CN105652355B - 一种基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，包括：将线偏振的飞秒激光分成能量相等的两个脉冲；第一脉冲透过半波片，通过旋转半波片的光轴，使第一脉冲的偏振方向与水平方向形成第一夹角；第一脉冲透过多阶波片，多阶波片的快轴与水平方向成第二夹角，第一脉冲投影到水平和垂直方向的子脉冲之间产生了延时；第一脉冲透过Berek相位补偿片，通过转动Berek相位补偿片的方向调节圈使得Berek相位补偿片的快轴与水平方向成第二夹角，通过转动延时调节圈改变两个子脉冲之间的相位差；将第一脉冲通过聚焦透镜进行聚焦，并与第二脉冲以第三夹角进行重合，两个脉冲的相对延时在时间重合获得生存时间更久的等离子体光栅。
Description
技术领域
本发明属于超快光学领域,涉及到一种新型等离子体光栅的产生技术，可以延长等离子体光栅生存时间，为远程操纵提供新思路。
背景技术
在超快光学领域中，两束相干光束在空间和时间上重合时产生强烈的相互作用会对作用区域的强度分布产生空间调制。而当这种调制与介质发生相互作用时，将通过非线性折射率改变的方式传导给介质，在介质内部产生一种动态的折射率分布。这种动态折射率的分布以及它对光的传播所产生的影响类似于传统的光栅器件，于是它被称为激光诱导的动态等离子体光栅，简称等离子体光栅。
等离子体光栅有着丰富的应用，比如作为衍射光栅具有高损伤阈值、低成本、易制备的优秀性能，利用等离子体光栅进行信息的全息储存，利用等离子体光栅对光子晶体进行三维结构微尺度处理。
等离子体光栅的存在时间是研究应用者最关注的问题。等离子体光栅中自由电子与离子的复合，以及氧气分子吸附自由电子这两个过程导致自由电子浓度快速衰减，从而影响到了其寿命。Durand等人在文献(Phys.Rev.E86,036405,2012)中指出,分子气体中电子离子复合速率远远高于等离子体的空间扩散速率，空气中的主要成分是氮气和氧气分子，因而研究空气中等离子体光栅弛豫过程可以忽略等离子体扩散造成的影响。
从原理上来延长等离子体光栅寿命的方法主要有两种，第一种是降低电子离子复合几率，电子离子复合几率与电子温度成反比，通过在等离子体光栅的两侧放置电极板，两极间加以高压静电场，等离子体通道的自由电子沿着静电场方向加速获得动能，温度提高，从而降低电子与离子复合几率。第二种是提高初始电子密度，例如利用短焦距透镜聚焦飞秒激光形成等离子体光栅以提高初始自由电子密度。
静电场高压方法缺陷在于所加装置笨重，要在光栅形成处施加高压，不利于远距离等离子体光栅的应用。短焦距延长等离子体光栅寿命的方法同样不利于远距离操控。
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提出一种基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅制备方法，从而获得生存时间更久的等离子体光栅。
发明内容
本发明提出了一种基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将线偏振的飞秒激光分成能量相等的第一脉冲和第二脉冲；
步骤2：所述第一脉冲透过半波片，通过旋转所述半波片的光轴，使所述第一脉冲的偏振方向与水平方向形成第一夹角；
步骤3：所述第一脉冲透过多阶波片，所述多阶波片的快轴与水平方向成第二夹角，所述第一脉冲投影到水平和垂直方向的子脉冲之间产生了延时；
步骤4：所述第一脉冲透过Berek相位补偿片，通过转动所述Berek相位补偿片的方向调节圈使得所述Berek相位补偿片的快轴与水平方向成所述第二夹角，通过转动所述Berek相位补偿片的延时调节圈改变两个所述子脉冲之间的相位差；
步骤5：将所述第一脉冲通过聚焦透镜进行聚焦，并与所述第二脉冲以第三夹角进行重合，通过调节第一脉冲与第二脉冲的相对延时，在时间重合处得到等离子体光栅。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述第一脉冲的波长范围在200nm到1600nm之间。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述半波片的工作波长范围在200nm到1600nm之间。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述多阶波片的工作波长范围在200nm到1600nm之间。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述延时与所述多阶波片的厚度成正相关。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述第一夹角与第二夹角之和为45度，经过所述多阶波片的第一脉冲的快轴与慢轴成45度。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述子脉冲之间的延时为所述第一脉冲的半高全宽宽度。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述Berek相位补偿片工作波长范围在200nm到1600nm之间，在300nm调节相位范围是0到5.8π，在1600nm调节相位范围为0到π。
本发明提出的所述基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法中，所述步骤5中利用机械延时线调节第一脉冲与第二脉冲的相对延时。
本发明的有益效果包括：本发明制备方法操作简便，实用性高，不需要额外的电路设备(电极板以及高压电源)，只需要在原有光路中增加少量光学元件，进行脉冲偏振处理，即可获得等离子体光栅存在时间延长效果。与短焦距透镜聚焦飞秒激光形成等离子体光栅方法相比，在长焦距下同样能提高等离子体光栅存在时间，为远距离飞秒激光操纵提供便利。
