專利名稱：超短脈沖多脈沖分束方法及分束裝置的制作方法
超短脈沖多脈沖分束方法及分束裝置技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)中關(guān)于超短脈沖相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，特別在超快探測(cè)、
全息記錄、脈沖分割等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。背景技術(shù)：
光學(xué)實(shí)驗(yàn)尤其是在超快探測(cè)的過程中，我們經(jīng)常需要將一束脈沖分 成多束脈沖，而所分脈沖的相似程度(包括能量，脈沖形狀等)以及能量的利用率都會(huì)影響 到我們的應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)一般使用適當(dāng)透過率的分束鏡和反射鏡的方法實(shí)現(xiàn)。但這種方法 存在著能量利用率低、各個(gè)脈沖之間相似度低，且很難將脈沖分割成多于兩個(gè)的缺陷。
已有技術(shù)中，尚未有脈沖分割數(shù)量達(dá)到10個(gè)及以上數(shù)量級(jí)的報(bào)道，特別是尚未有 脈沖間隔在飛秒量級(jí)，且脈沖間相似度高、能量利用率高的超短脈沖多光束分束方法。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，針對(duì)超短脈沖提供一 種根據(jù)需要的脈沖間隔和脈沖數(shù)量產(chǎn)生多脈沖分束的方法及裝置。 本發(fā)明方法原理上可以分成2n(n > 1)束。所分光束能量相等，相似度高，且裝置 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，容易嵌入到光學(xué)系統(tǒng)中。 本發(fā)明提供的將超短脈沖進(jìn)行多脈沖分束的方法具體包括 第一、根據(jù)實(shí)際需要的脈沖間隔計(jì)算出相鄰兩個(gè)脈沖之間的光程差(即真空中的 光速和脈沖間隔的乘積)，并確定所采用雙折射晶體的材料和第一片雙折射晶體的厚度，使 相鄰兩個(gè)脈沖之間的光程差滿足
A = D丄I n0_ne | ， 其中，D工為第一片雙折射晶體的厚度，n。和分別為雙折射晶體的o光和e光的 折射率； 第二、根據(jù)所需要的脈沖數(shù)量N確定級(jí)聯(lián)的雙折射晶體的片數(shù)n，使脈沖數(shù)量N = 2"束，n > 1 ; 第三、確定各片雙折射晶體的厚度，使Di = 2卜力^Di為第i片雙折射晶體的厚度， i = 1、2、 ......、n ; 第四、將n片雙折射晶體沿光軸相互平行方向級(jí)聯(lián)排列，n片級(jí)聯(lián)排列的雙折射晶 體中的各雙折射晶體的光軸均在與入射光線垂直的法面內(nèi)，且相毗鄰的兩片雙折射晶體的 光軸依次沿同一方向全部逆時(shí)針或全部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度角； 第五、將具有超短脈沖的線偏振光、或非線偏振光經(jīng)偏振器調(diào)節(jié)后的線偏振光沿 與n片級(jí)聯(lián)排列的雙折射晶體的光軸垂直方向入射，即可獲得N = 2n束的脈沖串，其中n > 1。 —種實(shí)現(xiàn)以上所述的分束方法的裝置，該裝置由n片級(jí)聯(lián)排列的雙折射晶體構(gòu) 成，其中各雙折射晶體的光軸相互平行，且均在與入射光線垂直的法面內(nèi)，相毗鄰的兩片雙 折射晶體的光軸依次沿同一方向全部逆時(shí)針或全部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度角，各雙折射晶體的 厚度為Di = 2、， Di為第i片雙折射晶體的厚度，i = 1、2、……、n。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果 本發(fā)明裝置采用n片級(jí)聯(lián)的雙折射晶體構(gòu)成，當(dāng)待分束超短脈沖入射到本分束裝 置后，會(huì)得到2n束能量相等、傳播方向相同振動(dòng)方向分布在互相垂直的兩個(gè)方向上的超短脈沖。 本發(fā)明裝置所占空間非常小，級(jí)聯(lián)的晶體可以壓在一起，晶體的直徑只要能容納 待分割的脈沖即可。如果入射的脈沖為線偏振光，且對(duì)出射光的振動(dòng)方向不做要求的話，能 量會(huì)均分到所分割的每一個(gè)脈沖中，沒有能量損失。如果入射光是非線偏振光，且出射光要 求統(tǒng)一的振動(dòng)方向，就需要在裝置之前和裝置之后分別用偏振器進(jìn)行調(diào)節(jié)，伴隨著一定的 能量損失。 該裝置對(duì)于超短脈沖原理上都是適用的，根據(jù)所需要的脈沖間隔，考慮到晶體的 可加工范圍，只要選擇合適的材料即可。就飛秒量級(jí)上的脈沖分割，本發(fā)明已經(jīng)制作出了作 為脈沖探測(cè)的分脈沖裝置。


