基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置製造方法
2023-07-15 00:42:51
基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置，該裝置由三級展寬單元通過光路連接而成，所述三級展寬單元為：第一級展寬單元fs/ps—10ps、第二級展寬單元10ps—100ps和第三級展寬單元100ps—ns，每級展寬單元均由數個展寬子單元構成，其展寬子單元結構基於偏振分束原理，使得不同偏振態的雷射在空間或者光纖中經過的光程不同，或者在雙折射晶體中引入的折射率不同，實現子脈衝之間延時的精確控制，經過N個展寬子單元，一個初始脈衝最終被分解為2N個子脈衝，實現高倍率的脈衝展寬。
【專利說明】基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於高能雷射【技術領域】，具體涉及一種高倍率偏振分離式脈衝展寬及脈衝偏振合束結構，特別是一種基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置。
【背景技術】
[0002]實現高功率、高峰值強度的雷射脈衝一直是雷射【技術領域】的重要研究方向。在許多新興的應用，如雷射尾波場加速，X射線，Y射線，電子和光子束產生及其他相關的強場物質相互作用中，對於雷射脈衝，同時需要滿足數千瓦量級的平均功率和極高的單脈衝能量，例如，雷射尾波場加速大都需要IO18 W/cm2或更高的峰值功率密度。
[0003]儘管現在已經能在單根光纖中，實現10 kW平均功率的連續雷射輸出，但對於脈衝雷射，由於光纖中各種非線性效應，如受激拉曼散射、受激布裡淵散射、自相位調製、四波混頻等的存在，脈衝寬度小於皮秒的超短脈衝的能量極限是I mj左右；對於脈衝寬度為幾個納秒的長脈衝，受限於石英等光學材料的損傷閾值，其峰值能量密度很難超過50 J/cm2。
[0004]一系列的應用需求單脈衝能量大且峰值功率密度高的超短超強雷射。單根光纖即使是大模場的雙包層光纖或光子晶體光纖能承受的脈衝能量或脈衝峰值功率受限於材料的損傷閾值，而且，超短脈衝的放大需儘可能地避免光纖中非線性效應的影響。可採用將一個超短雷射脈衝分為若干個(例如幾千或幾萬個)子脈衝，儘可能地提高脈衝的重複頻率，降低單個脈衝的能量，實現超短脈衝雷射向準連續雷射的轉換，這樣就可以降低放大過程中與脈衝能量相關的非線性效應的不利影響，最後通過脈衝合束及壓縮裝置，獲得高能量超短雷射脈衝。在技術實施上，主要面臨二個問題:一是如何實現高倍率的脈衝分束，把一個主脈衝分解為時域上分離的幾千或幾萬個子脈衝；二是如何控制分離的雷射子脈衝在放大後能合成為一個主脈衝，要求在脈衝合成中不會攜帶有附加相位噪聲或子脈衝延時的抖動，同時要求脈衝在放大過程中的非線性相移儘可能小。
[0005]傳統的超短脈衝展寬裝置，如根據不同頻率成分的光在材料中傳播速度不同，而引入色散管理的啁啾脈衝展寬裝置，採用光柵或者稜鏡的空間結構，可以將飛秒、皮秒量級的超短脈衝展寬至納秒量級，啁啾展寬脈衝放大後實施脈衝壓縮。這一啁啾脈衝放大與壓縮技術已經發展得非常成功，成為超快科學【技術領域】的主流技術。但上述結構對入射脈衝光譜寬度要求高，不宜精確控制展寬量，結構複雜，難以集成，光路對準難度大；採用長距離單模光纖結合光纖光柵的全光纖結構超短脈衝展寬器，存在帶寬窄，累計的高階色散無法壓縮的缺點。啁啾脈衝放大技術應用於全光纖結構的雷射脈衝放大系統面臨較大的困難，難以實現大於ImJ的超短雷射脈衝放大。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的是為了克服上述現有技術中的問題和缺點而提供的一種基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置，該裝置先將單個脈衝按偏振態進行分束，對不同偏振態的雷射脈衝，引入不同的光程或折射率，使單個超短脈衝分解成兩個偏振態不同、時間上分開的子脈衝。然後將分解後的每個子脈衝再次分解，再次獲得兩個偏振態不同、時間上分開的脈衝。每經過一次分解，一個超短脈衝就會被分解為兩個，經過N次分解後，最初的一個超短脈衝會被分解為2N個子脈衝，通過優化每次分解過程中，對不同偏振態的雷射引入的光程或折射率的差異，可精確控制每個子脈衝間的延時，實現高倍率任意間隔的脈衝時域展寬。
[0007]本實用新型的目的是這樣實現的:
[0008]一種基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置，特點是該裝置由三級展寬單元通過光路連接而成，所述三級展寬單元為:第一級展寬單元fs/ps — 10ps、第二級展寬單元IOps一 IOOps和第三級展寬單元IOOps—ns,每級展寬單元均由數個展寬子單元構成,其展寬子單元結構為下列結構的一種:
[0009]⑴、由一塊雙折射晶體及一個偏振控制器構成，脈衝經過偏振控制器後，從雙折射晶體的一面入射，從晶體的另一面出射。
[0010]⑵、由兩塊同樣大小的雙折射晶體及一個偏振控制器構成，脈衝經過偏振控制器後，從一塊雙折射晶體入射，從另一塊雙折射晶體出射；
[0011](3)、由一個環形鏡、一個偏振控制器、一個偏振分束器、一個延時器和兩個反射鏡構成，脈衝從環形鏡的輸入端入射，從環形鏡的輸出端出射；
[0012]⑷、由一個偏振控制器、一個偏振分束器、一個延時器和兩個法拉第旋轉反射鏡構成，脈衝從偏振分束器的一個埠入射，從偏振分束器的另一個埠出射；
[0013](5)、由一個偏振控制器、兩個偏振分束器、一個延時器及兩個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射。
[0014](6)、由一個偏振控制器、兩個偏振分束器及兩個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射；
[0015](7)、由一個偏振控制器、兩個偏振分束器及四個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射；
[0016](8)、由一個偏振控制器、兩個粘合在一起的偏振分束器和一個錐形的晶體或玻璃組合而成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射；
[0017](9)、由一個偏振控制器、兩個粘合在一起的偏振分束器和兩個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射。
[0018]所述偏振控制器為二分之一波片即半波片或者是應力型光纖偏振控制器。
[0019]所述偏振分束器、偏振控制器、延時器、環形鏡、反射鏡或法拉第旋轉反射鏡為空間結構或帶尾纖的全光纖結構。
[0020]本實用新型的第一級展寬單元對不同偏振態引入的延時很小，一般為1-2個皮秒，對應的空間長度不到I毫米，因此採用基於雙折射的脈衝展寬子單元結構，經過三四個子單元結構的疊加，可實現將飛秒脈衝展寬至IOps量級(其中飛秒量級的脈衝經光學器件會發生啁啾脈衝展寬)；第二級展寬單元對不同偏振態引入的延時一般為數十皮秒，常用基於偏振分束器的空間結構，通過精確控制分離後兩個互相垂直偏振態脈衝的空間光程差，實現將IOps左右的脈衝展寬至IOOps ;第三級展寬單元對不同偏振態引入的延時較大，常用光纖延時結構，控制延時光纖的長度，引入較大的光程差，實現將IOOps的脈衝展寬至數納秒量級。[0021]本實用新型的展寬子單元結構可以不斷疊加，通過控制每級展寬單元引入的光程差，實現任意間距的脈衝分離展寬功能，可以把脈衝從飛秒/皮秒分離展寬至數十或數百納秒甚至準連續的長脈衝，利於實現大能量的脈衝放大，提高泵浦光能量利用效率，降低放大脈衝的峰值功率從而避免高峰值功率脈衝對放大介質可能的損傷，同時可減少放大過程的非線性B積分，並抑制放大過程伴生的噪聲。
[0022]本實用新型優點如下:
[0023]⑴、與基於光柵、稜鏡的傳統展寬器相比，本實用新型的光路結構簡單，易於實現，穩定性好。
[0024]⑵、本實用新型的光路中，雷射脈衝的入射角度為垂直入射或者45度反射，無需精確控制入射角度，降低對準的要求，易於集成。
[0025]⑶、每級展寬單元的展寬量可通過展寬子單元結構中延時晶體或者延時光纖的長度來精確控制，便於調節。
[0026](4)、本實用新型展寬與脈衝光譜寬度無關，相比於傳統依靠色散實現展寬的展寬器，通用性更廣，對入射雷射脈衝的光譜無要求。
[0027](5)、分離式的脈衝展寬，降低了單個脈衝的能量，避免高功率放大過程中因脈衝能量過大引起的器件損傷。
[0028](6)、根據不同偏振態具有不同的光程，實現脈衝展寬，與傳統的基於色散的展寬器相比，幾乎不引入高階色散等非線性效應，有利於後續壓縮實現超短脈衝。
[0029](7)、展寬後的脈衝具有穩定的偏振態，在倍頻等偏振敏感的應用中，能獲得穩定的轉換效率。
[0030](8)、在展寬子單元結構的輸出端加入法拉第旋轉反射鏡，反向傳輸的光束經過子單元結構，可實現偏振分離脈衝的合束，即該單元結構同時實現脈衝分離展寬與分離脈衝的合束。