附图说明
图1是具体实施例中制备基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的光路示意图。
图2(a)是对激光脉冲进行偏振变换的原理示意图。
图2(b)是两个子脉冲之间相位差为0时，子脉冲延时区域为顺时针线偏振旋转的示意图。
图2(c)是两个子脉冲之间相位差为π时，子脉冲延时区域为逆时针线偏振旋转的示意图。
图1中，1-飞秒激光器；2-1：1分束镜；3、4、5、6、7、9-高反射镜；8-步进电机；11-半波片；12-多阶波片；13-Berek相位补偿片；10、14-聚焦透镜。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
图1显示的是本发明较佳实施例的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅制备方法的具体光路结构。飞秒激光由飞秒激光器1产生，本实施例中的飞秒激光器1使用钛宝石飞秒激光放大器，中心波长800nm，脉宽50fs，单脉冲能量最高10mJ，重复频率为1kHz，水平线偏振激光输出，输出的水平线偏振激光射入1:1分束镜2，被分成能量相等的第一脉冲和第二脉冲。其中，第一脉冲将被用于脉冲偏振整形，第二脉冲将利用机械延时线调节其与第一脉冲的相对延时。
第一脉冲经过高反射镜3反射到半波片11，半波片11的工作波长为800nm。通过旋转半波片3，配合格兰棱镜检偏，使得偏振方向与水平方向成+45°(即，第一夹角为45度)。第一脉冲经过半波片11后射入多阶波片12。多阶波片12的快轴与水平方向平行(即，第二夹角为0度)，由于快慢轴之间折射率的不同，第一脉冲投影在多阶波片12快轴和慢轴上的子脉冲将产生50fs的延时。之后，第一脉冲经过Berek相位补偿片13，Berek相位补偿片13的方向调节圈设置为第二夹角，即0度，此时Berek相位补偿片13的快轴与水平方向平行，通过精细地调节Berek相位补偿片13的延时调节圈改变Berek相位补偿片13，可以控制第一脉冲重叠区域的偏振情况，如图2(a)所示。如果子脉冲之间的相位差是0，沿着激光传播的方向上看，激光是线偏光顺时针转动，如图2(b)所示；如果子脉冲之间相位差是π，沿着激光传播的方向上看，激光是线偏光顺时针转动，如图2(c)所示；如果子脉冲之间的相位差是π/2，沿着激光传播的方向上看，激光是圆偏光。透过Berek相位补偿片13的第一脉冲射入聚焦透镜14后输出。
第二脉冲依次经过高反射镜4、高反射镜5、高反射镜6、高反射镜7、高反射镜9后射入聚焦透镜10。其中，高反射镜5、6由步进电机驱动驱动，可分别增加高反射镜5、6与高反射镜4、7之间的距离改变第二脉冲的延时，从而调节第一脉冲与第二脉冲之间的相对延时。
第一脉冲和第二脉冲分别经过聚焦透镜14和聚焦透镜10进行聚焦后，当时间重合，空间上第一脉冲与第二脉冲以第三夹角重合，在干涉作用下产生周期性分布的等离子体光栅。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.一种基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将线偏振的飞秒激光分成能量相等的第一脉冲和第二脉冲；
步骤2：所述第一脉冲透过半波片，通过旋转所述半波片的光轴，使所述第一脉冲的偏振方向与水平方向形成第一夹角；
步骤3：所述第一脉冲透过多阶波片，所述多阶波片的快轴与水平方向成第二夹角，所述第一脉冲投影到水平和垂直方向的子脉冲之间产生了延时；
步骤4：所述第一脉冲透过Berek相位补偿片，通过转动所述Berek相位补偿片的方向调节圈使得所述Berek相位补偿片的快轴与水平方向成所述第二夹角，通过转动所述Berek相位补偿片的延时调节圈改变两个所述子脉冲之间的相位差；
步骤5：将所述第一脉冲通过聚焦透镜进行聚焦，并与所述第二脉冲以第三夹角进行重合，通过调节第一脉冲与第二脉冲的相对延时，在时间重合处得到等离子体光栅。
2.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述第一脉冲的波长范围在200nm到1600nm之间。
3.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述半波片的工作波长范围在200nm到1600nm之间。
4.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述多阶波片的工作波长范围在200nm到1600nm之间。
5.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述延时与所述多阶波片的厚度成正相关。
6.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述第一夹角与第二夹角之和为45度，经过所述多阶波片的第一脉冲的快轴与慢轴成45度。
7.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述子脉冲之间的延时为所述第一脉冲的半高全宽宽度。
8.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述Berek相位补偿片工作波长范围在200nm到1600nm之间，在300nm调节相位范围是0到5.8π，在1600nm调节相位范围为0到π。
9.如权利要求1所述的基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤5中利用机械延时线调节第一脉冲与第二脉冲的相对延时。
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