一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法及系统与流程

1.本发明涉及激光偏振态调控技术领域，具体是一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法及系统。


背景技术：

2.圆偏振或椭圆偏振激光在许多领域(如激光驱动带电粒子加速、激光驱动辐射源以及光学诊断等方面)都具有重要应用。光学方法产生圆偏振或椭圆偏振激光主要依赖于起偏器，其本质是一种双折射晶体，双折射晶体在处理高功率密度激光时存在以下局限性：一、双折射晶体对激光的耐受阈值较低，往往不高于10
10
w/cm2量级，处理高功率密度激光时极易被破坏；二、双折晶体一旦被制成起偏器，其光学特性就被固化，无法实现对激光偏振特性的动态调控。利用极端法拉第效应可以解决双折射晶体低破坏阈值的问题，但无法产生椭圆偏振激光且无法实现对激光强度及偏振态的实时调控。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法及系统，解决现有技术存在的以下问题：处理高功率密度激光时，无法产生椭圆偏振激光且无法实现对激光强度及偏振态的实时调控等。
4.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
5.一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法，利用短脉冲线偏振激光与磁化后的待磁化靶相互作用，产生两束传播方向不平行的圆偏振激光或椭圆偏振激光；其中，短脉冲线偏振激光指脉宽≤300ps的线偏振激光。
6.作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：
7.s1，利用一束或多束长脉冲激光轰击金属件表面，使激光从金属件表面拉出电子从而在金属件表面产生电流；或；利用一束或多束带电粒子束轰击金属件表面，使带电粒子束从金属件表面轰击出电子从而在金属件表面产生电流；其中，长脉冲激光指脉冲长度≥0.5ns的激光；
8.s2，利用金属连接线将电流导入两个直径为0.5cm～20cm的导线圈中，在导线圈之间产生磁场；其中，导线圈非闭合，两个导线圈所在平面非正交；
9.s3，将具有平面表面的待磁化靶放置于磁场中进行磁化；
10.s4,利用带预脉冲的短脉冲线偏振激光与磁化后的待磁化靶相互作用，将磁化后的待磁化靶离化成磁化等离子体，再利用磁化等离子体将线偏振激光的左旋圆偏振分量或左旋椭圆偏振分量、以及、右旋圆偏振分量或右旋椭圆偏振分量按不同折射角进行偏折，产生两束传播方向不平行的圆偏振激光或椭圆偏振激光。
11.作为一种优选的技术方案，导线圈为半径一致的环形线圈，两个导线圈所在平面的夹角小于45
°
，两个导线圈几何中心的高度差≤导线圈半径的1/2，两个导线圈几何中心的水平方向间距≤导线圈半径的1/2，两个导线圈中电流流向的时针方向相同。
12.作为一种优选的技术方案，步骤s2中，在导线圈之间产生的磁场具备以下特征：磁场的磁感线在两个导线圈圆心连线中点处的切线平行于两个导线圈圆心连线。
13.作为一种优选的技术方案，步骤s2中，将电流从导线圈的端点导入。
14.作为一种优选的技术方案，待磁化靶的受线偏振激光照射的一面与磁场方向的夹角能调节，待磁化靶的受线偏振激光照射的一面的背面与待磁化靶的受线偏振激光照射的一面之间的夹角能调节。
15.作为一种优选的技术方案，步骤s1中，金属件的原子序数≥20。
16.作为一种优选的技术方案，步骤s1中，长脉冲激光的时间波形可调，带电粒子束的电流随时间的变化关系可调。
17.作为一种优选的技术方案，步骤s1中，轰击金属件表面所使用的激光总功率密度≥10
14
w/cm2；轰击金属件表面的带电粒子束电流强度≥100a。
18.一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现系统，应用于所述的一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法，包括金属件、设于金属件旁的轰击装置、两个导线圈、金属连接线、设于两个导线圈之间的待磁化靶、设于两个导线圈外侧的短脉冲驱动源，两个导线圈所在平面非正交，金属件与导线圈通过金属连接线连接，轰击装置用以产生一束或多束长脉冲激光或者用以产生一束或多束带电粒子束，短脉冲驱动源用以产生带预脉冲的短脉冲线线偏振激光。
19.本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
20.(1)本发明可以处理功率密度极高的激光，不受限于介质对激光功率密度的耐受极限；
21.(2)本发明可以实现对圆偏振或椭圆激光束的强度、偏振特性及传播方向的实时控制；
22.(3)本发明可同时产生两束源偏振或椭圆偏振激光，两束激光的传播方向任意可调。
附图说明
23.图1为所述的一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法的步骤示意图；