[0031](9)、通過疊加展寬子單元結構，精確控制展寬量，可將超短脈衝展寬至納秒量級，展寬倍率高。
[0032](K))、本實用新型對入射光譜無要求，展寬過程中不影響雷射脈衝的光譜分布，可以用於多波段脈衝的同時展寬及壓縮。
[0033](11)、本實用新型簡單，所用器件均為常規器件，便於集成化及大能量的放大，適合獲得高穩定度、高功率的綠光、紫外等波段的雷射輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為高倍率偏振分離式展寬結構示意圖；
[0035]圖2為實施例1等間隔高倍率偏振分離式脈衝展寬結構圖；
[0036]圖3為實施例2任意間隔高倍率偏振分離式脈衝展寬結構圖；
[0037]圖4-9為基於雙折射晶體的展寬結構，適用於第一級展寬單元(fs/ps — IOps)的脈衝展寬(其中飛秒量級的脈衝經光學器件會發生啁啾脈衝展寬)，具體為:
[0038]圖4為基於雙折射晶體偏振展寬子單元結構圖；
[0039]圖5為兩級基於雙折射晶體偏振展寬結構圖；
[0040]圖6為多級基於雙折射晶體偏振展寬結構圖；[0041]圖7為基於雙折射晶體偏振展寬的另一種子單元結構圖；
[0042]圖8為兩級基於雙折射晶體偏振展寬的另一種結構圖；
[0043]圖9為多級基於雙折射晶體偏振展寬的另一種結構圖；
[0044]圖10-19為空間展寬結構，能對延時精密調節，實現高倍率的偏振脈衝分離展寬，適用於第二級(IOps — IOOps)或者第三級展寬單元(IOOps — ns)的脈衝展寬，具體為:
[0045]圖10為單偏振分束器的一種展寬子單元結構圖；
[0046]圖11為單偏振分束器的另一種展寬子單元結構圖；
[0047]圖12為帶光纖延時器的一種展寬子單元結構圖；
[0048]圖13為兩級單個偏振分束器的展寬結構圖；
[0049]圖14為多級單個偏振分束器的展寬結構圖；
[0050]圖15為帶延時晶體的兩個分離偏振分束器的展寬子單元結構圖；
[0051]圖16為兩個分離的偏振分束器的展寬子單元的一種結構圖；
[0052]圖17為粘合式偏振分束器展寬子單元的一種結構圖；
[0053]圖18為粘合式偏振分束器展寬子單元的另一種結構圖；
[0054]圖19為全光纖單偏振分束器的一種展寬子單元結構圖；
[0055]圖20-25為全光纖展寬結構，適用於第三級展寬單元(IOOps — ns)的脈衝展寬，具體為:
[0056]圖20為全光纖結構單個偏振分束器的展寬子單元結構圖；
[0057]圖21為兩級全光纖結構單個偏振分束器的展寬結構圖；
[0058]圖22為多級全光纖結構單個偏振分束器的展寬結構圖；
[0059]圖23為多級粘合式偏振分束器的展寬結構圖；
[0060]圖24為全光纖兩個偏振分束器的一種展寬子單元結構圖；
[0061]圖25為多級全光纖展寬結構圖。
【具體實施方式】
[0062]結合附圖對本實用新型進行進一步的描述，但不僅限於以下實施例。
[0063]參閱圖1，本實用新型採用三級展寬來實現將fs/ps的脈衝展寬至數納秒量級，所述三級展寬單元為:第一級展寬單元(fs/ps — 10ps)，第二級展寬單元(IOps — IOOps)和第三級展寬單元(IOOps — ns)。其中，第一級展寬單元對不同偏振態引入的延時很小，一般為l_2ps，對應的空間長度不到I毫米，因此採用基於雙折射的脈衝展寬子單元結構，經過三四個展寬子單元結構的疊加，實現將飛秒脈衝展寬至IOps量級(其中飛秒量級的脈衝經光學器件會發生啁啾脈衝展寬)；第二級展寬單元對不同偏振態引入的延時一般為數十皮秒，常用基於偏振分束器的空間結構，通過精確控制分離後兩個互相垂直偏振態脈衝的空間光程差，實現將IOps左右的脈衝展寬至IOOps ;第三級展寬單元對不同偏振態引入的延時較大，常用光纖延時結構，控制延時光纖的長度，引入較大的光程差，實現將IOOps的脈衝展寬至數納秒量級甚至更長。
[0064]實施例1
[0065]參閱圖2，該圖為等間隔高倍率偏振分離式脈衝展寬結構圖，包括三級展寬，每級展寬由四個級聯的展寬子單元構成。所用器件包括雙折射晶體13，半波片11，反射鏡4，空間偏振分束器1，延時光纖7，帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10。初始入射脈衝經一個展寬子單元，被分解為偏振方向彼此垂直，幅度一致的兩個子脈衝，再經過下一個展寬子單元，調節兩個展寬子單元之間的半波片，使得第一個展寬子單元輸出的脈衝偏振方向旋轉45度，再入射到第二個展寬子單元，或者是通過對晶體空間方位角度安排實現雷射脈衝的偏振控制，使得前後級相鄰的雙折射晶體或者偏振分束器以雷射脈衝傳播方向為轉軸，軸向夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)。