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CN112968343B - 一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置 - Google Patents

一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置 Download PDF

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冷雨欣
彭宇杰
李妍妍
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Abstract

一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，是将高能量低重复频率的激光脉冲从偏振分光棱镜上变为S偏振光入射，通过被施加1/2波电压的普克尔盒(随后撤掉电压)变为P偏振光。通过高反镜反射后进入充气空芯光纤，相互作用产生高次谐波，随后在偏振片上透射输出产生的高次谐波，其余未转换为高次谐波的入射光被反射后通过泵浦源补充损失能量、高反镜反射后开始下一次循环输出。本发明装置通过适当设计各个光学器件间的距离，可以缩短腔长，可以减少激光在其中循环输出的时间，有效解决常规方法产生的高次谐波重复频率低的问题，实现高效高重复频率的可控谐波输出。

Description

一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，特别是一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置。
背景技术
作为比飞秒脉冲脉宽更短的阿秒脉冲，是化学反应中电子运动的时间尺度。阿秒脉冲在研究原子分子的超快电子动力学、凝聚态物理的超快电子过程中有着广泛的应用前景。产生阿秒脉冲主要有三种方法：高次谐波法、自由电子加速器、等离子体反射镜，目前，使用较多的是高次谐波法。
高次谐波发生装置主要有空芯波导和喷气两种。不管是空芯波导还是喷气法，都是利用高能量的飞秒激光脉冲聚集到气体靶上相互作用来产生高次谐波的。这种方法使得一般高次谐波的产生效率都很低，大约为10-6左右，为了增加产生的高次谐波的能量，我们必须极大地增强入射激光脉冲的能量。
由于在产生高次谐波过程中入射脉冲能量很高，又因为增益介质的热效应制约，高重复频率和高脉冲能量是有抵触的，这使得用来产生高次谐波的激光脉冲都是低重频的，产生谐波的重复频率也就很低。
因此，将低重频、高能量的激光脉冲和充气波导的作用过程放到一个再生放大腔内，适当减小腔长，让产生的高次谐波循环输出，是提升最终产生高次谐波的重复频率的一个重要方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，让产生的高次谐波循环输出，提升最终产生高次谐波的重复频率。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，其特点在于，包括偏振分光棱镜、普克尔盒、第一高反镜、第二高反镜、入射透镜窗口、充气空芯光纤、出射透镜窗口、偏振片、泵浦源和第三高反镜；
入射光入射到偏振分光棱镜上，入射光中S光被45度反射后射入普克尔盒，该普克尔盒施加1/2波电压，使S光经过普克尔盒变成P光后，关闭1/2波电压；
所述的P光依次经所述的第一高反镜和第二高反镜反射后，入射低重复频率的中红外波段光束通过入射透镜窗口5聚焦到充气空芯光纤中产生高次谐波，并通过出射透镜窗口后，入射到偏振片上，该偏振片将产生的高次谐波透射输出，剩余未转换成高次谐波的入射光被全反射，并经过泵浦源放大补偿后经过第三高反镜再次入射到所述的偏振分光棱镜1上，开始下一次循环。
入射光可以是较低重复频率的光，1-1KHZ，能量为1J，因为高次谐波转换效率较低，所以入射能量需要大一点。入射光经过偏振分光棱镜，S偏振的入射光被45度反射进入再生放大器装置，P偏振的光透射，入射光由此变为s偏振光入射到装置内。
在入射光被偏振分光棱镜反射后我们对普克尔盒施加1/2波电压，入射S偏振的线偏振光变为P偏振的线偏振光，随后普克尔盒关闭，入射光经过第一高反镜、第二高反镜反射后入射至充气空芯光纤中与气体靶相互作用产生高次谐波。
通过入射窗口的透镜聚焦，进入充气空芯光纤中，加长的空芯光纤增加了激光与气体的作用距离，保证了出射的光束质量，提升了高次谐波的产生效率。1J的入射脉冲，通过充气空芯光纤可以产生1μJ高次谐波，效率达到10-6，随后产生的高次谐波和未转换为高次谐波的剩余入射光通过透镜窗口出射。
出射的光入射到偏振片上，产生的高次谐波透射输出，剩余光束被反射回再生腔中。返回再生腔中的光需要泵浦源的放大补偿，这里泵浦源主要补偿产生高次谐波而损失的能量，泵浦功率至少要大于100W(因为我们产生高次谐波能量为1μJ，重复频率为100MHZ)。
经过泵浦源放大补偿的光通过高反镜反射再次入射到偏振分光棱镜上，因为这里的光已经被普克尔盒变成P偏振的光，所以反射光透过偏振分光棱镜，开始下一次循环。
当我们需要终止高次谐波的输出时，只需要给普克尔盒加上1/2波电压，入射光便在下一次循环中通过偏振分光棱镜反射出我们的再生腔。
这里，再生腔总腔长设定为3.3米，循环输出一次的时间为10ns,也就说每10ns内输出一次1μJ的高次谐波，这样便可以将低重复频率入射光转换为100MHZ的高次谐波输出了。
本发明的优点：
1.通过再生放大腔的循环和充气波导的作用，利用低重复频率的激光脉冲，输出得到高重复频率的高次谐波。
2.在再生腔内加入泵浦源，补偿损失能量，提升谐波转换效率。
3.为了增加出射高次谐波的重复频率，可以减小腔长，减小每循环一次的平均时间，便可以达到增加出射高次谐波重复频率的目的。
附图说明
图1为本发明基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置的光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于再生放大器的高效腔内谐波转换装置的光路示意图，包括偏振分光棱镜1、普克尔盒2、第一高反镜3、第二高反镜4、入射透镜窗口5、充气空芯光纤6、出射透镜窗口7、偏振片(输出镜)8、泵浦源9、第三高反镜10。
入射光可以是较低重复频率的光，1-1KHZ，能量为1J，因为高次谐波转换效率较低，所以入射能量需要大一点。入射光经过偏振分光棱镜1，S偏振的入射光被45度反射进入普克尔盒2。
对普克尔盒2施加1/2波电压，使入射S偏振的线偏振光变为P偏振的线偏振光，随后普克尔盒2关闭，入射光经过第一高反镜3、第二高反镜4反射后，通过入射透镜窗口5聚焦，进入充气空芯光纤6产生高次谐波。加长的空芯光纤6增加了激光与气体的作用距离，保证了出射的光束质量，提升了高次谐波的产生效率。1J的入射脉冲，通过充气空芯光纤可以产生1μJ高次谐波，效率达到10-6，随后产生的高次谐波和未转换为高次谐波的剩余入射光通过出射透镜窗口7出射。
出射的光入射到偏振片8上，产生的高次谐波透射输出，剩余光束被反射。经泵浦源9的放大补偿，这里泵浦源9主要补偿产生高次谐波的而损失的能量，泵浦功率至少要大于100W(因为我们产生高次谐波能量为1μJ，重复频率为100MHZ)。
经过泵浦源9放大补偿的光通过高反镜10反射再次入射到偏振分光棱镜1上，因为这里的光已经被普克尔盒2变成P偏振的光，所以反射光透过偏振分光棱镜1，开始下一次循环。
当我们需要终止高次谐波的输出时，只需要给普克尔盒2加上1/2波电压，入射光便在下一次循环中通过偏振分光棱镜反射出再生放大器的高效腔内谐波转换装置。

