一种基于PEF的涡旋再生放大器及其操作方法与流程

本发明属于固体激光技术领域，具体是一种应用于超快激光系统前端的宽带高增益涡旋再生放大器及其操作方法。

背景技术：

啁啾脉冲放大技术(cpa)在世界范围内被广泛地应用到数拍瓦(pw)超强超短激光系统。拍瓦激光系统的聚焦功率密度可以达到10²³w/cm²以上，可以提供探索诸如电子加速、模拟宇宙大爆炸以及基本粒子特性的极端物理条件。自涡旋光束被提出以来，人们对它的研究已有近百年的历程。近年来，随着超快光学领域的飞速发展，将涡旋光束与时域调控技术相结合产生超短的涡旋脉冲引起研究人员极大的兴趣。超短涡旋脉冲具有高能量密度，同时携带轨道角动量，能够在光与物质相互作用中带来新的自由度，为高强度场条件下的物理实验提供了有力的研究条件。同时，具有涡旋特性的超短脉冲相比于非涡旋的环形光束,在应用于激光消融领域时，拥有更清晰光滑的加工表面和更低的消融阈值通量，因此可应用于精密激光材料的加工。此外，超短涡旋脉冲的时空特性在超快非线性光谱领域也有着重要的应用价值。

再生放大器一般由法拉第旋光器、λ/2波片和偏振片构成的种子光注入和放大光导出装置以及具有增益介质的再生谐振腔构成。再生放大的基本原理是首先从锁模高重频脉冲序列中选单脉冲，经过脉冲展宽器在时域展宽到纳秒量级，通过电光普克尔盒控制脉冲在再生腔内放大的程数，可以提供高达10⁶以上的脉冲增益、良好的输出能量稳定性以及光斑。以上这些特性使得再生放大器成为超强超短激光系统前端放大器的良好选择。然而由于存在模式竞争，仅有靠近激光晶体发射谱峰值附近的光谱成分才会持续得到放大，而远离发射谱峰值波长的两侧翼光谱成分则不能放大，使得放大后光谱存在严重的增益窄化效应。由于啁啾脉冲时域宽度和频谱的宽度成正比，严重窄化的光谱使得脉冲宽度急剧下降，峰值功率提高，存在损伤光学元器件的风险。并且其对应的极限变换脉宽不能支持周期量级的飞秒脉冲，上述缺陷使得增益窄化成为超强超短激光系统必须解决的技术难题。

目前已经发展的抑制高增益再生放大器增益窄化的方法有腔内插入标准具("regenerativepulseshapingandamplificationofultrabroadbandopticalpulses."opt.lett.21,219(1996).)、腔内插入双折射滤波片("birefringentplatedesignforbroadbandspectralshapinginati:sapphireregenerativeamplifier."chin.opt.lett.5,493(2007))以及腔外可编程声光调制器("adaptive-feedbackspectral-phasecontrolforinteractionswithtransform-limitedultrashorthigh-powerlaserpulses."opt.lett.39,80(2014))。上述的抑制再生腔增益窄化的技术方案主要存在的问题有：(1)腔内插入标准具、双折射滤波片均是通过增加再生腔中增益谱峰值附近光谱损耗来实现宽带放大，该损耗使得腔内能量稳定性下降，自发辐射光放大增强，从而明显降低脉冲时域对比度；(2)腔外的可编程声光调制器件由于通过率极低，对注入再生腔的种子光能量损耗极大；(3)这些方法对于外界温度变化、光学平台振动比较敏感，要求注入的指向稳定性极高，弱化整个激光系统能量、压缩脉冲宽度稳定性。

技术实现要素：

本发明为了解决现有用于飞秒激光系统的再生放大器的严重增益窄化效应和光谱红移效应，并且克服已有抑制方法损耗大、对环境条件要求苛刻的缺陷，优化物理实验条件，提出了一种基于pef的涡旋再生放大器及其操作方法。利用旋光晶体的旋光效应对宽带种子光谱成分的偏振方向进行编码，实现连续可调的滤波函数，利用两个λ/4波片和涡旋半波片产生涡旋光，再结合再生放大器高增益特性，最终可以实现宽带高增益的涡旋光输出。本发明可以抑制增益窄化效应并且预补偿光谱红移效应，涡旋光经过再生放大器的饱和放大，会显著提升光斑的质量和稳定性，能够在光与物质相互作用中带来新的自由度，为高强度场条件下的物理实验提供了有力的研究条件。本发明具有结构简单、高滤波效率、灵活性高、损伤阈值高、滤波连续可调、廉价以及便于调节等特点。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于pef的涡旋再生放大器，其特征在于，包括：激光源、光隔离器、pef、第一λ/4波片、涡旋半波片、第二λ/4波片以及再生放大器组成。该装置的操作包含以下步骤：