同時，第二個展寬子單元雙折射晶體的數量為第一個展寬雙折射晶體數量的兩倍，按照如圖結構，每一個展寬子單元的入射脈衝偏振方向相對於前一個的出射脈衝，均旋轉了 45度,或者是前後級相鄰的偏振分束器的入射面之間夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)。每一個展寬子單元雙折射晶體的數量均為前一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，經過第一級的四個展寬子單元，實現一個初始脈衝分離為16個子脈衝。合理選擇晶體長度，使得每兩塊晶體引入的延時量為Ips,經第一級展寬後,脈衝時域長度為16ps。
[0066]之後將分離後的脈衝經過第二級四個基於偏振分束器的展寬，每一個展寬子單元前均有偏振控制器調節入射脈衝的偏振方向，保證經過偏振分束器I後的兩個脈衝均有相同的強度，每個展寬子單元引入的空間光程差均為前一個展寬單元光程差的2倍，經過級聯的四個展寬子單元，在輸出端實現將入射的16個脈衝分離為256個子脈衝，例如，可以精密調節每個展寬子單元的延時距離，使得第一個展寬子單元引入16ps的延時，最終在輸出端的脈衝時域長度為256ps。
[0067]再將第二級脈衝展寬輸出的脈衝入射到由四個基於光纖延時單元構成的第三級的展寬中，每一個展寬子單元中，延時光纖的長度均為前一個展寬子單元延時光纖的2倍，精密調節每個展寬子單元中延時光纖的長度，使得第一個展寬子單元引入256ps的延時，最終在輸出端，256個初始脈衝被分解為4096個子脈衝，每個子脈衝之間間隔相同，例如可設定為間隔lps，則總共時域寬度為4.096ns，此即實現了高倍率等間隔的脈衝分離式展寬。
[0068]實施例2
[0069]參閱圖3，該圖為任意間隔高倍率偏振分離式脈衝展寬結構圖，包括三級展寬，每級展寬由四個級聯的展寬子單元構成。所用器件包括雙折射晶體13，半波片11，反射鏡4，空間偏振分束器1，延時光纖7，帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10。初始入射脈衝經過第一個展寬子單元，被分解為偏振方向彼此垂直，幅度一致的兩個子脈衝，再經過下一個展寬子單元，調節兩級展寬子單元之間的半波片，使得第一個展寬子單元輸出的脈衝偏振方向旋轉45度，再入射到第二個展寬子單元，按照如圖結構，每一個展寬子單元的入射脈衝偏振方向相對於前一個的出射脈衝，均旋轉了 45度，或者是通過特殊空間方位角度安排實現雷射脈衝的偏振控制，使得前後級相鄰的雙折射晶體或者偏振分束器以雷射脈衝傳播方向為轉軸，軸向夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)。之後將分離後的脈衝經過第二級四個基於偏振分束器的展寬，每一個展寬子單元前均有偏振控制器調節入射脈衝的偏振方向，保證經過偏振分束器I後的兩個脈衝均有相同的強度，每個展寬子單元引入的空間光程差任意，經過級聯的四個展寬單元，再將第二級脈衝展寬輸出的脈衝入射到由四個基於光纖延時單兀構成的第三級的展寬中，最終在輸出端，一個初始脈衝被分解為4096個子脈衝。由於每級展寬引入的延時都可以通過調節雙折射晶體的長度，空間光程長度或者延時光纖的長度來自由控制，因此，可以實現高倍率任意間隔的脈衝分離式展寬。
[0070]圖4-9為基於雙折射晶體的展寬結構,適用於第一級(fs/ps—IOps)的脈衝展寬，實現將飛秒、皮秒量級的超短脈衝通過偏振分離的方法展寬到IOps量級。對於小於Ips的延時，對應的空間光程差不到一毫米，採用基於空間延時或者光纖延時的展寬結構，無法精確控制長度。而雙折射晶體中，偏振彼此垂直的兩束光的折射率差別較小，並且雙折射晶體的長度也受到晶體加工的限制，一般小於50mm，無法引入大於50ps的延時。下面分別介紹附圖4-9的具體結構:
[0071]圖4為雙折射晶體偏振展寬子單元結構圖，包括雙折射晶體13，半波片11。初始脈衝經過半波片11後，入射到雙折射晶體13上，被分解為傳播方向不變的尋常光和傳播方向改變的非尋常光，由於雙折射效應的作用，尋常光與非尋常光具有彼此垂直的偏振態，並且兩束光在晶體中的折射率也不同，因此兩束光的傳播速度也不同。通過選擇不同的雙折射晶體，合理設計晶體光軸與入射方向的夾角與晶體長度，可對尋常光和非尋常光的光程差精密控制，實現一個入射脈衝分離為兩個偏振彼此垂直的子脈衝。由於雙折射效應，尋常光與非尋常光的傳播方向不同，空間上分開，在第一塊雙折射晶體後再放置一塊大小完全相同的雙折射晶體，其光軸方向與第一塊雙折射晶體的光軸關於兩塊晶體的公共面對稱，即可實現尋常光與非尋常光空間分離的補償，將兩束光在空間上匯聚成一束。調節半波片11，兩個子脈衝的相對強度隨之發生變化。