Claims (4)

1.一种基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，其特征在于，包括偏振分光棱镜(1)、普克尔盒(2)、第一高反镜(3)、第二高反镜(4)、入射透镜窗口(5)、充气空芯光纤(6)、出射透镜窗口(7)、偏振片(8)、泵浦源(9)和第三高反镜(10)；
入射光入射到偏振分光棱镜(1)上，入射光中S光被45度反射后射入普克尔盒(2)，对该普克尔盒(2)施加1/2波电压，使S光经过普克尔盒(2)变成P光后，随后立即关闭1/2波电压；
所述的P光依次经所述的第一高反镜(3)和第二高反镜(4)反射后，入射低重复频率的中红外波段光束通过入射透镜窗口(5)聚焦到充气空芯光纤(6)中产生高次谐波，并通过出射透镜窗口(7)后，入射到偏振片(8)上，该偏振片(8)将产生的高次谐波透射输出，剩余未转换成高次谐波的入射光被全反射，并经过泵浦源(9)放大补偿后经过第三高反镜(10)再次入射到所述的偏振分光棱镜(1)上，开始下一次循环。
2.根据权利要求1所述的基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，其特征在于，当需要终止高次谐波的输出时，通过再次对所述的普克尔盒(2)施加1/2波电压，使P光经过普克尔盒(2)变成S光后，停止施加1/2波电压。
3.根据权利要求1所述的基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，其特征在于：所述的入射光是较低重复频率的光，1-1KHZ，能量为1J。
4.根据权利要求1所述的基于再生放大器的高效腔内激光谐波转换装置，其特征在于：所述的充气空芯光纤(6)增加了激光与气体的作用距离，保证了出射的光束质量，提升了高次谐波的产生效率。
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