提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器 【技术领域】
本发明涉及一种对待提高信噪比的飞秒激光展宽形成的啁啾脉冲进行扫描滤波去除噪声的装置。
背景技术
啁啾脉冲放大(CPA)技术和宽带高增益介质的出现，将超短脉冲高功率激光装置输出的激光脉冲峰值功率由GW量级迅速推至TW量级，甚至是PW量级，而且正向EW量级的更高峰值功率迈进。与此相应，激光脉冲的聚焦功率密度也被迅速提高，达到1019-20W/cm2量级以上。在激光与物质相互作用过程中，强度为1012W/cm2的激光可使物质产生等离子体，从而削弱主脉冲。因此要求此类激光系统的信噪比达到1011～1012或以上，对EW乃至更高功率的激光系统而言，其信噪比要求更高，但目前超短脉冲高功率激光装置输出的激光(飞秒激光)信噪比一般为107～1010，与超高峰值功率激光的要求还存在一定的差距。因此，提高激光的信噪比是超短脉冲领域研究的热点问题。
现有技术中，提高飞秒激光信噪比的技术方案有以下几种：
1、采用电光开关
目前，电光开关的时间门可短至4ns-7ns，能有效去除前级再生放大器漏光噪声。电光开关可级联使用，信噪比可提高2-3个量级，但采用电光开关只能解决主脉冲前沿几个ns的噪声，而对几个ps到ns量级的噪声却无能为力。
2、非线性滤波
非线性滤波技术的典型代表为交叉偏振波(XPW)和等离子体镜(PM)滤波技术。A.Jullien等人以BaF2作为XPW转换晶体，由于转换效率正比于强度3次方，因而能有效提高激光的信噪比，达到1010～1011水平，适应于μJ-mJ激光脉冲(A.Jullien，N.Minkovski，S.M.Saltiel.10-10temporal contrast for femtosecond ultraintense lasers by cross polarizedwave generation[J].Opt.Lett.，2005，30(8)：920-922)，经优化后的转换效率为20％(V.Chvykov，P. Rousseau，S.Reed，et al.Generation of1011contrast 50TW laser pulses[J].Opt.Lett.，2006，31(10)：1456-1458)。但非线性滤波在啁啾脉冲压缩后使用，存在非线性效应、转换效率低、不能级联使用、光路调整复杂等问题。
3、利用环形腔放大
Y.Yanovsky等人利用环形腔放大来降低自发辐射噪声，信噪比提高两个量级，获得了信噪比为108的飞秒脉冲(Y.Yanovsky Y，C.Felix，G. Mourou，et al.Why ring regenativeamplification regin？[J].Appl.Phys.B，2002，74：S181-185)。但采用该技术方案光路调整复杂，且仅适用于预放，难以在激光系统中的后级放大中使用。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器，此种扫描滤波器在啁啾脉冲压缩前使用，不仅转换效率高，而且结构简单，光路调整简单，能级联使用。
本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器，由设置在同一光路上的第一偏振器、双折射晶体、电光晶体和第二偏振器构成，第一偏振器与第二偏振器透振方向相互正交，双折射晶体和电光晶体位于第一偏振器和第二偏振器之间。
根据第一偏振器与第二偏振器的位置、双折射晶体与电光晶体的位置，本发明所述扫描滤波器有以下四种具体结构：
1、第一偏振器、双折射晶体、电光晶体、第二偏振器依次放置。