[0072]圖5為兩個雙折射晶體偏振展寬結構圖，包括雙折射晶體13，半波片11。初始入射脈衝經過第一個展寬子單元，被分解為偏振方向彼此垂直，幅度一致的兩個子脈衝，再經過下一個展寬子單元，調節兩個展寬子單元之間的半波片，使得第一個展寬子單元輸出的脈衝偏振方向旋轉45度，或者是通過特殊空間方位角度安排實現雷射脈衝的偏振控制，使得前後級相鄰的雙折射晶體以雷射脈衝傳播方向為轉軸，軸向夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)，再入射到第二個展寬子單元，同時，第二個展寬子單元雙折射晶體的數量為第一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，按照如圖結構，可實現將一個脈衝分離為四個子脈衝，每個脈衝的幅度為初始脈衝的四分之一。
[0073]圖6為多個雙折射晶體偏振展寬結構圖，包括雙折射晶體13，半波片11，反射鏡
4。初始入射脈衝經過第一個展寬子單元，被分解為偏振方向彼此垂直，幅度一致的兩個子脈衝，再經過下一個展寬子單元，調節兩個展寬子單元之間的半波片，使得第一個展寬子單元輸出的脈衝偏振方向旋轉45度，或者是通過特殊空間方位角度安排實現雷射脈衝的偏振控制，使得前後級相鄰的雙折射晶體以雷射脈衝傳播方向為轉軸，軸向夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)，再入射到第二個展寬子單元，同時，第二個展寬子單元雙折射晶體的數量為第一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，按照如圖結構，每一個展寬子單元的入射脈衝偏振方向相對於前一個的出射脈衝，均旋轉了 45度，每一個展寬子單元雙折射晶體的數量均為前一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，經過N個展寬子單元，實現一個初始脈衝分離為2N個子脈衝。反射鏡4的作用僅為改變光路布局。
[0074]圖7為雙折射晶體偏振展寬的另一種子單元結構圖，包括雙折射晶體13，半波片
11。初始脈衝經過半波片11後，入射到雙折射晶體13上，合理設計入射方向與光軸之間的夾角，保證被分解為後的尋常光和非尋常光在晶體中的傳播方向一致，由於雙折射效應的作用，尋常光與非尋常光具有彼此垂直的偏振態，因此兩束光的傳播速度也不同。通過選擇不同的雙折射晶體，合理設計晶體長度，可對尋常光和非尋常光的光程差精密控制，實現一個入射脈衝分離為兩個偏振彼此垂直的子脈衝。調節半波片11，兩個子脈衝的相對強度隨之發生變化。
[0075]圖8為兩個雙折射晶體偏振展寬的另一種結構圖，包括雙折射晶體13，半波片11。初始入射脈衝經過第一個展寬子單元，被分解為偏振方向彼此垂直，幅度一致的兩個子脈衝，再經過下一個展寬子單元，調節兩個展寬子單元之間的半波片，使得第一個展寬子單元輸出的脈衝偏振方向旋轉45度，或者是前後相鄰的雙折射晶體的入射面之間夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)，再入射到第二個展寬子單元，同時，第二個展寬子單元雙折射晶體的數量為第一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，按照如圖結構，可實現將一個脈衝分離為四個子脈衝，每個脈衝的幅度為初始脈衝的四分之一。
[0076]圖9為多個雙折射晶體偏振展寬的另一種結構圖，包括雙折射晶體13，半波片11，發射鏡4。初始入射脈衝經過第一個展寬子單元，被分解為偏振方向彼此垂直，幅度一致的兩個子脈衝，再經過下一個展寬子單元，調節兩個展寬子單元之間的半波片，使得第一個展寬子單元輸出的脈衝偏振方向旋轉45度，或者是前後相鄰的雙折射晶體的入射面之間夾角為45度(在這種情況下，半波片11可以省略不用)，再入射到第二個展寬子單元，同時，第二個展寬子單元雙折射晶體的數量為第一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，按照如圖結構，每一個展寬子單元的入射脈衝偏振方向相對於前一個的出射脈衝，均旋轉了 45度，每一個展寬子單元雙折射晶體的數量均為前一個展寬子單元雙折射晶體數量的兩倍，經過N級展寬子單元，實現一個初始脈衝分離為2N個子脈衝。反射鏡4的作用僅為改變光路布局。
