專利名稱：基于手性液晶的飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超短脈沖激光X射線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適合超短激光脈沖'沐入傳輸?shù)摹?用-逮普頓散射產(chǎn)生高亮度X射線的基于手件液晶的飛抄光子儲(chǔ)存環(huán)。
背景技術(shù)：
早在60年代電子束散射激光光子產(chǎn)生X射線的思想就被提出了，近十兒年來，由于加速器 技術(shù)的成熟，TW激光器的突破性發(fā)展，使得這種基于康普頓散射產(chǎn)生X射線的構(gòu)想成為通往超 短脈沖、高亮度、緊湊光源的新途徑。但是受高功率激光器的低重復(fù)頻率的限制，激光束與 電子束單次散射產(chǎn)生的X射線的平均亮度不高。為此，人們提出了把激光光子存儲(chǔ)在儲(chǔ)存環(huán)中， 并把電子束與激光的作用點(diǎn)選在光子儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)，使電子束多次通過作用點(diǎn)，從而使二者以非 常高的頻率發(fā)生康普頓散射，獲得高平均亮度的X射線。 一篇名為《用于康普頓散射的皮秒激 光脈沖儲(chǔ)存環(huán)》(《High-energy Picosecond Laser Pulse Recirculation for Compton Scattering》，I. Jovanovic, S. G. Anderson, S. M. Betts, et al, Particle Accelerator Conference ' 07, June 14， 2007， 231797~231802)的文章提出了在存儲(chǔ)環(huán)里加入倍頻晶體， 通過頻率轉(zhuǎn)換，利ffl雙色鏡既有利于基頻光的注入，又將倍頻光儲(chǔ)存在環(huán)內(nèi)。但這種儲(chǔ)存環(huán) 不適合高能飛秒的注入和傳輸，這是因?yàn)楦吖β曙w秒激光脈沖有數(shù)十nm的帶寬，近焦耳量級(jí) 的飛秒激光，其功率達(dá)到數(shù)TW，在穿過介質(zhì)后，脈寬展寬嚴(yán)重，大大降低了峰值功率；且位 相延遲急劇增人，造成光束分裂和自聚焦，從而對光學(xué)元件和光束質(zhì)量造成嚴(yán)重破壞。因此， 飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)必須避免激光往返穿越透射介質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適合超短激光脈沖注入傳輸?shù)摹⒂秘】灯疹D散射產(chǎn)生高亮度X 射線的基于手性液晶的飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)。
本發(fā)明的基于手性液晶的飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)，特點(diǎn)是，所述的儲(chǔ)存環(huán)含有依次在光路上排布 的起偏器、入/4波片、短焦凸透鏡、長焦凸透鏡、第一高反鏡、液晶片、第一離軸拋面鏡、 第二離軸拋面鏡、第二高反鏡、凸透鏡、PD光電二極管，其中第一離軸拋面鏡、第二離軸拋 fil鏡是一對共焦離軸拋面鏡。
本發(fā)明的儲(chǔ)存環(huán)光路為入射的飛秒激光脈沖，經(jīng)起偏器成線偏振光，線偏振光經(jīng)過入
/4波片旋光、成為右旋圓偏振光之后，入射的飛秒脈沖再經(jīng)過K、短焦距透鏡組成的望遠(yuǎn)鏡 系統(tǒng)擴(kuò)束，通過液晶片耦合進(jìn)入由液晶片、共焦離軸拋面鏡、第二高反鏡組成的"Z"形折疊諧振腔，液晶片為注入窗口，入射的飛秒激光脈沖經(jīng)兩個(gè)共焦離軸拋面鏡反射，并在離軸拋 面鏡焦點(diǎn)處聚焦，選取該焦點(diǎn)為光子與電子束的作用點(diǎn)，而后入射光經(jīng)第二高反鏡反射，在 諧振腔內(nèi)往返傳輸，并采用光電二極管和CCD監(jiān)測高反鏡的透射光時(shí)間波形的衰減，調(diào)整腔 長和第二高反鏡的俯仰使諧振腔內(nèi)傳輸?shù)墓馐_(dá)到較好狀態(tài)。
本發(fā)明的Z形諧振腔注入窗口的液晶片為手性液晶。手性液品對某些特定波段的圓偏振 光具有單向通過能力，采用手性液晶做諧振腔入射窗口極大的提高了諧振腔的耦合效率，降 低了諧振腔的衰減損耗。
本發(fā)明的原理如下
手性液晶具有Bragg選擇反射特性，左旋手性液晶選擇反射某個(gè)波段的左旋圓偏振光， 而透射右旋圓偏振光。
入射的線偏振光經(jīng)過l/4波片后變成右旋圓偏振光，右旋圓偏振激光經(jīng)左旋手性液晶片傳 輸后經(jīng)過奇數(shù)個(gè)反射面反射,變成左旋圓偏振光。當(dāng)入射光再次經(jīng)過左旋手性液晶片時(shí),特定 波段的激光會(huì)被左旋手性液晶片反射,形成特定波段光線的存儲(chǔ)。