通过第一偏振器后的啁啾脉冲和噪声，其偏振方向与第一偏振器透振方向一致，并依次进入双折射晶体、电光晶体；双折射晶体使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量不随时间变化，电光晶体在所施加的随时间改变的电压作用下使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量随时间变化，依次通过双折射晶体、电光晶体的啁啾脉冲的偏振方向与第二偏振器的透振方向一致，依次通过双折射晶体、电光晶体的大部分噪声的偏振方向与第二偏振器的透振方向不一致；根据马吕斯定律，偏振方向与第二偏振器的透振方向一致的啁啾脉冲以透过率为100％通过，噪声以其偏振方向与第二偏振器透振方向的夹角余弦平方的透过率通过，即第二偏振器允许与其透振方向一致的啁啾脉冲通过，而噪声将以低的透过率通过，从而将大部分噪声滤掉，达到滤波的效果。
2、第二偏振器、双折射晶体、电光晶体、第一偏振器依次放置。通过第二偏振器后的啁啾脉冲和噪声，其偏振方向与第二偏振器透振方向一致，并依次进入双折射晶体、电光晶体；双折射晶体使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量不随时间变化，电光晶体在所施加的随时间改变的电压作用下使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量随时间变化，依次通过双折射晶体、电光晶体的啁啾脉冲的偏振方向与第一偏振器的透振方向一致，依次通过双折射晶体、电光晶体的大部分噪声地偏振方向与第一偏振器的透振方向不一致；根据马吕斯定律，偏振方向与第一偏振器的透振方向一致的啁啾脉冲以透过率为100％通过，噪声以其偏振方向与第一偏振器透振方向的夹角余弦平方的透过率通过，即第一偏振器允许与其透振方向一致的啁啾脉冲通过，而噪声将以低的透过率通过，从而将大部分噪声滤掉，达到滤波的效果。
3、第一偏振器、电光晶体、双折射晶体、第二偏振器依次放置。通过第一偏振器后的啁啾脉冲和噪声，其偏振方向与第一偏振器透振方向一致，并依次进入电光晶体、双折射晶体；电光晶体在所施加的随时间改变的电压作用下使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量随时间变化，双折射晶体使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量不随时间变化，依次通过电光晶体、双折射晶体的啁啾脉冲的偏振方向与第二偏振器的透振方向一致，依次通过电光晶体、双折射晶体的大部分噪声的偏振方向与第二偏振器的透振方向不一致；根据马吕斯定律，偏振方向与第二偏振器的透振方向一致的啁啾脉冲以透过率为100％通过，噪声以其偏振方向与第二偏振器透振方向的夹角余弦平方的透过率通过，即第二偏振器允许与其透振方向一致的啁啾脉冲通过，而噪声将以低的透过率通过，从而将大部分噪声滤掉，达到滤波的效果。
4、第二偏振器、电光晶体、双折射晶体、第一偏振器依次放置。通过第二偏振器后的啁啾脉冲和噪声，其偏振方向与第二偏振器透振方向一致，并依次进入电光晶体、双折射晶体；电光晶体在所施加的随时间改变的电压作用下使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量随时间变化，双折射晶体使接收到的啁啾脉冲和噪声的偏振方向发生改变且改变量不随时间变化，依次通过电光晶体、双折射晶体的啁啾脉冲的偏振方向与第一偏振器的透振方向一致，依次通过电光晶体、双折射晶体的大部分噪声的偏振方向与第一偏振器的透振方向不一致；根据马吕斯定律，偏振方向与第一偏振器的透振方向一致的啁啾脉冲以透过率为100％通过，噪声以其偏振方向与第一偏振器透振方向的夹角余弦平方的透过率通过，即第一偏振器允许与其透振方向一致的啁啾脉冲通过，而噪声将以低的透过率通过，从而将大部分噪声滤掉，达到滤波的效果。
为了更好的实现发明目的，还采取了以下技术措施：
1、施加在电光晶体的电压与通过第一偏振器或第二偏振器进入扫描滤波器的啁啾脉冲波长在时间上同步，以便使啁啾脉冲以高透过率通过。