[0077]圖10-19的為空間展寬結構，能承受更高的功率，適用於第二級(IOps — IOOps)或者第三級(IOOps — ns)的脈衝展寬到單元，實現將皮秒量級的超短脈衝通過偏振分離的方法展寬到數百皮秒甚至納秒量級。採用空間結構的展寬子單元能精細控制展寬量，下面分別介紹圖10-19的具體結構:
[0078]圖10所示的單偏振分束器的一種展寬子單元結構圖，包括空間結構的偏振分束器1，空間結構的環行器2，延時晶體或玻璃3，反射鏡4，半波片11。脈衝從環行器2的輸入埠入射，從環行器2的透射埠出射，經過半波片11，再入射到偏振分束器I上，調節半波片11，使得入射在偏振分束器I的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接經過反射鏡4反射，另一路脈衝先經過延時晶體或玻璃3後，再經過反射鏡反射，反射後，再次通過延時晶體或玻璃3，兩路脈衝被反射後，沿入射方向再次在偏振分束器I上匯聚成一束光，經過半波片11，從環行器2的透射埠入射，最終從環行器2的第三個埠出射。經過偏振分束器I後的兩路脈衝空間上分離，所走的光程不同，通過調節空間光路長度或者延時晶體或玻璃3的長度，能精確控制兩路脈衝的光程差，再經過反射鏡反向入射到偏振分束器I時，兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0079]圖11為單偏振分束器的另一種展寬子單元結構圖，包括空間結構的偏振分束器1，延時晶體或玻璃3，法拉第旋轉反射鏡9，半波片11。脈衝經過半波片11，入射到偏振分束器I上，調節半波片11，使得入射在偏振分束器I的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接經過法拉第旋轉反射鏡9反射，另一路脈衝先經過延時晶體或玻璃3後，再經過法拉第旋轉反射鏡9反射，反射後，再次通過延時晶體或玻璃3，兩路脈衝被反射後，沿入射方向再次在偏振分束器I上匯聚成一束光，由於每路脈衝的偏振方向與初始入射時相比，均旋轉了 90度，因此匯聚後的雷射脈衝從偏振控制器的另一埠輸出。兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0080]圖12為帶光纖延時器的一種展寬子單元結構圖，包括空間結構的偏振分束器1，延時光纖7，帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10，半波片11，光纖準直器14。脈衝經過半波片11，入射到偏振分束器I上，調節半波片11，使得入射在偏振分束器I的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝經過光纖準直器14，耦合到光纖，直接經過帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10反射，另一路脈衝通過光纖準直器14，先耦合進入延時光纖7後，再經過帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10反射，反射後，再次通過延時光纖7，兩路脈衝被反射後，沿入射方向再次在偏振分束器I上匯聚成一束光，由於每路脈衝的偏振方向與初始入射時相t匕，均旋轉了 90度，因此匯聚後的雷射脈衝從偏振控制器的另一埠輸出。兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0081]圖13為兩個單個偏振分束器的展寬結構圖，初始入射脈衝經過一個展寬，分離為兩個子脈衝，通過控制第二個延時玻璃或晶體的長度，使得第二個對不同偏振態引入的光程差為第一個的兩倍，即可實現將一個初始脈衝按照偏振分離為四個子脈衝的展寬。
[0082]圖14為多個單個偏振分束器的展寬結構圖，初始入射脈衝經過一個展寬，分離為兩個子脈衝，通過控制第二個延時玻璃或晶體的長度，使得第二個對不同偏振態引入的光程差為第一個的兩倍，即可實現將一個初始脈衝按照偏振分離為兩個，再分離為四個子脈衝的展寬。後續每一個展寬單元對不同偏振態引入的光程差均為前一個的兩倍，通過N個展寬單元的疊加，能實現將一個脈衝展寬為2N個子脈衝。
