CN103576331B - 啁啾脉冲激光的信噪比提升装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种啁啾脉冲激光的信噪比提升装置及提升方法，解决现有提高超短脉冲的信噪比装置转化效率低、参数难于控制、无法有效抑制ns以下至百ps的噪声、成本高的技术问题。在马赫-曾德尔结构光路中的一臂***普克尔盒和特殊设计的n级全波片，另一路中***半波片，并且采用电导开关驱动普克尔盒进行扫描滤波。本发明具有高的转化效率，可级联使用，同时避免了不需要的非线性作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种提升啁啾脉冲激光信噪比的装置及方法。
背景技术
近年来超短脉冲激光技术迅速发展，皮秒至飞秒量级的激光脉冲产生与放大技术已经可以在台面尺寸产生太瓦乃至帕瓦峰值功率的超短脉冲。而目前主要的产生强激光超短脉冲的放大技术——啁啾脉冲放大技术（CPA），在其放大过程中激光脉冲的前沿和后沿会产生较强的自发辐射放大(ASE)，并且在选取种子脉冲时，也会带有子脉冲。虽然这些前后沿和子脉冲噪声和激光主脉冲相比，在强度上小几个数量级，但是在超强超短脉冲激光与物质相互作用的实验中是极其不利的因素。尤其是主脉冲前的预脉冲经聚焦后其功率密度仍然很高，足以产生预等离子体等物理过程，从而影响主脉冲与物质作用的物理现象的研究。因此，提高超短脉冲的信噪比是强场物理研究的重要课题之一。
目前，重要的信噪比提升方法主要有等离子体镜、光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）、环形腔再生放大、交叉偏振波（XPW）、光开关法等技术。
等离子体镜技术是将超短脉冲激光入射到透明光学介质材料的表面，预脉冲透射出去，主脉冲前沿在材料表面产生等离子体；当等离子体的密度超过临界电子密度后，透明介质将会从对该激光波长高透的固体瞬间变为反射率接近于1的等离子体，反射主脉冲，从而形成了极快的等离子体镜效应。利用该效应提升信噪比转换效率较低、参数难于控制、成本高。
光参量啁啾脉冲放大是较为成熟的提升信噪比的方法，但是比CPA***放大效率要低。
用于前级预放的环形腔是一种再生放大技术，在一定程度上提高了中间放大级的激光脉冲对比度，但不能消除后级放大中的自发辐射问题，提升能力有限。
交叉偏振波（XPW）利用材料的高阶非线性特性进行滤波，以提高激光的对比度。该方法适用于压缩后的超短激光脉冲，其峰值功率较高，受到材料损伤阈值的限制，并且转换效率较低。
光开关法是利用4-7ns的短电脉冲驱动普克尔盒，改变激光偏振方向从而达到消除几个ns以上时间的子脉冲，但由于其短电脉冲产生技术的限制，不能用于提升ns以下时间的信噪比。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种啁啾脉冲激光的信噪比提升装置及方法，解决现有提高超短脉冲的信噪比装置及方法转化效率低、参数难于控制、无法有效抑制ns以下至百ps的噪声、成本高的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特殊之处在于：包括至少一级用于对啁啾脉冲放大激光***发出的激光进行滤波的马赫-曾德尔滤波器；所述马赫-曾德尔滤波器包括两臂光程相等的马赫-曾德尔结构、***马赫-曾德尔结构一臂中的半波片、***马赫-曾德尔结构另一臂中的普克尔盒和n级全波片；所述半波片的光轴与射入半波片的激光的偏振方向呈45°；n级全波片的光轴与射入n级全波片的激光的偏振方向成45°；所述普克尔盒由高压电源供电。
上述马赫-曾德尔结构的一臂包括第一分束片和第二分束片，另一臂包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一分束片与入射光呈45°，入射光经第一分束片后分成与入射光方向一致的第一光路和与入射光路方向垂直的第二光路，所述第二分束片位于第一光路上且与第一分束片垂直，所述第二光路上设置有与第一分束片垂直的第一反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜的反射光路上，且第二反射镜与第一反射镜垂直，第二反射镜反射后的光路与第一分束片的出射光路在第二分束片处干涉；所述马赫-曾德尔结构的第一分束片和第二分束片中之间设置有使两臂光程相等的光延迟单元。
