實時調節雷射脈衝寬度的裝置的製作方法

2023-05-16 17:39:21 1

專利名稱：實時調節雷射脈衝寬度的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種關於實時調節雷射脈衝寬度的裝置，主要適用於調節以連續鎖模脈衝列作為種子源的輸出脈衝的時間寬度，應用於雷射研究領域。
背景技術：
在強雷射的一些重要應用中，例如雷射核聚變(ICF)物理實驗或光學參量放大(OPA)物理實驗中，要求雷射脈衝具有不同的時間寬度，並且脈衝的時間寬度可以在比較大的範圍內實現實時連續調節。目前使用的典型時間整形裝置主要是利用脈衝堆積的形式。在在先技術中，Miyanaga N和Nakatsuka M等人在Gekko XII雷射系統中提供了一種典型調節裝置(《強雷射的傳輸與控制》，呂百達，324)，它使鎖模雷射振蕩器產生的脈衝經過傳輸和選單脈衝，在進入時間整形系統前為一個脈寬50ps的平頂線偏振脈衝，經過調節裝置後疊加成時間寬度較寬的整形脈衝。最後輸出整形後的是寬脈衝。輸出脈衝的寬度可以根據它的調節裝置中的階梯反射鏡對不同子束的不同延時而實現。
在上述的裝置中，脈衝寬度不能夠實時調節，脈衝時間寬度展寬時不能夠同時將雷射脈衝的能量放大，疊加的子束數目有限，使得脈衝寬度的調節範圍有限，而且在脈衝寬度增加後可能導致脈衝成為梳子狀。

發明內容
本實用新型為克服上述在先技術中所存在的不足，提供一種實時調節雷射脈衝寬度的裝置，利用一臺腔長可變化的雷射諧振腔作為脈衝堆積器，在其中進行雷射脈衝疊加堆積，形成所需要的時間寬度的雷射脈衝，並可以同時將脈衝參量放大後輸出。其光路的布置如圖1所示。
本實用新型的實時調節雷射脈衝寬度的裝置包括雷射光源10和由起偏振片11，45°法拉第旋光器12和45°旋光片14構成的單向器13，輸出連接到示波器9上的探頭15。採用雷射諧振腔21作為脈衝堆積器，雷射諧振腔21由第一雷射腔片16和第二雷射腔片22構成，雷射諧振腔21內置有放大介質19，在第一雷射腔片16與放大介質19之間的雷射諧振腔21內置有普克爾盒17，在普克爾盒17與放大介質19之間的雷射諧振腔21內置有表面與雷射諧振腔21中心軸線成57°角置放的檢偏振片18，在放大介質19與第二雷射腔片22之間的雷射諧振腔21內置有小孔光闌20，第一雷射腔片16或第二雷射腔片22的位置能夠前後移動，即雷射諧振腔21的腔長是可以調節的；由雷射光源10發射的種子雷射脈衝通過單向器13後射到雷射諧振腔21內的檢偏振片18上導入雷射諧振腔21內，所說的探頭15在雷射諧振腔21外對著第一雷射腔片16置放。如圖1所示。
如上所述，本實用新型裝置包括第一雷射腔片16(反射率為99％)，普克爾盒17，檢偏振片18，放大介質19，小孔光闌20和第二雷射腔片22(反射率＞99％)。利用組成的雷射諧振腔21作為脈衝堆積器。雷射腔片16和22構成的雷射諧振腔21的有效腔長為L。在雷射諧振腔21內的光路中檢偏振片18作為檢偏器。可以調節檢偏振片18，能夠使之檢偏性被調弱。對於反射率為99％的第一雷射腔片16(或22)有小於1％的漏光。第二雷射腔片22或第一雷射腔片16可以沿雷射腔軸線前後移動以調節雷射諧振腔21的腔長L。脈衝可以在雷射諧振腔中的第一雷射腔片16與第二雷射腔片22之間來回振蕩放大。小孔光闌20用於限制振蕩放大光束。起偏振片11作為起偏器，和45°法拉第旋光器12，45°旋光片14組成一個單向器13，其中45°法拉第旋光器12和45°旋光片14旋光性能聯合作用，使得入射偏振光的偏振方向旋轉90°。來自雷射光源10的連續雷射鎖模脈衝列經過單向器13中的起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14入射到檢偏振片18上。通過檢偏振片18檢偏後，注入雷射諧振腔21中。啟動普克爾盒17的工作流程，使多個脈衝在雷射諧振腔中相互疊加。當雷射諧振腔的腔長L(光程長度)和脈衝列的脈衝間隔T所決定的空間長度相等時，例如脈衝在雷射諧振腔中來回一次的時間和脈衝列中脈衝的時間間隔T相等(T＝2L/c，c是真空中的光速)，一個脈衝在腔內來回振蕩一次後，將和後繼射入雷射諧振腔21的一個脈衝完全重疊。