圖1A和圖1B是脈沖入射到晶體中，振動(dòng)方向和光軸方向的位置關(guān)系圖；其中，圖 1A是脈沖入射到第一片晶體時(shí)的圖示，圖IB是脈沖入射到第二片晶體時(shí)的圖示。 1-晶體的光軸方向 2-脈沖的振動(dòng)方向 圖2是晶體的實(shí)際尺寸和級(jí)聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； D「光線入射的第一片晶體 D2_光線入射的第二片晶體 圖3是晶體的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖 3-第一片晶體 4-第二片晶體 5-第三片晶體 6-第n片晶體 7-偏振器。
具體實(shí)施方式

本發(fā)明依據(jù)的原理說明如下 待分束超短脈沖入射到平行排列多片級(jí)聯(lián)的雙折射晶體，就會(huì)得到所需要的多脈 沖串。脈沖間隔是由晶體的厚度決定的，而所分脈沖的數(shù)量是由級(jí)聯(lián)晶體的片數(shù)決定的。
如果待分束的脈沖不是線偏振光，需要先經(jīng)過偏振器變成線偏振光。晶體分割脈 沖的原理決定了這種方法只能對(duì)線偏振光起作用。 本裝置起作用的過程為光線通過雙折射晶體，當(dāng)入射光方向和晶體的光軸垂直 且振動(dòng)方向和光軸成45度角時(shí)，在晶體中o光和e光傳播方向相同、能量均分但傳播速度 不同，會(huì)產(chǎn)生光程差，兩束光會(huì)有一個(gè)間隔，如果入射的是超短脈沖，就會(huì)發(fā)生o光和e光的 分離，進(jìn)而產(chǎn)生所需要的脈沖間隔L 我們利用這種性質(zhì)，進(jìn)行擴(kuò)展，將多片雙折射晶體級(jí)聯(lián)排列，相毗鄰的兩片晶體光 軸在與入射光線垂直的法面內(nèi)，依次沿同一方向(全部逆時(shí)針或全部順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)45度 角，如圖1A，圖1A所示，1為雙折射晶體的光軸方向，2為入射光的振動(dòng)方向。參照?qǐng)D2和圖 1A，光線經(jīng)過第一片晶體^后，分別在光軸方向和垂直于光軸的方向上進(jìn)行分解，變成振動(dòng)方向互相垂直的兩個(gè)脈沖。參照?qǐng)D2和圖1B，晶體^的光軸沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度角，第一片 晶體產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖都進(jìn)入第二片晶體D2，和光軸都成45度角，分別在光軸方向和垂直于 光軸的方向上進(jìn)行分解，就變成四束振動(dòng)方向互相垂直的脈沖。依據(jù)這個(gè)方法進(jìn)行擴(kuò)展，就 可以將脈沖數(shù)量分成2n(n > 1)束偏振方向分布在互相垂直的兩個(gè)方向上的脈沖串。如果 需要最后的出射光有統(tǒng)一的振動(dòng)方向，只需要在最后面添加一個(gè)偏振器，其透過方向與脈 沖的振動(dòng)方向成45度角，就會(huì)得到沿透過方向的線偏振光。 為保證在每次、以及前后次的脈沖分解過程中，不會(huì)有脈沖發(fā)生耦合，需要精確計(jì) 算每一片晶體的厚度。前后兩個(gè)脈沖之間的光程差為
A = D丄I n0_ne | ， 其中，D工為第一片雙折射晶體的厚度，n。和分別為雙折射晶體的o光和e光方 向的折射率； 如果要將一個(gè)超短脈沖分成2n束，則有Di = 2卜^， Di為第i片雙折射晶體的厚 度，i = 1、2、……、n。 如下以兩片為例推導(dǎo)各個(gè)晶體之間的厚度關(guān)系(設(shè)采用的是負(fù)晶體n。 > rO
如圖2所示，光束經(jīng)過D1， D2分為四束，他們經(jīng)過的光程分別為

=1、2,
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，前兩項(xiàng)和后兩項(xiàng)之間的光程差都是
<formula>formula see original document page 5</formula>
因此只需要使中間兩項(xiàng)的光程差和上式相等即可，
固有，
<formula>formula see original document page 5</formula>繼續(xù)分束，如果要分成2n束光，則有Di = 2卜、，Di為第i片雙折射晶體的厚度，
實(shí)施例1
將一個(gè)超短脈沖分束，所用系統(tǒng)的參數(shù)和具體要求如下 脈沖偏振態(tài)線偏振光
脈沖波長800納米； 脈沖間隔300飛秒； 相鄰脈沖的光程差A(yù) = 90微米； 要分束的脈沖數(shù)量16