利用Jones矩陣和膜層遞推法對光線在液晶光隔離器的傳輸過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。在手性 液晶螺旋軸線方向上，把一個(gè)螺距P均勻分成m層，每一層旋轉(zhuǎn)的角度是e , {3 =2 n /m。根據(jù)能量 守恒定律和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程可以得到每一單層的反射光電場Er和透射光電場Et。
An 「 ；sin/ "0cos/ 、
五 = w-
2we"。 L cos / —wsin
五，=vv
*五, (1)
cos〃 —("/"e)sin/ ("/ m。 ) sin cos yS
(2)
其中《為入射光場，An = "e—w。， S = ("e+"。)/2， w = cos2" + (n /"e"。)sin2y5 。根據(jù)入射 激光，依據(jù)關(guān)系式(3)、 (4)設(shè)計(jì)液晶片
入射光中心波長義。=^尸。 (3)
入射光帶寬A義二尸。A" (4)
其中《為液晶螺距，液晶螺距可通過手性添加劑濃度來調(diào)節(jié)，因此可以根據(jù)入射激光波段的
需求制成合適的儲(chǔ)存環(huán)注入窗U 。
實(shí)驗(yàn)證明，手性液晶對脈寬為百飛秒的激光脈沖有較高的抗損傷閾值，功率損傷閾值可
達(dá)inF/ow2 ;對光束的反射原理與介質(zhì)高反薄膜的原理相同，不會(huì)對儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)往返傳輸?shù)募?光脈寬有任何展寬影響對入射光的正向透射率達(dá)90%以上，反向傳輸時(shí)的反射率最卨可達(dá)
499%。綜上可知，選取手性液晶片做注入窗口完全符合飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)的設(shè)計(jì)要求。采用手性 液晶的儲(chǔ)存環(huán)可使單脈沖飛秒激光在環(huán)內(nèi)往返傳輸近200次，用于康普頓散射可使產(chǎn)生的X 射線亮度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明選取手性液晶片做飛秒光子注入窗口，用于康普頓散射可使產(chǎn)生的X射線亮度提 高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；采用手性液晶做諧振腔入射窗U ，利用手性液晶對某些特定波段的圓偏振光 具有單向通過的特性，極大的提高了諧振腔的耦合效率，降低了諧振腔的衰減損耗；通過調(diào)
節(jié)液晶螺距設(shè)計(jì)出適合各個(gè)波段飛秒激光脈沖注入傳輸?shù)膬?chǔ)存環(huán)，同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)測儲(chǔ)存環(huán)內(nèi) 光束衰減情況，調(diào)整儲(chǔ)存環(huán)至較好狀態(tài)。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為用Jones矩陣數(shù)值模擬驗(yàn)證本發(fā)明中液晶片的透反率曲線圖 圖3為用Jones矩陣數(shù)值模擬驗(yàn)證本發(fā)明中液晶片的透反率曲線圖
圖中l(wèi).起偏器 2. A/4波片 3.短焦凸透鏡 4.長焦凸透鏡 5.第一高反鏡 6.液晶片 7.第一離軸拋面鏡 8.第二離軸拋面鏡 9.第二高反鏡 10.凸透鏡 ll.PD光電二極管
具體實(shí)施例方式
圖1中，本發(fā)明的基于手性液晶的飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)，含有依次在光路上排布的起偏器1、 入/4波片2、短焦凸透鏡3、長焦凸透鏡4、第一高反鏡5、液晶片6、第一離軸拋面鏡7、 第二離軸拋面鏡8、第二高反鏡9、凸透鏡IO、 PD光電二極管ll，其中第一離軸拋面鏡7、 第二離軸拋面鏡8是一對共焦離軸拋面鏡；
本發(fā)明儲(chǔ)存環(huán)光路為入射的飛秒激光脈沖，經(jīng)起偏器l成線偏振光，線偏振光經(jīng)過A /4波片2旋光、成為右旋圓偏振光之后，入射的飛秒脈沖再經(jīng)過長、短焦距透鏡(3、 4)組 成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束，通過液晶片6耦合進(jìn)入由液晶片6、離軸拋面鏡(7、 8)、第二高反鏡 9組成的"Z"形折疊諧振腔，液晶片6為注入窗口，入射的飛秒激光脈沖經(jīng)兩個(gè)共焦離軸拋 面鏡(7、 8)反射，并在離軸拋面鏡焦點(diǎn)處聚焦，選取該焦點(diǎn)為光子與電子束的作用點(diǎn)，而 后入射光經(jīng)第二高反鏡9反射，在諧振腔內(nèi)件返傳輸，并采用光電二極管和CCD監(jiān)測第二高 反鏡9的透射光時(shí)間波形的衰減，調(diào)整腔長和第二高反鏡9的俯仰使諧振腔內(nèi)傳輸?shù)墓鈻c達(dá) 到較好狀態(tài)。
本發(fā)明的Z形諧振腔注入窗口的液晶片6為手性液晶。手性液晶對某些特定波段的圓偏 振光具有單向通過能力，采用手性液晶做諧振腔入射窗口極大的提高了諧振腔的耦合效率，
5降低了諧振腔的衰減損耗。