步骤一、使用对应波长光谱仪测量激光源输出光谱，作为入射种子光光谱；

步骤二、通过琼斯矩阵计算由pef引入种子光光谱中不同波长成分的偏振态的变化以及不同波长成分的偏振椭圆函数主轴角度偏转值。二者结合得到该滤波装置偏振态编辑函数；

步骤三、通过琼斯矩阵计算第一λ/4波片、涡旋半波片、第二λ/4波片依次放置时的涡旋函数。

步骤四、将步骤一中测量得到的种子光光谱同步骤二中偏振态编辑函数以及步骤三中的涡旋函数做乘积，得到水平偏振的涡旋光输出光谱。

步骤五、将步骤四中得到水平偏振涡旋光输入到再生放大器中，同时将532nm的泵浦光通过聚焦透镜聚焦到增益介质中，经过饱和放大后得最终输出宽带平滑的涡旋光。

所述的激光源为宽带脉冲激光器。

所述的pef中的波片以及第一λ/4波片和第二λ/4波片可以为种子光对应波长的各种延迟波片，引入的偏振态变化可以使用琼斯矩阵计算。其中σ为波片引入的相位延迟。

所述的旋光晶体引入的种子光不同波长成分的偏振椭圆主轴角度的偏转值可以使用琼斯矩阵计算。其中θ为旋光晶体所引入偏振椭圆主轴的旋转角度。

所述的旋光晶体为石英晶体或者其它具有旋光效应晶体。

所述的第二波片为λ/2波片。

所述的pef由波片和旋光晶体组成，并且可以根据需求级联使用。

所述的第一λ/4波片和第二λ/4波片为宽带消色差波片，快轴方向相同，从光传输方向看，从x轴正方向开始逆时针旋转45°。

所述的涡旋半波片引入的偏振态变化可以使用琼斯矩阵

计算，其中

表示涡旋半波片任意位置的快轴角度，δ是常数，m表示涡旋光阶次。

在本发明的具体工作流程:激光源输出种子光，通过光隔离器得到水平偏振光，之后再通过pef对种子光光谱中不同波长成分的偏振态以及偏振椭圆函数主轴角度进行编辑，透射输出水平偏振的滤波光谱，其反射光射入反射光垃圾桶中，经过滤波后的透射光依次经过第一λ/4波片、涡旋半波片和第二λ/4波片，输出水平偏振的涡旋光，作为再生放大器的输入光。经过法拉第旋光器偏振方向沿着光传输方向观察顺时针旋转45°，经过λ/2波片后偏振方向逆时针转回45°使得偏振方向恢复到水平方向，该水平偏振光经过第二偏振片注入到再生腔内。再生腔内的电光普克尔盒开始时不加电压，并且通过调整电光晶体水平和俯仰角使之工作在λ/4波片状态。经过第一全反腔镜零度反射后两次通过电光普克尔盒，此时电光普克尔盒综合效果相当于λ/2波片，能够将脉冲的偏振方向转到竖直方向，到此已经完成再生腔种子光注入。电光普克尔盒一直通过施加λ/4波电压工作在λ/2波片状态，将532nm的35mj的泵浦光经800nm正透镜聚焦到增益介质处，光斑直径为2.5mm，直到再生腔内放大达到饱和状态，此时通过精密延时器提供的触发信号控制电源模块撤销施加在电光普克尔盒电光晶体λ/4波电压，放大后的脉冲偏振方向便旋转到水平方向，透过第二偏振片倒出再生腔外。倒出后的水平偏振光通过第一λ/2波片，偏振方向沿着光传输方向观察顺时针旋转45°，法拉第旋光器后继续沿着顺时针方向转动45°，使得偏振方向转到竖直方向，通过第一偏振片的反射完成放大后脉冲的输出。

与现有技术相比，本发明具有的优势是：

1)本发明采用的波片损伤阈值高；

2)本发明采用的光学元器件廉价经济，易于安装、调节并且对于入射光角度变化不是很敏感，使得谐振腔能够长时间稳定工作。

3)本发明中pef具有三个偏振态编辑函数的自由度，分别是：第一波片引入的相位延迟量、第一波片光轴相对水平方向的角度以及旋光晶体厚度。级联使用该装置可以设置复杂滤波函数；

4)本发明所设计的适应波长范围大，能拓展到任何常用波段滤波。

5)相比较现有的飞秒激光预放大技术，可以有效的抑制增益窄化效应和光谱红移，并且调节方式灵活，损耗低。

6)输出的涡旋光能够在光与物质相互作用中带来新的自由度，为高强度场条件下的物理实验提供了有力的研究条件。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于pef的涡旋再生放大器实施例的结构示意图

图2为本发明所述的一种基于pef的涡旋再生放大器一个实施例的种子光经过偏振态编辑滤波器前(实线)和后(虚线)的光谱图，其中第一波片的角度为80°，滤波效率为30.1％。