根據(jù)脈沖間隔我們選擇鋰酸鈮晶體(n。 = 2. 2552，ne = 2. 1759)，由A = D工(n。-n》可計(jì)算得到第一片晶體的厚度(D》，由16 = 2、知n = 4，即需要4片晶體。每一片的厚
度由A = 2卜、，i = 1、2、3、4，分別計(jì)算可得，得到每一片晶體的厚度為(1. 1344， 2. 2687，
4. 5374， 9. 0749 (單位mm))。晶體的空間位置和相對(duì)關(guān)系如上文所述。 最后所得系統(tǒng)級(jí)聯(lián)圖示如圖3所示，其中圖中7的偏振器，前面一個(gè)由于入射光為
線偏振光，可以不用，后面的偏振器可根據(jù)最后需要的出射光的偏振態(tài)要求選擇采用和不采用。 超短脈沖經(jīng)過級(jí)聯(lián)晶體的處理，得到實(shí)際所需要的16個(gè)具有要求的脈沖間隔，且
能量相等的脈沖串。
實(shí)施例2 : 將一個(gè)超短脈沖分束，所用系統(tǒng)的參數(shù)和具體要求如下 脈沖偏振態(tài)線偏振光 脈沖波長800納米； 脈沖間隔l皮秒； 相鄰脈沖的光程差A(yù) = 300微米； 要分束的脈沖數(shù)量8根據(jù)脈沖間隔我們選擇KDP晶體(n。 = 1. 6454， ne = 1. 4807)，由A = D！ (n。_ne) 可計(jì)算得到第一片晶體的厚度(D》，由8 = 23，知n = 3，即需要3片晶體。每一片的厚度 由Di = 2hDi， i = 1、2、3，分別計(jì)算可得，得到每一片晶體的厚度為(18.2,36. 4， 72. 8(單 位mm))。晶體的空間位置和相對(duì)關(guān)系如上文所述。
最后所得系統(tǒng)級(jí)聯(lián)類似實(shí)例l，片數(shù)減為3片即可。 超短脈沖經(jīng)過級(jí)聯(lián)晶體的處理，得到實(shí)際所需要的8個(gè)具有要求的脈沖間隔，且 能量相等的脈沖串。
權(quán)利要求
一種將超短脈沖進(jìn)行多脈沖分束的方法，其特征在于該方法包括第一、根據(jù)實(shí)際需要的脈沖間隔計(jì)算出相鄰兩個(gè)脈沖之間的光程差，并確定所采用雙折射晶體的材料和第一片雙折射晶體的厚度，使相鄰兩個(gè)脈沖之間的光程差滿足Δ＝D1|no-ne|，其中，D1為第一片雙折射晶體的厚度，no和ne分別為雙折射晶體的o光和e光的折射率；第二、根據(jù)所需要的脈沖數(shù)量N確定級(jí)聯(lián)的雙折射晶體的片數(shù)n，使脈沖數(shù)量N＝2n束，n＞1；第三、確定各片雙折射晶體的厚度，使Di＝2i-1D1，Di為第i片雙折射晶體的厚度，i＝1、2、……、n；第四、將n片雙折射晶體沿光軸相互平行方向級(jí)聯(lián)排列，n片級(jí)聯(lián)排列的雙折射晶體中的各雙折射晶體的光軸均在與入射光線垂直的法面內(nèi)，且相毗鄰的兩片雙折射晶體的光軸依次沿同一方向全部逆時(shí)針或全部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度角；第五、將具有超短脈沖的線偏振光、或非線偏振光經(jīng)偏振器調(diào)節(jié)后的線偏振光沿與n片級(jí)聯(lián)排列的雙折射晶體的光軸垂直方向入射，即可獲得N＝2n束的脈沖串，其中n＞1。
2. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的分束方法的裝置，其特征在于該裝置由n片級(jí)聯(lián)排列的雙折射晶體構(gòu)成，其中各雙折射晶體的光軸相互平行，且均在與入射光線垂直的法面內(nèi)，相毗鄰的兩片雙折射晶體的光軸依次沿同一方向全部逆時(shí)針或全部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度角，各雙折射晶體的厚度為Di = 2卜力p Di為第i片雙折射晶體的厚度，i = 1、2、……、n。
全文摘要
一種能產(chǎn)生所要求的脈沖間隔和脈沖數(shù)量的超短脈沖多脈沖分束方法及分束裝置。該裝置由n片級(jí)聯(lián)的雙折射晶體組成，各雙折射晶體的光軸均在與入射光線垂直的法面內(nèi)，且相毗鄰的兩片雙折射晶體的光軸依次沿同一方向全部逆時(shí)針或全部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度角，各片雙折射晶體的厚度為Di＝2i-1D1，i＝1、2、……n。該裝置可將脈沖分成2n(n＞1)束同軸的、傳播方向相同的、能量均等的脈沖串。本發(fā)明原理上沒有能量損失，能量均分到所得到的脈沖串中。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101738738SQ201010031319
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者劉燦, 楊勇, 王小雷, 翟宏琛 申請(qǐng)人:南開大學(xué)