[0083]圖15為帶延時晶體的兩個分離偏振分束器的展寬子單元結構圖，包括兩個空間結構的偏振分束器1，延時玻璃或晶體3，兩個反射鏡4，半波片U。脈衝經過半波片11，入射到偏振分束器I上，調節半波片11，使得入射在偏振分束器I的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接經過一個反射鏡4反射，另一路脈衝先經過延時晶體或玻璃3後，再經過另一個反射鏡4反射，兩路脈衝被反射後，在另一塊偏振分束器I上匯聚成一束光，兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0084]圖16為兩個分離的偏振分束器的展寬子單元的一種結構圖，包括兩個空間結構的偏振分束器1，四個反射鏡4，一個半波片11。脈衝經過半波片11，入射到偏振分束器I上，調節半波片11，使得入射在偏振分束器I的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接經過一個反射鏡4反射，另一路脈衝經過兩個反射鏡4，引入更長的光程，再經過一個反射鏡4反射，兩路脈衝被反射後，在另一塊偏振分束器I上匯聚成一束光，兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0085]圖17為粘合式偏振分束器展寬子單元的一種結構圖，包括粘合在一起的兩塊空間偏振分束器I，粘合在兩塊偏振分束器上的45度錐角玻璃稜鏡調整光路，一個半波片11。調節半波片11，使得分離後兩個偏振態的子脈衝強度一致，圖示結構可使得按偏振分離後的兩路子脈衝在下一個偏振分束器上重新匯聚，通過調節縱向玻璃的長度，可以調節兩路分離後子脈衝的間隔。
[0086]圖18為粘合式偏振分束器展寬子單元的另一種結構圖，包括粘合在一起的兩塊空間偏振分束器1，兩個反射鏡4，一個半波片11。脈衝經過半波片11，入射到一個偏振分束器I上，調節半波片11，使得入射在偏振分束器I的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接經過另一個偏振分束器，另一路脈衝經過兩個反射鏡4，引入一定的光程，再反射到另一塊偏振分束器上。兩路脈衝在第二塊偏振分束器上匯聚，彼此空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0087]圖19為多級粘合式偏振分束器的展寬結構圖，將圖18所示的結構不斷疊加，調節每個單元結構前的半波片，或者是通過特殊空間方位角度安排實現雷射脈衝的偏振控制，使得前後級相鄰偏振分束器以雷射脈衝傳播方向為轉軸，軸向夾角為45度，保證每級的入射光均能按照偏振態彼此垂直的方向分離為兩個幅度一致的子脈衝，經過N個展寬單元結構，能實現將一個脈衝展寬為2N個子脈衝。
[0088]圖20-25的為全光纖展寬結構，適用於第三級(IOOps — ns)的脈衝展寬單元，實現將皮秒量級的超短脈衝通過偏振分離展寬到納秒量級，採用延時光纖的展寬子單元適用於較大延時的脈衝展寬，下面分別介紹附圖20-25的具體結構:
[0089]圖20為全光纖單偏振分束器的一種展寬子單兀結構圖，6為光纖結構的環行器，12為手動或者電動偏振控制器,5為光纖結構的偏振分束器,7為延時光纖,8為帶尾纖的反射鏡。脈衝從環行器6的輸入埠入射，從環行器6的透射埠出射，經過偏振控制器12，再入射到偏振分束器5上，調節偏振控制器12，使得入射在偏振分束器5的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接經過反射鏡8反射，另一路脈衝先經過延時光纖8後，再經過反射鏡反射，反射後，再次通過延時光纖7，兩路脈衝被反射後，沿入射方向再次在偏振分束器5上匯聚成一束光，經過偏振控制器12，從環行器6的透射埠入射，最終從環行器6的第三個埠出射。經過偏振分束器5後的兩路脈衝空間上分離，所走的光程不同，通過調節延時光纖7的長度，能精確控制兩路脈衝的光程差，再經過反射鏡反向入射到偏振分束器5時，兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0090]圖21為全光纖結構單個偏振分束器的展寬子單元結構圖，包括光纖結構的四埠偏振分束器5,延時光纖7,帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10,偏振控制器12。脈衝經過偏振控制器12，入射到偏振分束器5上，調節偏振控制器12，使得入射在偏振分束器5的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接被法拉第旋轉反射鏡10反射，另一路脈衝先經過延時光纖7後，再經過帶尾纖的法拉第旋轉反射鏡10反射，反射後，再次通過延時光纖7,兩路脈衝被反射後,沿入射方向再次在偏振分束器5上匯聚成一束光，由於每路脈衝的偏振方向與初始入射時相比，均旋轉了 90度，因此匯聚後的雷射脈衝從偏振控制器的另一埠輸出。兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0091]圖22為兩個全光纖結構單個偏振分束器的展寬結構圖，初始入射脈衝經過一個展寬，分離為兩個子脈衝，通過控制第二個延時光纖的長度，使得第二個對不同偏振態引入的光程差為第一個的兩倍，即可實現將一個初始脈衝按照偏振分離為四個子脈衝的展寬。