2、电光晶体可选用非线性光学晶体制作，优选磷酸二氢钾(KDP)、偏硼酸钡(BBO)制作的电光晶体，选用不同材料制作的电光晶体可以改变扫描滤波器的通带宽度，提高扫描滤波器设计的灵活性。
让待提高信噪比的飞秒激光展宽形成的啁啾脉冲通过本发明所述扫描滤波器，即可滤掉噪声，然后再通过光脉冲压缩器将滤掉噪声的啁啾脉冲压缩成飞秒激光，即可提高飞秒激光的信噪比。
本发明所述扫描滤波器具有以下有益效果：
1、使用本发明所述扫描滤波器，经一次扫描滤波的啁啾脉冲压缩形成的飞秒激光的信噪比可提高两个量级。
2、啁啾脉冲通过本发明所述扫描滤波器，经一次扫描滤波，其转换效率可达90％以上。
3、本发明所述扫描滤波器可级联使用，对飞秒激光展宽形成的啁啾脉冲进行多次扫描滤波，以获得高信噪比的飞秒激光。
4、本发明所述扫描滤波器可重复使用(非一次性)，能适应于大口径、大能量的高功率激光器的末端。
5、本发明所述扫描滤波器仅由四个光学元件构成，因而结构简单，光路调整简单。
【附图说明】
图1是本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器的第一种结构示意图：
图2是本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器的第二种结构示意图：
图3是本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器的第三种结构示意图：
图4是本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器的第四种结构示意图：
图5是本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器的一种使用示意图；
图6是本发明所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器的又一种使用示意图。
图中，1-第一偏振器、2-双折射晶体、3-电光晶体、4-第二偏振器、5-扫描滤波器、6-光脉冲压缩器。
【具体实施方式】
实施例1
本实施例所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器，其结构如图1所示，由依次放置在同一光路上的第一偏振器1、双折射晶体2、电光晶体3和第二偏振器4构成，上述各光学元件均可从市场购得。第一偏振器1与第二偏振器4的透振方向相互正交，双折射晶体2为厚度3cm的石英片，电光晶体3由磷酸二氢钾(KDP)制作，其厚度为3cm，施加的初始电压为3125V，当啁啾脉冲进入电光晶体3，其中心频率以ω(t)＝ω0+4×1021t的形式改变(其中-500ps≤t≤500ps)，则应调整施加在电光晶体3上的电压V(t)以斜率为-0.225V/ps的形式改变，以便与啁啾脉冲波长在时间上同步。在扫描过程中，扫描滤波器通带宽度约为5nm。
本实施例中的扫描滤波器5与光脉冲压缩器6配合使用的方式如图5所示，使用本实施例所述结构的扫描滤波器将中心波长为800nm、脉冲长度为1ns、脉冲宽度为500ps，峰值强度为0.3TW/cm2、啁啾系数为1000、信噪比为106量级的啁啾脉冲进行扫描滤波滤掉噪声，所述啁啾脉冲通过扫描滤波器5后，其峰值强度为0.28TW/cm2，对扫描滤波后的啁啾脉冲用1000倍光脉冲压缩器(市售商品)进行压缩，得到峰值强度为0.28PW/cm2、信噪比为108量级的飞秒激光(信噪比提高了2个量级)。
本实施例中，所有的光学元件均安装在光学调整架上。
实施例2
本实施例所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器，其结构如图2所示，由依次放置在同一光路上的第二偏振器4、双折射晶体2、电光晶体3和第一偏振器1构成，上述各光学元件均可从市场购得。第二偏振器4与第一偏振器1的透振方向相互正交，双折射晶体2为厚度3cm的石英片，电光晶体3由磷酸二氢钾(KDP)制作，其厚度为3cm，施加的初始电压为3125V，当啁啾脉冲进入电光晶体3，其中心频率以ω(t)＝ω0+4×1021t的形式改变(其中-500ps≤t≤500ps)，则应调整施加在电光晶体3上的电压V(t)以斜率为-0.225V/ps的形式改变，以便与啁啾脉冲波长在时间上同步。在扫描过程中，扫描滤波器通带宽度约为5nm。