這樣經過多次振蕩後就有多個脈衝在雷射諧振腔21中完全重疊在一起，形成一個疊加的大脈衝。如果雷射諧振腔21的腔長L和脈衝列中脈衝間隔T所決定的空間長度有些不相等，在雷射諧振腔21中來回振蕩的脈衝之間將相應產生時間延遲，導致疊加的大脈衝展寬。當雷射諧振腔21中被引入的雷射脈衝的數目一定時，最終疊加的大脈衝的寬度由雷射諧振腔21的腔長L決定，因此可以通過調節雷射諧振腔21的腔長L來實時得到所需要的脈衝時間寬度。當T＝2L/c時，疊加的大脈衝的寬度最短。脈衝在雷射諧振腔21中來回振蕩疊加展寬和放大後，經過一定的時間T0後獲得放大飽和，一般T0＞＞T，因此進入雷射諧振腔21的總的脈衝數n＝T0/T可以很大，所以疊加而成的大脈衝可以在比較大的時間寬度調節範圍內保持光滑。經過T0時間後，普克爾盒17工作，使得疊加放大後的脈衝通過檢偏振片18按照原光路的逆方向入射到單向器13中，即在其路徑中通過45°旋光片14和45°法拉第旋光器12後，由起偏振片11反射輸出放大後的疊加的時間整形脈衝。因為光束的偏振方向改變，不再透過起偏振片11，而是被起偏振片11反射導出。
普克爾盒17的工作程序是首先，在普克爾盒17上施加1/4波電壓，使得雷射諧振腔21在放大介質19泵浦期間，不能形成振蕩，處於關閉狀態。當一個脈衝從檢偏振片18反射入雷射諧振腔21內，通過普克爾盒17，經第一雷射腔片16反射後又一次經過普克爾盒17，偏振方向改變，脈衝可以透過檢偏振片18，立即使普克爾盒17上施加的電壓為0。這樣雷射脈衝就可以在雷射諧振腔21內來回振蕩，獲得放大。由於檢偏振片18的偏振性能被調弱，存在一定的漏光，使得後繼的脈衝也可以在雷射諧振腔21中振蕩放大和疊加。當在雷射諧振腔21中疊加脈衝放大後，達到需要的脈衝強度時，又給普克爾盒17施加1/4波電壓，並注意調節加電壓的時刻，使得放大後的疊加脈衝2次通過普克爾盒17，偏振方向改變，由檢偏振片18反射導出。
採用單向器13是使得輸入脈衝和輸出脈衝分開。在第一雷射腔片16後面的探頭15利用漏光(小於1％的透過率)用以置放探頭15觀察脈衝在雷射諧振腔21中的振蕩放大過程，探頭15的輸出顯示在示波器9上，同時測量獲得的脈衝時間寬度，確定是否是所需要的脈衝寬度。
在本實用新型的裝置中，起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14組成一組單向器13，使得入射的雷射可以沿起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14入射到雷射諧振腔21中，從雷射諧振腔21輸出的光則逆方向行進而從起偏振片11反射導出。根據雷射工作波長的不同，裝置中各種光學元件需要和工作波長對應。而法拉第旋光器12和45°旋光片14可以換成普克爾盒，同樣可以產生單向器的效果。在本實用新型的裝置中，放大介質19的工作波長與雷射光源的工作波長一致，可以是摻鈦藍寶石晶體，摻釹玻璃或摻釹釔鋁石榴石晶體等。
上述雷射脈衝寬度的調節，其結構如圖1所示，具體調節步驟如上所述(1)使得通過起偏振片11起偏後的連續鎖模偏振脈衝列通過法拉第旋光器12和45°旋光片14入射到檢偏振片18上，並啟動普克爾盒17，使得脈衝列注入到雷射諧振腔21中。(2)雷射諧振腔21是採用第一雷射腔片16，第二雷射腔片22，檢偏振片18，小孔光闌20，放大介質19和普克爾盒17建立的，作為脈衝堆積器，調節使雷射諧振腔21的腔長L(光程長度)和脈衝列的脈衝間隔T所決定的空間長度相等，即脈衝在雷射諧振腔中來回一次的時間和脈衝列中脈衝的時間間隔T相等(T＝2L/c，c是真空中的光速)。當沒有種子雷射束注入時，雷射諧振腔21中不存在振蕩光。(3)當種子雷射束注入後，通過探頭15和示波器9觀察脈衝在雷射諧振腔21中的脈衝放大和加寬過程，測量脈衝的時間寬度，用沿雷射腔長度軸線前後移動第二雷射腔片22，獲得所需要的放大後的脈衝時間寬度。(4)最後由設定的普克爾盒的工作程序，使得放大的脈衝在最強時從檢偏振片18導出，通過45°旋光片14和法拉第旋光器12被起偏振片11反射導出。此時可以獲得所需要的放大的雷射脈衝。