马赫-曾德尔滤波器还包括光电导开关和第三分束片；所述第三分束片设置在啁啾脉冲放大激光***与马赫-曾德尔滤波器之间，所述第三分束片分出的一路激光能量用于触发光电导开关，另一路激光能量射入马赫-曾德尔滤波器，所述光电导开关用于驱动普克尔盒；所述光电导开关由高压电源提供电压。
高压电源提供的电压为普克尔盒半波电压的2倍。
上述第一分束片和第二分束片为分束比50:50的消偏振分束片。
上述半波片是针对啁啾脉冲放大激光***发出激光的中心波长的零级半波片。
上述高压电源为高压脉冲电源，所述高压脉冲电源的触发电信号来自啁啾脉冲放大***的同步控制电信号。
一种啁啾脉冲激光的信噪比提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】啁啾脉冲放大激光***发出的啁啾脉冲激光经第一分束片后分成第一光路和第二光路；
2】第一光路经过半波片产生90°偏振，所述半波片的光轴与入射激光的偏振方向呈45°；第二光路经普克尔盒和n级全波片产生90°偏振，所述n级全波片与入射激光的偏振方向呈45°；
3】经偏振后的第一光路和第二光路在第二分束片处进行干涉后形成高信噪比的啁啾脉冲激光。
步骤1】还包括啁啾脉冲激光经第一分束片分光前的以下步骤，用第三分束片将啁啾脉冲激光分成两路，其中一路激光能量用于触发光电导开关，光电导开关触发普克尔盒形成斜波电压，另一路激光能量射入第一分束片。
本发明优点：
1、转化效率高。本发明光路中用到的光学器件损耗很小，最终通过马赫-曾德尔的两臂干涉加强来输出，只要较好控制两臂的激光能量相等，就可以保证最终的高效率输出所需的激光。
2、可级联使用。本发明每一级滤波器可单独使用，也可多级级联，提升效果将成倍增加。
3、避免不需要的非线性作用。由于高功率超短脉冲激光很容易引入有害的非线性作用，使激光脉冲光束质量变坏、脉冲***、成丝等。本发明在啁啾脉冲状态下应用，脉冲激光的峰值功率不高，可有效的避免非线性效应。
附图说明
图1是马赫-曾德尔结构的一种实例结构图；
图2（a）是普克尔盒上的扫描斜波电压-时间图；
图2（b）是与图2（a）对应的啁啾脉冲波长-时间图；
图3（a）是普克尔盒上的工作电压-时间图；
图3（b）是与图3（a）对应的激光脉冲强度-时间图；
图4是特殊设计的n级全波片和普克尔盒共同对偏振的旋转作用图。
其中：1-啁啾脉冲放大激光***；2-第三分束片；3-第一分束片；4-半波片；5-第二分束片；6-高压脉冲电源；7-光电导开关；8-普克尔盒；9-n级全波片；R3~R6-宽带反射镜；R1-第一反射镜；R2-第二反射镜；R7-反射镜。
具体实施方式
如图1，一种啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，包括至少一级用于对啁啾脉冲放大激光***1发出的激光进行滤波的马赫-曾德尔滤波器；马赫-曾德尔滤波器包括两臂光程相等的马赫-曾德尔结构、***马赫-曾德尔结构一臂中的半波片4、***马赫-曾德尔结构另一臂中的普克尔盒8和n级全波片9，普克尔盒8和n级全波片9的位置可以互换。
半波片4的光轴与入射激光偏振方向呈45°，半波片4是针对激光中心波长的零级半波片4，以使中心波长偏振旋转90°。n级全波片9的光轴与入射激光的偏振方向成45°。
普克尔盒8由光电导开关7驱动，啁啾脉冲放大激光***1与马赫-曾德尔滤波器之间设置有第三分束片2，所述啁啾脉冲放大激光***1发出的激光经第三分束片2分出一路激光能量用来触发光电导开关7，光电导开关7的触发能量一般为几十微焦，另一路较大的激光能量射入马赫-曾德尔滤波器，当光电导开关7不在第三分束片2分出的激光光路上时，可以设置反射镜R7，将激光引致光电导开关7上。采用耐高压、高速响应、无时间抖动的光电导开关7，使得加在普克尔盒8上的扫描滤波用的电压为斜波电压，也可以直接在普克尔盒8上加斜波电压，用啁啾脉冲放大激光***1发出的激光来触发光电导开关，实现了斜波电压与啁啾脉冲激光的高精度同步。
普克尔盒8和光电导开关7均由高压电源提供电压，即光电导开关7和普克尔盒8并联在脉冲电源输出端，而且光电导开关7、普克尔盒8和高压电源三者共地，同时，高压电源提供的电压值为普克尔盒8半波电压的2倍，其目的在于扫描滤波需要从2倍的半波电压开始扫描到0V，完成一次扫描。高压电源可以选用高压脉冲电源6，用啁啾脉冲放大激光***1的同步电信号触发高压脉冲电源6，以达到先给光电导加上高压，然后第三分束片2分出的几十微焦激光能量触发光电导开关7打开。高压脉冲电源6采用现有的电源，由雪崩晶体管开关电路、大功率MOS管开关电路、闸流管开关电路构成，并且在输出端串联了耐高压电容用于储能。本发明中可用输出为正高压或负高压的脉冲电源，因为该滤波器中普克尔盒8响应的结果是将所需波长激光偏振方向旋转90°，所以正或负高压都可达到该目的。高压脉冲电源6由啁啾脉冲放大激光***1中的同步信号源提供触发信号，可使光电导开关7和普克尔盒8处于高压状态后，激光脉冲才到达光电导开关7触发导通，形成快速下降沿（斜波电压）用于扫描滤波。
