 頻率、t-時間、5_第-偏振器、6_雙折射晶體、7_電光晶體、8_第二偏振器、9_掃描濾波器 (9-1 :第一掃描濾波器、9-2 :第二掃描濾波器)UO-光脈衝壓縮器。
具體實施例方式
下面結合附圖，通過實施例對本發明所述方法作進一步說明。
實施例1 本實施例中，所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法的流程如圖4所示， 首先將待提高信噪比的飛秒雷射展寬形成的啁啾脈衝通過掃描濾波器9進行一次掃描濾 波，再通過光脈衝壓縮器10壓縮成飛秒雷射。 掃描濾波的原理如圖l所示，噪聲為背景噪聲，濾波函數的掃描路徑如圖1中的箭 頭方向，濾波函數作用於啁啾脈衝和噪聲，將噪聲濾掉。 所用掃描濾波器的結構如圖2所示，由依次放置在同一光路上的第一偏振器5、雙 折射晶體6、電光晶體7和第二偏振器8構成，上述各光學元件均可從市場購得。第一偏振 器5與第二偏振器8的透振方向相互正交，雙折射晶體6為厚度3cm的石英片，電光晶體7 由磷酸二氫鉀(KDP)製作，其厚度為3cm，施加的初始電壓為3125V，當啁啾脈衝進入電光晶 體7，其中心頻率以"(t) = "。+4X1021t的形式改變(其中_500ps《t《500ps)，則調 整施加在電光晶體7上的電壓V(t)以斜率為-225V/ns的形式改變，以便與啁啾脈衝的中 心頻率相同，且變化規律一致(即與啁啾脈衝波長在時間上同步)。在掃描過程中，掃描濾 波器通帶寬度約為5nm。 將中心波長為800nm、脈衝長度為lns、峰值強度為0. 3TW/cm2、啁啾係數為1000、 脈衝寬度為500ps，信噪比為106的啁啾脈衝進行掃描濾波，啁啾脈衝和噪聲經第一偏振器 5進入雙折射晶體6，其偏振狀態偏轉了60。角度，然後進入電光晶體7，進入電光晶體7的 啁啾脈衝的中心頻率以"(t) = "。+4X102H的形式改變，由於電光晶體7的電壓Va)隨 之以斜率為-225V/ns的形式改變，則使A (t)的啁啾脈衝的偏振狀態繼續旋轉30。，即在 雙折射晶體和電光晶體共同作用下，使A a)的啁啾脈衝的偏振狀態旋轉了90。，與第二 偏振器8的透振方向一致，然後從第二偏振器8高效率通過。而先期到達的噪聲，只有與
入a)的啁啾脈衝波長相同且與a a)初始偏振狀態相同的噪聲，才能高效率通過第二偏
振器8，而其它光譜範圍或者初始偏振狀態的噪聲通過第二偏振器8的效率很低，從而被濾掉。 試驗結果顯示，本實施例所述啁啾脈衝通過一次掃描濾波後，其峰值強度為 0. 28TW/cm2 ;對掃描濾波後的啁啾脈衝用1000倍光脈衝壓縮器(市售商品)進行壓縮，得 到峰值強度為0. 28PW/cmM言噪比為108的飛秒雷射(信噪比提高了 2個量級)。
實施例2
本實施例中，所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法的流程如圖5所示， 首先將待提高信噪比的飛秒雷射展寬形成的啁啾脈衝通過掃描濾波器9-l、掃描濾波器 9-2進行兩次掃描濾波，再通過光脈衝壓縮器10壓縮成飛秒雷射。 掃描濾波的原理如圖l所示，噪聲為背景噪聲，濾波函數的掃描路徑如圖1中的箭 頭方向，濾波函數作用於啁啾脈衝和噪聲，將噪聲濾掉。 對啁啾脈衝進行第一次掃描濾波所用掃描濾波器9-1的結構如圖3所示，由依次 放置在同一光路上的第一偏振器5、電光晶體7、雙折射晶體6和第二偏振器8構成，上述各 光學元件均可從市場購得。第一偏振器5與第二偏振器8的透振方向相互正交，雙折射晶 體6為厚度3cm的石英片，電光晶體7由偏硼酸鋇(BB0)製作，其厚度為0. 6cm，施加的初 始電壓為2740V，當啁啾脈衝進入電光晶體7，其中心頻率以"(t) = "。+10"t的形式改變 (其中"(t) = "。+4Xl2H)，則調整施加在電光晶體7上的電壓Va)以斜率為-175V/ ns的形式改變，以便與啁啾脈衝的中心頻率相同，且變化規律一致(即與啁啾脈衝波長在 時間上同步)。在掃描過程中，掃描濾波器通帶寬度約為20nm。 將中心波長為801nm、脈衝長度為lns、峰值強度為0. 