图3为本发明所述的一种基于pef的涡旋再生放大器一个实施例输出的光谱(实线)，以及将实施例中的第一波片和旋光晶体拿掉，再生放大器后同一位置的用于对比验证的输出光谱(虚线)。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明所述的基于pef的涡旋再生放大器的一个实施例的结构示意图。如图所示，本发明所述的基于偏振编码滤波装置的宽带高增益再生放大器，主要包括：激光源1、光隔离器2、pef3、反射光垃圾桶4、第一λ/4波片5、涡旋半波片6、第二λ/4波片7以及再生放大器8；

所述的激光源1输出种子光，经光隔离器2得到水平偏振光，之后再通过pef3对种子光光谱中不同波长成分的偏振态以及偏振椭圆函数主轴角度进行编辑，透射输出水平偏振的滤波光谱，反射光射入反射光垃圾桶4中，水平偏振的透射光经过第一λ/4波片5后变为右旋圆偏振光，经过涡旋半波片6后变为左旋圆偏振光，再经过第二λ/4波片7后变为线偏振涡旋光，作为种子光入射到再生放大器8中，经过饱和放大最终实现宽带高增益的涡旋光输出。

本实例采用掺钛蓝宝石全固体锁模激光器输出作为激光源1，中心波长800nm,重复频率10hz，激光源1输出的种子光过隔离器2后偏振变为水平方向。随后种子光通过pef，具体使用消色差四分之一波片、以及长度为35mm且镀有宽带减反膜(ar@700-900nm)的石英旋光晶体，最后通过作为检偏器使用的隔离度为10²的反射型薄膜偏振片透射输出得到水平偏振的滤波光谱，反射光使用垃圾桶收集。种子光光谱为图2(实线)所示，经过偏振态编辑滤波器滤波后光谱如图2(虚线)所示，从图中可以看出种子光谱被展宽并且已经预补偿增益红移，此时第一波片的角度为80°，滤波效率为30.1％。

水平偏振光之后依次通过水平偏振的透射光经过第一λ/4波片5后变为右旋圆偏振光，经过涡旋半波片6后变为左旋圆偏振光，再经过第二λ/4波片7后变为线偏振涡旋光，作为种子光入射到再生放大器8中，能量为3～5nj，光斑大小为2.5mm，经过法拉第旋光器偏振方向沿着光传输方向观察顺时针旋转45°，经过第一λ/2后偏振方向逆时针转回45°使得偏振方向恢复到水平方向，该水平偏振光经过第二偏振片注入到再生腔内。再生腔内的电光普克尔盒开始时不加电压，并且通过调整电光晶体水平和俯仰角使之工作在λ/4波片状态。经过第一全反腔镜零度反射后两次通过电光普克尔盒，第一全反腔镜的曲率半径为无穷大，第二全反腔镜的曲率为10m，此时电光普克尔盒综合效果相当于λ/2波片，能够将脉冲的偏振方向转到竖直方向，到此已经完成再生腔种子光注入。将532nm的35mj的泵浦光经800nm正透镜聚焦到增益介质处，增益介质用掺钛蓝宝石，对泵浦光的吸收率>94％，光斑直径为2.5mm，当脉冲在腔内经过15次往返达到饱和放大时，此时通过精密延时器提供的触发信号控制电源模块撤销施加在电光普克尔盒电光晶体λ/4波电压，饱和放大后的脉冲偏振方向将旋转到水平方向，透过第二偏振片11倒出再生腔。倒出后的水平偏振光通过第二波片10，偏振方向沿着光传输方向观察顺时针旋转45°，法拉第旋光器9后继续沿着顺时针方向转动45°，使得偏振方向转到竖直方向，通过第一偏振片8的反射完成放大后脉冲的输出。使用光谱仪测量经过再生放大器放大后的光谱，如图2(实线)所示，其中光谱半高全宽为43.38nm，全宽为71nm。

同时，为了验证本发明的抑制增益窄化效果，进行了对比实验，具体的操作是将实施例中的第一波片3和旋光晶体4拿掉，在同一输出位置记录输出光谱如图2(虚线)所示，光谱半高全宽为18nm，全宽55nm，对比前后的光谱半高宽相差25.38nm，全宽相差16nm。使用偏振态编辑滤波器的再生放大器输出光谱半高全宽和全宽比不适用分别提高了2.4倍和1.29倍，支持极限变换脉宽由33fs减小到25.8fs，减少了21.8％。使用该新型滤波技术的再生放大器输出带宽明显增加，增益窄化效应得到较好抑制。

经试验表明，本发明具有结构简单、滤波效率高、滤波连续可调、损伤阈值高、廉价以及便于调节的特点，可以抑制再生放大器中严重增益窄化效应，并能进行光谱红移预补偿，涡旋光经过再生腔之后会优化光斑质量，提升光束稳定性，用于超强超短激光脉冲放大系统的前端，能够在光与物质相互作用中带来新的自由度,为高强度场条件下的物理实验提供了有力的研究条件，对于极端强场条件下的物理实验研究具有重要意义。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。