马赫-曾德尔结构包括但不限于以下这种结构：马赫-曾德尔结构的一臂包括第一分束片3和第二分束片5，另一臂包括第一反射镜R1和第二反射镜R2，所述第一分束片3与入射光呈45°，入射光经第一分束片3后分成与入射光方向一致的第一光路和与入射光路方向垂直的第二光路，所述第二分束片5位于第一光路上且与第一分束片3垂直，所述第二光路上设置有与第一分束片3垂直的第一反射镜R1，所述第二反射镜R2位于第一反射镜R1的反射光路上，且第二反射镜R2与第一反射镜R1垂直，第二反射镜R2反射后的光路与第一分束片3的出射光路在第二分束片5处干涉。
基于此种结构，半波片设置于第一分束片3和第二分束片5之间，普克尔盒和n级全波片设置于第一反射镜R1和第二反射镜R2之间，普克尔盒与n级全波片位置可以互换，普克尔盒、n级全波片作为整体与半波片的位置可以互换。该马赫-曾德尔结构的两臂光程不相等，因此在光程较短的一臂中增加用于使两臂光程相等的光延迟单元，例如在图1中，在半波片4之前或之后***光延迟单元，光延迟单元包括4个反射镜R3~R6，4个反射镜最好为宽带反射镜。
各种结构的马赫-曾德尔结构中的第一分束片3和第二分束片5都是分束比为50:50的消偏振分束片，第三分束片2没有特殊要求。
通过设计n级全波片9的中心波长和级数，可使斜波电压U(t)从高压HV变化到0V，对应着啁啾脉冲激光波长从长波变到短波（正啁啾脉冲激光），而激光脉冲的中心波长与1/2HV相对应，普克尔盒8上所加斜波电压U(t)随时间的变化如图2(a)所示，啁啾脉冲波长(t)随时间的变化如图2(b)所示。
参见图3，普克尔盒8上的工作电压-时间变化图(a)，在初始状态时处于0V；激光脉冲到来前啁啾脉冲激光放大***发出的同步电信号触发高压脉冲电源6，使光电导开关7和普克尔盒8上电压上升至HV；当激光脉冲触发光电导开关7迅速打开，脉冲电源内的储能电容迅速放电形成快速下降沿。可调节光路延迟使啁啾激光脉冲通过普克尔盒8时正好对应斜波电压在普克尔盒8上变化，如图(b)所示。其原理是：普克尔盒8和n级全波片9组合作用，扫描起始点是高压HV，此时是啁啾脉冲长波端偏振方向旋转90°；扫描中心点是1/2HV，对应啁啾脉冲脉冲中心波长的半波电压，将偏振方向旋转90°；扫描终点是低压0V，对应啁啾脉冲的短波端偏振方向旋转90°。最终所需的啁啾脉冲偏振方向全部旋转90°，与另一路偏振方向旋转90°的激光在第二分束片5上产生干涉，仅从一个方向干涉加强输出；而噪声光偏振方向不会在普克尔盒8和n级全波片9的作用下旋转，从而在输出方向上降低了。
n级全波片9是根据激光光谱宽度和中心波长设计加工的n级全波片9，n级全波片9和普克尔盒8形成随电压而变的组合波片，保证在普克尔盒8上加斜波电压后，使透过的激光相应波长的偏振方向得到90°偏转，而其他波长将不偏转或偏转角度较小。n级全波片9是由双折射材料制作的，其厚度要根据实际需要的光谱扫描范围来确定，一般是对中心波长的n级全波片9。经过普克尔盒8和n级全波片9的组合之后，沿波片光轴和垂直光轴的两偏振方向的相位延迟为：
其中d为多级全波片厚度，Δn为其o光和e光折射率差；n0为普克尔盒8的折射率，γ63是电光系数。
为了清楚地理解扫描滤波过程，我们根据公式(1)做了该滤波器的数值模拟，如图4所示。参数选择为：中心波长800nm的宽带光源，普克尔盒8电压分别是0V、3kV、6kV、9kv。图4是一个10级全波片，厚度0.92mm的石英晶体，在不同电压时的偏振变化图。电压从高压9kV降到0V的过程，对应的偏振旋转峰值900nm从长波长830nm向短波长760nm依次移动（图4中从右向左）。由此看出，波片的厚度就确定了滤波的带宽，并且也确定了扫描的起始点（高压时对应的偏振旋转峰值）和终止点（0V对应的偏振旋转峰值）。
一种啁啾脉冲激光的信噪比提升方法，包括以下步骤：
1】啁啾脉冲放大激光***1发出的啁啾脉冲激光，用第三分束片2将啁啾脉冲激光分成两路，其中一路激光能量用于触发光电导开关7，光电导开关7导通形成斜波电压用于驱动普克尔盒8；另一路激光能量射入第一分束片3，经第一分束片3后分成第一光路和第二光路；
2】第一光路经过半波片4产生90°偏振，所述半波片4的光轴与入射激光的偏振方向呈45°；第二光路经普克尔盒8和n级全波片9共同作用产生90°偏转，n级的光轴与入射激光的偏振方向呈45°；