3TW/cm2、啁啾係數為1000、 脈衝寬度為500ps，信噪比為106的啁啾脈衝進行第一次掃描濾波，啁啾脈衝和噪聲經第一 偏振器5進入電光晶體7，進入電光晶體7的啁啾脈衝的中心頻率以"(t) = "。+4X1021t 的形式改變，由於電光晶體7的電壓V(t)隨之以斜率為-175V/ns的形式改變，則使入(t) 的啁啾脈衝的偏振狀態繼續旋轉30° ，然後進入雙折射晶體6，其偏振狀態繼續偏轉60° 角度，即在電光晶體7和雙折射晶體6共同作用下，使A (t)的啁啾脈衝的偏振狀態旋轉了 90° ，與第二偏振器8的透振方向一致，然後從第二偏振器8高效率通過。而先期到達的噪
聲，只有與a a)的啁啾脈衝且與a a)初始偏振狀態相同的噪聲，才能高效率通過第二偏
振器8，而其它光譜範圍或者初始偏振狀態的噪聲通過第二偏振器8的效率很低，從而被濾 掉。通過一次掃描濾波的啁啾脈衝，其峰值強度為0. 28TW/cm2。 對經過一次掃描濾波的啁啾脈衝進行第二次掃描濾波，採用的掃描濾波器9-2結 構如圖2所示，由依次放置在同一光路上的第一偏振器5、雙折射晶體6、電光晶體7和第 二偏振器8構成，上述各光學元件均可從市場購得。第一偏振器5與第二偏振器8的透振 方向相互正交，雙折射晶體6為厚度3cm的石英片，電光晶體7由磷酸二氫鉀(KDP)製作， 其厚度為3cm，施加的初始電壓為3125V，當啁啾脈衝進入電光晶體7，其中心頻率以"(t) ="。+4X1021t的形式改變(其中-500ps《t《500ps)，則調整施加在電光晶體7上的電 壓V(t)以斜率為-225V/ns的形式改變，以便與啁啾脈衝的中心頻率相同，且變化規律一致 (即與啁啾脈衝波長在時間上同步)。在掃描過程中，掃描濾波器通帶寬度約為5nm。經第 二次掃描濾波後，啁啾脈衝的峰值強度為0. 26TW/cm2。對經過第二次掃描濾波後的啁啾脈 衝用1000倍光脈衝壓縮器(市售商品)進行壓縮，得到峰值強度為0. 26PW/cm^信噪比接 近101Q的飛秒雷射(信噪比提高了約4個量級)。
權利要求
一種通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，其特徵在於所述方法是將待提高信噪比的飛秒雷射展寬形成的啁啾脈衝通過掃描濾波濾掉噪聲後，再壓縮成飛秒雷射。
2. 根據權利要求1所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，其特徵在於對所述 啁啾脈衝進行掃描濾波的次數為一次或一次以上。
3. 根據權利要求1或2所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，其特徵在於對 所述啁啾脈衝進行掃描濾波時，所用掃描濾波器的中心頻率與進入掃描濾波器的啁啾脈衝 的中心頻率相同，且它們的變化規律一致。
4. 根據權利要求1或2所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，其特徵在於對 所述啁啾脈衝進行掃描濾波時，所用掃描濾波器為通帶寬度可變的掃描濾波器。
5. 根據權利要求3所述通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，其特徵在於對所述 啁啾脈衝進行掃描濾波時，所用掃描濾波器為通帶寬度可變的掃描濾波器。
全文摘要
一種通過掃描濾波提高飛秒雷射信噪比的方法，是將待提高信噪比的飛秒雷射展寬形成的啁啾脈衝通過掃描濾波濾掉噪聲後，再壓縮成飛秒雷射。對所述飛秒雷射展寬形成的啁啾脈衝進行掃描濾波的次數為一次或一次以上。採用此種方法不僅能濾掉噪聲，有效提高飛秒雷射的信噪比，而且飛秒雷射的轉換效率高，經一次掃描濾波的轉換效率可達90％以上。
文檔編號G02F1/39GK101776834SQ20101002808
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月14日 優先權日2010年1月14日
發明者劉靜倫, 孫年春, 張彬, 張蓉竹, 陳梅, 韓敬華, 馬再如 申請人:四川大學;西華大學