入射光走過的路線為起偏器l一入/4波片2—短焦凸透鏡3—長焦凸透鏡4一第一高反 鏡5—液晶片6進(jìn)入諧振腔一第一離軸拋面鏡7—第二離軸拋面鏡8—第二卨反鏡9一第二離 軸拋面鏡8—第一離軸拋面鏡7—液晶片6在諧振腔內(nèi)內(nèi)返。
圖2為用Jones矩陣數(shù)值模擬"。=1. 52、 Wp =1. 77螺距為487mn的左旋手性液晶對左旋 圓偏振光的透、反率曲線圖。從圖2可以看出，當(dāng)入射光反向通過液晶片注入口時(shí)，在800nm 附近有較大的反射率，也就是說800腦的激光反向傳輸時(shí)不能逸出儲(chǔ)存環(huán)。
圖3為用Jones矩陣數(shù)值模擬"。=1. 52、 We =1. 77螺距為487咖的左旋手性液晶對右旋圓偏 振光的透、反率曲線圖。從圖3可以看出，當(dāng)激光正向注入液晶片時(shí)，具有較高的正向透過率。
本發(fā)明適合大能量飛秒激光脈沖注入傳輸，能夠極大提高康普頓散射產(chǎn)生的X射線亮度 的光子儲(chǔ)存環(huán)；采用手性液晶做諧振腔入射窗口，利用手性液晶對某些特定波段的圓偏振光 具有單向通過的特性，極大的提高了諧振腔的耦合效率，降低了諧振腔的衰減損耗；可通過 調(diào)節(jié)液晶螺距設(shè)計(jì)出適合各個(gè)波段飛秒激光脈沖注入傳輸?shù)膬?chǔ)存環(huán)，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測儲(chǔ)存環(huán) 內(nèi)光束衰減情況，調(diào)整儲(chǔ)存環(huán)至較好狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.基于手性液晶的飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)，其特征在于a.所述的儲(chǔ)存環(huán)含有在光路上依次排布的起偏器(1)、λ/4波片(2)、短焦凸透鏡(3)、長焦凸透鏡(4)、第一高反鏡(5)、液晶片(6)、第一離軸拋面鏡(7)、第二離軸拋面鏡(8)、第二高反鏡(9)、凸透鏡(10)、PD光電二極管(11)，其中第一離軸拋面鏡(7)、第二離軸拋面鏡(8)是一對共焦離軸拋面鏡；b.光束在儲(chǔ)存環(huán)中的傳輸路徑為入射的飛秒激光脈沖，經(jīng)起偏器(1)成線偏振光，線偏振光經(jīng)過λ/4波片(2)旋光、成為右旋圓偏振光之后，入射的飛秒脈沖再經(jīng)過長、短焦距透鏡(3、4)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束，通過作為注入窗口的液晶片(6)耦合進(jìn)入由液晶片(6)、第一離軸拋面鏡(7)、第二離軸拋面鏡(8)、第二高反鏡(9)組成的“Z”形折疊諧振腔，入射的飛秒激光脈沖經(jīng)兩個(gè)共焦離軸拋面鏡(7、8)反射，并在離軸拋面鏡焦點(diǎn)處聚焦，選取該焦點(diǎn)為光子與電子束的作用點(diǎn)，而后入射光經(jīng)第二高反鏡(9)反射，在諧振腔內(nèi)往返傳輸，并采用光電二極管和CCD監(jiān)測第二高反鏡(9)的透射光時(shí)間波形的衰減。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的儲(chǔ)存環(huán)，其特征在于所述的液晶片(6)為手性液晶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于康普頓散射產(chǎn)生X射線的基于手性液晶的飛秒光子儲(chǔ)存環(huán)。本發(fā)明的儲(chǔ)存環(huán)光路為激光脈沖經(jīng)起偏器、λ/4波片旋光后成為圓偏光、圓偏光再擴(kuò)束，入射光經(jīng)注入光路后通過手性液晶片耦合進(jìn)入諧振腔，在共焦離軸拋面鏡焦點(diǎn)聚焦，與電子束作用產(chǎn)生X射線，實(shí)現(xiàn)了入射光儲(chǔ)存在環(huán)內(nèi)，與電子束以極高的頻率進(jìn)行康普頓散射產(chǎn)生X射線。本發(fā)明選取手性液晶片做飛秒光子諧振腔注入窗口，用于康普頓散射可使產(chǎn)生的X射線亮度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，極大的提高了諧振腔的耦合效率，降低了諧振腔的衰減損耗；通過調(diào)節(jié)液晶螺距設(shè)計(jì)出適合各個(gè)波段飛秒激光脈沖注入傳輸?shù)膬?chǔ)存環(huán)，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測、調(diào)整儲(chǔ)存環(huán)衰減損耗。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101581867SQ20091005890
公開日2009年11月18日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者立 孫, 朱啟華, 逍 王, 耿遠(yuǎn)超, 謝曉東, 欣 郝 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心