本实施例中的扫描滤波器与光脉冲压缩器配合使用的方式如图6所示，使用本实施例所述结构的扫描滤波器将中心波长为800nm、脉冲长度为1ns、脉冲宽度为500ps峰值强度为0.3TW/cm2、啁啾系数为1000、信噪比为106量级的啁啾脉冲进行两级扫描滤波滤掉噪声，所述啁啾脉冲通过第一个扫描滤波器5-1后，其峰值强度为0.28TW/cm2，通过第二个扫描滤波器5-2后，其峰值强度为0.26TW/cm2，对经过两级扫描滤波后的啁啾脉冲用1000倍光脉冲压缩器6(市售商品)进行压缩，得到峰值强度为0.26PW/cm2、信噪比接近1010量级的飞秒激光(信噪比提高了约4个量级)。
本实施例中，所有的光学元件均安装在光学调整架上。
实施例3
本实施例所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器，其结构如图3所示，由依次放置在同一光路上的第一偏振器1、电光晶体3、双折射晶体2和第二偏振器4构成，上述各光学元件均可从市场购得。第二偏振器4与第一偏振器1的透振方向相互正交，双折射晶体2为厚度3cm的石英片，电光晶体3由偏硼酸钡(BBO)制作，其厚度为0.6cm，施加的初始电压为2740V，当啁啾脉冲进入电光晶体3，其中心频率以ω(t)＝ω0+4×1021t的形式改变(其中-500ps≤t≤500ps)，则应调整施加在电光晶体3上的电压V(t)以斜率为-0.175V/ps的形式改变，以便与啁啾脉冲波长在时间上同步。在扫描过程中，扫描滤波器通带宽度约为20nm。
本实施例中的扫描滤波器5与光脉冲压缩器6配合使用的方式如图5所示，使用本实施例所述结构的扫描滤波器将中心波长为801nm、脉冲长度为1ns、脉冲宽度为500ps，峰值强度为0.4TW/cm2、啁啾系数为1000、信噪比为106量级的啁啾脉冲进行扫描滤波滤掉噪声，所述啁啾脉冲通过扫描滤波器5后，其峰值强度为0.38TW/cm2，对扫描滤波后的啁啾脉冲用1000倍光脉冲压缩器6(市售商品)进行压缩，得到峰值强度为0.38PW/cm2、信噪比为108量级的飞秒激光(信噪比提高了2个量级)。
本实施例中，所有的光学元件均安装在光学调整架上。
实施例4
本实施例所述提高飞秒激光信噪比的扫描滤波器，其结构如图4所示，由依次放置在同一光路上的第二偏振器4、电光晶体3、双折射晶体2和第一偏振器1构成，上述各光学元件均可从市场购得。第二偏振器4与第一偏振器1的透振方向相互正交，双折射晶体2为厚度3cm的石英片，电光晶体3由磷酸二氢钾(KDP)制作，其厚度为3cm，施加的初始电压为3350V，当啁啾脉冲进入电光晶体3，其中心频率以ω(t)＝ω0+8×1021t的形式改变(其中-500ps≤t≤500ps)，则应调整施加在电光晶体3上的电压V(t)以斜率为-0.225V/ps的形式改变，以便与啁啾脉冲波长在时间上同步。在扫描过程中，扫描滤波器通带宽度约为5nm。
本实施例中的扫描滤波器与光脉冲压缩器配合使用的方式如图6所示，使用本实施例所述结构的扫描滤波器将中心波长为801nm、脉冲长度度为1ns、脉冲宽度为500ps，峰值强度为0.1TW/cm2、啁啾系数为2000、信噪比为105量级的啁啾脉冲进行两级扫描滤波滤掉噪声，所述啁啾脉冲通过第一个扫描滤波器5-1后，其峰值强度为0.093TW/cm2，通过第二个扫描滤波器5-2后，其峰值强度为0.083TW/cm2，对经过两级扫描滤波后的啁啾脉冲用2000倍光脉冲压缩器6(市售商品)进行压缩，得到峰值强度为0.16PW/cm2、信噪比为109量级的飞秒激光(信噪比提高了约4个量级)。
本实施例中，所有的光学元件均安装在光学调整架上。