與先技術相比，本實用新型具有顯著的特點(1)採用雷射諧振腔21作為脈衝堆積器。而在先技術中是利用階梯反射鏡實現脈衝延時和堆積。(2)通過調節雷射諧振腔21的腔長，使得輸出脈衝時間寬度可以連續實時調節。而在先技術中，階梯反射鏡確定後脈衝寬度就固定不變。(3)由於是大量脈衝在雷射諧振腔中疊加，輸出脈衝時間寬度可調節的範圍大。而在先技術中，由於採用的階梯反射鏡的分光束的數目很少，為了使得疊加後的脈衝不發生分裂，脈衝時間寬度不可能展得太寬。(4)利用雷射諧振腔21可以對脈衝同時進行放大。在先技術中，展寬後的脈衝能量不能得到放大。


圖1為本實用新型的實時調節雷射脈衝寬度裝置的結構示意圖。
圖2為實施本實用新型的實時調節雷射脈衝寬度裝置所得的結果圖示。
具體實施方式
應用如圖1所示的結構，採用摻鈦藍寶石連續鎖模雷射器作為雷射光源10輸出波長為1064nm，頻率為76MHz的連續鎖模脈衝列，每個脈衝寬度約120fs，經過光柵對脈衝展寬器展寬後得到～0.3ns的連續鎖模脈衝列作為輸入種子脈衝列，經過起偏振片11，法拉第旋光器12和45°旋光片14被檢偏振片18反射後注入雷射諧振腔21中，其脈衝間隔T＝13ns。在雷射諧振腔21中採用閃光燈泵浦的摻釹玻璃棒作為放大介質19，雷射諧振腔21的初始腔長L設置為1973.7mm(光程長度)，和輸入的76MHz連續鎖模脈衝列的脈衝間隔T＝13ns匹配(T＝2L/c)。普克爾盒17工作的時間間隔T0設定為7784ns，一共有接近600個脈衝在雷射諧振腔21內振蕩放大疊加。當沿雷射諧振腔軸線連續移動雷射腔片22拉長雷射諧振腔時，獲得了時間寬度連續可變的放大脈衝，調節範圍可以從～0.3ns到～2.2ns(見圖2)，脈衝形狀保持光滑。在圖3中，橫軸表示第二雷射腔片22的相對於第一雷射腔片16的位置，讀數越大，越靠近第二雷射腔片22的初始位置。
權利要求1.一種實時調節雷射脈衝寬度的裝置，包括雷射光源(10)和由起偏振片(11)，45°法拉第旋光器(12)和45°旋光片(14)構成的單向器(13)，輸出連接到示波器(9)上的探頭(15)，其特徵在於用雷射諧振腔(21)作為脈衝堆積器，雷射諧振腔(21)由第一雷射腔片(16)和第二雷射腔片(22)構成，雷射諧振腔(21)內置有放大介質(19)，在第一雷射腔片(16)與放大介質(19)之間的雷射諧振腔(21)內置有普克爾盒(17)，在普克爾盒(17)與放大介質(19)之間的雷射諧振腔(21)內置有表面與雷射諧振腔(21)中心軸線成57°角置放的檢偏振片(18)，在放大介質(19)與第二雷射腔片(22)之間的雷射諧振腔(21)內置有小孔光闌(20)，第一雷射腔片(16)或第二雷射腔片(22)的位置能夠前後移動；由雷射光源(10)發射的種子雷射脈衝通過單向器(13)後射到雷射諧振腔(21)內的檢偏振片(18)上導入雷射諧振腔(21)內，所說的探頭(15)在雷射諧振腔(21)外對著第一雷射腔片(16)置放，輸出連接到示波器(9)上。
專利摘要一種實時調節雷射脈衝寬度的裝置，是利用一臺腔長可變化的雷射諧振腔作為脈衝堆積器，主要包括由雷射光源發射的種子雷射脈衝，通過單向器射到置放在由兩雷射腔片構成的雷射諧振腔內的檢偏振片上導入雷射諧振腔內，雷射脈衝在雷射諧振腔內來回振蕩，經過放大介質的放大和脈衝的疊加，通過調節雷射諧振腔的腔長變化，可以獲得輸出的脈衝時間寬度是連續可變的，與在先技術相比，本實用新型的裝置不僅能夠獲得大範圍的連續實時可調節的雷射脈衝時間寬度，同時還能獲得展寬後放大的脈衝能量。
文檔編號H01S3/10GK2569377SQ0226691
公開日2003年8月27日 申請日期2002年9月6日 優先權日2002年9月6日
發明者冷雨欣, 林禮煌, 陸海鶴, 楊曉東, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所