[0092]圖23為多個全光纖結構單個偏振分束器的展寬結構圖，初始入射脈衝經過一個展寬，分離為兩個子脈衝，通過控制第二個延時光纖的長度，使得第二個對不同偏振態引入的光程差為第一個的兩倍，即可實現將一個初始脈衝按照偏振分離為兩個，再分離為四個子脈衝的展寬。後續每一個展寬單元對不同偏振態引入的光程差均為前一個的兩倍，通過N個展寬單元的疊加，能實現將一個脈衝展寬為2N個子脈衝。
[0093]圖24為全光纖兩個偏振分束器的一種展寬子單元結構圖，包括兩個光纖結構的偏振分束器5，延時光纖7，偏振控制器12。脈衝經過偏振控制器12，入射到偏振分束器5上，調節偏振控制器12，使得入射在偏振分束器5的脈衝被均等分為兩束偏振互相垂直的子脈衝，一路脈衝直接入射到另一個偏振分束器5，另一路脈衝先經過延時光纖7後，再入射到另一個偏振分束器5，兩路脈衝匯聚成一束光，兩路脈衝空間上重合，時間上按光程差的大小分離為兩個子脈衝，子脈衝的幅度相同，均為初始脈衝的一半。
[0094]圖25為多個全光纖展寬結構圖，初始入射脈衝經過一個展寬，分離為兩個子脈衝，通過控制第二個延時光纖的長度，使得第二個對不同偏振態引入的光程差為第一個的兩倍，即可實現將一個初始脈衝按照偏振分離為兩個，再分離為四個子脈衝的展寬。後續每一個展寬單元對不同偏振態引入的光程差均為前一個的兩倍，通過N個展寬單元的疊加，能實現將一個脈衝展寬為2N個子脈衝。
【權利要求】
1.一種基於級聯偏振分束的分離脈衝展寬光學裝置，其特徵在於該裝置由三級展寬單元通過光路連接而成，所述三級展寬單元為:第一級展寬單元fs/ps — 10pS、第二級展寬單元IOps—IOOps和第三級展寬單元IOOps—ns,每級展寬單元均由數個展寬子單元構成,其展寬子單元結構為下列結構的一種: ⑴、由一塊雙折射晶體及一個偏振控制器構成，脈衝經過偏振控制器後，從雙折射晶體的一面入射，從晶體的另一面出射； ⑵、由兩塊同樣大小的雙折射晶體及一個偏振控制器構成，脈衝經過偏振控制器後，從一塊雙折射晶體入射，從另一塊雙折射晶體出射； ⑶、由一個環形鏡、一個偏振控制器、一個偏振分束器、一個延時器和兩個反射鏡構成，脈衝從環形鏡的輸入端入射，從環形鏡的輸出端出射； ⑷、由一個偏振控制器、一個偏振分束器、一個延時器和兩個法拉第旋轉反射鏡構成，脈衝從偏振分束器的一個埠入射，從偏振分束器的另一個埠出射； (5)、由一個偏振控制器、兩個偏振分束器、一個延時器及兩個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射； (6)、由一個偏振控制器、兩個偏振分束器及兩個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射； (7)、由一個偏振控制器、兩個偏振分束器及四個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射； ⑶、由一個偏振控制器、兩個粘合在一起的偏振分束器和一個錐形的晶體或玻璃組合而成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射； ⑶、由一個偏振控制器、兩個粘合在一起的偏振分束器和兩個反射鏡構成，脈衝從一個偏振分束器入射，從另一個偏振分束器出射。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述偏振控制器為二分之一波片即半波片或者是應力型光纖偏振控制器。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述偏振分束器、偏振控制器、延時器、環形鏡、反射鏡或法拉第旋轉反射鏡為空間結構或帶尾纖的全光纖結構。
【文檔編號】H01S3/10GK203574219SQ201320721490
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】曾卓西, 楊康文, 曾和平 申請人:上海朗研光電科技有限公司