24.图2为所述的一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现系统的结构示意图。
25.附图中标记及相应的零部件名称：1、轰击装置，2、属件，3、金属连接线，4、导线圈，5、待磁化靶，6、待磁化靶支架，7、短脉冲驱动源，9、平面靶托。
具体实施方式
26.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
27.实施例1
28.如图1、图2所示，针对现有技术的问题，本发明提出了一种基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法及系统，可用于同时产生两束传播方向完全分离的功率密度高(》1016w/cm2)、强度和偏振特性实时可控的圆偏振或椭圆偏振激光；同时还能够根据应用需求对两束圆偏振或椭圆偏振激光传播方向的夹角进行精准控制。
29.本发明是实现方法如下：第一步，利用一束或多束长脉冲激光或者带电粒子束(由轰击装置1产生)轰击金属件2(优选原子序数较大的金属，如金、银、铜等)板表面，利用激光从金属件2板拉出电子的特性或者利用带电粒子束的电流特性在金属件2表面产生强电流；第二步，利用金属连接线3(优选电阻率更低且强度相对较高的金属粗导线)将电流导入两个平行的导线圈4中，在导线圈4之间产生方向平行于导线圈4轴向(如图2虚线所示)稳定磁场，特别注意：1)导线圈4不能闭合；2)电流优选从导线圈4端点导入(便于产生更强的磁场)；3)两个导线圈4导入电流的端点必须在同一侧，如图2所示；第三步，将具有平面表面的待磁化靶5放置于磁场中进行磁化，待磁化靶5的前表面(受偏振激光照射的一面)与磁场方向的夹角可根据需求进行调节，待磁化靶5的后面表面(受偏振激光照射的一面的背面)也可以根据圆偏振或椭圆偏振激光对传播方向的需求选择平行于前表面的平面或与前表面存在一定夹角；第四步，利用带预脉冲的短脉冲线偏振激光(由短脉冲驱动源7产生)与待磁化靶5相互作用，将待磁化靶5离化成磁化等离子体，再利用磁化等离子体对左旋圆偏振激光和右旋圆偏振激光的折射率不同，将线偏振激光的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量按不同折射角进行偏折，从而产生两束传播方向迥异的圆偏振或椭圆偏振激光，通过参数设计，可以实现将其中一束圆偏振或椭圆偏振激光全反射的优选方案。
30.本发明中，通过实时改变第一步中的长脉冲激光的波形(即强度随时间的变化图形)来改变导线圈4中的电流，从而改变导线圈4间的磁场强度，磁场强度的变化将引起圆偏振或椭圆偏振激光的强度、偏振态以及传播方向的变化，由此实现对圆偏振或椭圆偏振激光的强度、偏振态以及传播方向的实时控制。
31.本实施例提出的基于磁化等离子体的双折射棱镜实现方法及系统，长脉冲激光的波形设计、平行导线圈4的大小设计、待磁化靶5密度的设计、待磁化靶5前后表面的设计、待磁化靶5的厚度设计等都将影响最终产生的圆偏振或椭圆偏振激光的强度、传播方向及偏振特性。本实施例中，优选采用了待磁化靶支架6、平面靶托9，可用于提供支撑功能。导线圈4优选亥母霍玆线圈，便于产生更稳定的磁场。本实施例中，轰击金属件2表面所使用的激光总功率密度(单束或多束叠加)不低于1014w/cm2，脉冲长度不小于0.5ns；3、若使用带电粒子束轰击金属件2表面，则要求带电粒子束电流强度不低于100a；4、两个金属的导线圈4大小相等，优选环形的线圈，直径0.5cm～20cm，两个导线圈4距离与导线圈4半径的比值在0.8～2；5、待磁化靶5的前表面优选正方形或圆形平面，边长或半径优选0.1cm～8cm，厚度50nm～100μm，与短脉冲激光的传播方向不垂直；6、待磁化靶5的密度根据激光功率密度、频率以及待磁化靶5材料确定，材料不限于固体材料但原则上不推荐采用金属件2材料，密度低于100g/cm3；7、短脉冲激光的脉宽不大于300ps。优选的，待磁化靶5的受线偏振激光照射的一面的形状为长方形或圆形，其优点是几何特征简单规则、容易生产制造。
32.实施例2
33.如图1、图2所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
34.假定金属的导线圈4直径为2cm，圆心距是2cm；并假定通过激光或带电粒子束轰击金属件2板导致导线圈4中产生108a的电流，那么对应磁场的强度约104t；假定用于产生圆偏振激光的短脉冲激光波长是1μm，脉宽是300fs那么待磁化靶5的密度可以采用8mg/cc～14mg/cc的ch泡沫待磁化靶5(如聚乙烯等等)，前表面采用平面，与短脉冲激光传播方向呈
45
°
夹角，厚度500nm，此时短脉冲光束在穿过等离子体镜时会发生一次双折射，且两束折射光夹角90
°
。
35.如上所述，可较好地实现本发明。
36.本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
37.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。