3】经偏振后的第一光路和第二光路在第二分束片5处进行干涉后形成高信噪比的啁啾脉冲激光。
该装置针对激光放大器前（或后）的啁啾脉冲激光进行扫描滤波，滤掉自发辐射等噪声部分，滤波器的透射中心波长随着啁啾脉冲的波长变化而变化，使啁啾脉冲的透射效率很高，而激光晶体的自发辐射等噪声波长成分透射效率低，最终压缩啁啾脉冲后得到无群速色散的超短脉冲，其信噪比将得到提高。级联使用，升效果将成倍增加。优化滤波器的参数设计，可有效抑制ns以下至百ps的噪声，从而实现压缩后的超短脉冲信噪比的提升。
Claims (9)
1.啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：包括至少一级用于对啁啾脉冲放大激光***发出的激光进行滤波的马赫-曾德尔滤波器；
所述马赫-曾德尔滤波器包括两臂光程相等的马赫-曾德尔结构、***马赫-曾德尔结构一臂中的半波片、***马赫-曾德尔结构另一臂中的普克尔盒和n级全波片；
所述半波片的光轴与射入半波片的激光的偏振方向呈45°；n级全波片的光轴与射入n级全波片的激光的偏振方向成45°；
所述普克尔盒由高压电源供电。
2.根据权利要求1所述的啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：所述马赫-曾德尔结构的一臂包括第一分束片和第二分束片，另一臂包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一分束片与入射光呈45°，入射光经第一分束片后分成与入射光方向一致的第一光路和与入射光路方向垂直的第二光路，所述第二分束片位于第一光路上且与第一分束片垂直，所述第二光路上设置有与第一分束片垂直的第一反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜的反射光路上，且第二反射镜与第一反射镜垂直，第二光路中被第二反射镜反射的光束与第一光路中经过第一分束片出射的光束在第二分束片处干涉；所述马赫-曾德尔结构的第一分束片和第二分束片之间设置有使两臂光程相等的光延迟单元。
3.根据权利要求1或2所述的啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：马赫-曾德尔滤波器还包括光电导开关和第三分束片；所述第三分束片设置在啁啾脉冲放大激光***与马赫-曾德尔滤波器之间，所述第三分束片分出的一路激光能量用于触发光电导开关，另一路激光能量射入马赫-曾德尔滤波器，所述光电导开关用于驱动普克尔盒；所述光电导开关由高压电源提供电压。
4.根据权利要求3所述的啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：高压电源提供的电压为普克尔盒半波电压的2倍。
5.根据权利要求4所述的啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：所述第一分束片和第二分束片为分束比50:50的消偏振分束片。
6.根据权利要求5所述的啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：所述半波片是针对啁啾脉冲放大激光***发出激光的中心波长的零级半波片。
7.根据权利要求6所述的啁啾脉冲激光的信噪比提升装置，其特征在于：所述高压电源为高压脉冲电源，所述高压脉冲电源的触发电信号来自啁啾脉冲放大***的同步控制电信号。
8.啁啾脉冲激光的信噪比提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】啁啾脉冲放大激光***发出的啁啾脉冲激光经第一分束片后分成第一光路和第二光路；
2】第一光路经过半波片产生90°偏振，所述半波片的光轴与入射激光的偏振方向呈45°；第二光路经普克尔盒和n级全波片产生90°偏振，n级全波片的光轴与入射激光的偏振方向呈45°；
3】经偏振后的第一光路中经过第一分束片出射的光束与第二光路中被第二反射镜反射的光束在第二分束片处干涉后形成高信噪比的啁啾脉冲激光。
9.根据权利要求8所述啁啾脉冲激光的信噪比提升方法，其特征在于：步骤1】还包括啁啾脉冲激光经第一分束片分光前的以下步骤，用第三分束片将啁啾脉冲激光分成两路，其中一路激光能量用于触发光电导开关，光电导开关导通形成斜波电压继而驱动普克尔盒，另一路激光能量射入第一分束片。
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