一种基于光参量啁啾脉冲放大的径向或角向偏振光激光装置的制作方法

本发明涉及超快激光技术领域，特别是一种基于光参量啁啾脉冲放大的径向或角向偏振光激光装置。

背景技术：

径向或角向偏振光是一种空间非均匀偏振光，在空间不同位置的偏振状态不同，并且光束横截面偏振态分布呈现轴对称或环形分布，并且由于光斑中心存在相位奇点导致中心位置电场振幅为零，光斑的强度呈现出空心环状分布。径向或角向偏振光因其独特的偏振和强度分布特性，带来了很多潜在的应用价值，包括粒子捕获、高精度金属材料加工、超分辨显微技术、表面等离子体激发及激光加速等领域，具有巨大的应用潜力的价值。

而高能量飞秒径向或角向偏振光在强场物理领域有着非常广阔的前景，由于径向或角向偏振光大数值孔径聚焦系统的强聚焦后形成较强的纵向电场，可以直接由于电子的加速，并且可以突破传统相干光场的经典衍射极限，得到更小的聚焦光斑尺寸和更高的能量密度。同时，径向或角向偏振光的横向电场把电子囚禁在聚焦光斑的中心，提高了电子密度的同时，压缩了单能电子束的发散角。因此，搭建高能量飞秒径向或角向偏振光激光系统具有非常广阔的研究前景。

然而，径向或角向偏振光的不同空间位置有着不同的偏振状态，传统的光参量啁啾脉冲放大(opcpa)激光系统受限于光栅对激光偏振的要求以及放大晶体的相位匹配要求等，无法完整地放大径向或角向偏振光，从而造成输出径向或角向偏振激光的质量非常差。

因此，通过利用双路放大合束的方法，采用分两路放大后，再进行相干合束的方法来产生高能量飞秒径向或角向偏振光，是解决上述问题的一个重要方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种基于光参量啁啾脉冲放大的径向或角向偏振光激光装置，本发明的技术解决方案如下：

一种基于光参量啁啾脉冲放大的径向或角向偏振光激光装置，其特点在于：包括飞秒激光种子源、展宽器、波长转换装置、皮秒激光器、涡旋波片、信号光分束片、泵浦光分束片、双色镜、非线性晶体、压缩器、延时器、半波片和合束镜；

所述的飞秒激光种子源产生飞秒种子光，经展宽器时域展宽后，形成皮秒种子光；该皮秒种子光经涡旋波片转化为径向或角向偏振种子光；

所述的飞秒激光种子源产生皮秒种子光，通过波长转换装置注入所述的皮秒激光器，形成皮秒泵浦光；

所述的径向或角向偏振种子光经所述的信号光分束片分成相同的两束，并且皮秒泵浦光经泵浦光分束片分成相同的两束，两路的径向或角向偏振种子光和皮秒泵浦光分别利用双色镜共线入射至非线性晶体内，经放大后，获得两束相同的高能量部分径向或角向偏振光；

将所述的两束高能量部分径向或角向偏振光，经过压缩器压缩后，形成获得两束高能量飞秒部分径向或角向偏振光，一束利用半波片将偏振方向旋转90°后，和另一束通过合束镜合束，从而获得一束高能量飞秒径向或角向偏振光；所述的两束高能量飞秒部分径向或角向偏振光之间的时域重合通过延时器调节。

所述的展宽器用于将脉宽展宽至皮秒量级。

所述的压缩器用于将脉宽压缩至飞秒量级。

所述的展宽器为正色散展宽器，可通过调节光栅位置调节展宽器引入的色散量。

所述的径向或角向偏振种子光和皮秒泵浦光需要共线入射至非线性晶体内，且在时域上重合；调节非线性晶体的倾角以满足相位匹配条件，通过非线性晶体后的闲置光和泵浦光可通过双色镜滤除。

所述压缩器为负色散的压缩器，与展宽器共轭，通过调节光栅之间的间距来调节色散量。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明能够有效地解决传统的opcpa由于径向或角向偏振光的偏振方向不均匀而造成无法放大的问题。

2、本发明能够有效实现高能量的径向或角向偏振光激光输出。

3、本发明采用opcpa合束，具有无热效应、波长可调谐、脉冲对比度高等优点。

附图说明

图1为本发明一种基于光参量啁啾脉冲放大的径向或角向偏振光激光装置的光路示意图。

图2为双路放大后的飞秒部分径向偏振光的合成示意图。

图3为双路放大后的飞秒部分角向偏振光的合成示意图。

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以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一种基于光参量啁啾脉冲放大的径向或角向偏振光激光装置，包括飞秒激光种子源1、展宽器2、波长转换装置3、大能量皮秒激光器4、涡旋波片5、分束片6、信号光双色镜7、泵浦光双色镜8、第一非线性放大晶体9、压缩器10、延时器11、半波片12和合束镜13。

所述的飞秒激光种子源1产生一束高能量的飞秒种子光；所述的飞秒种子光经过展宽器2后，脉宽展宽至皮秒量级，获得一束皮秒种子光；所述的皮秒种子光经涡旋波片5后转化为径向或角向偏振种子光；所述的皮秒泵浦光由一台大能量皮秒激光器4产生，其种子源由飞秒激光种子源1通过波长转换装置3转换到泵浦波长后注入。

将所述的径向或角向偏振种子光通过信号光分束片6分成相同的两束，所述的皮秒泵浦光利用泵浦光分束片7分成相同的两束；所述的两束径向或角向偏振种子光和皮秒泵浦光分别利用双色镜8共线入射至非线性放大晶体9内，经放大后，获得两束相同的高能量部分径向或角向偏振光。

将所述的两束高能量部分径向或角向偏振光，经过压缩器10后，脉宽压缩至飞秒量级，获得两束高能量飞秒部分径向或角向偏振光。

所述的高能量飞秒部分径向或角向偏振光的其中一束利用半波片12将偏振方向旋转90°后，和另一束高能量飞秒部分径向或角向偏振光用合束镜13合束，从而获得一束高能量飞秒径向或角向偏振光；所述的两束高能量飞秒部分径向或角向偏振光之间的时域重合通过延时器11调节。

以下举一个具体的实施例。

ti:sapphire激光器输出的飞秒种子光经过一台4微米的光参量脉冲放大器输出单脉冲能量100微焦，中心波长为4微米的高能量的飞秒种子光，通过调节光参量脉冲放大器中晶体的角度或更换晶体材料可使得中心波长在1-5微米之间调谐。从光参量脉冲放大器输出的飞秒种子光经过一个展宽器后，被展宽为啁啾种子光，对应的脉宽约为70ps。展宽后的啁啾种子光经过一片涡旋波片后产生拓扑荷数为1的径向或角向偏振种子光，拓扑荷数可通过更换不同m值的涡旋波片来更改。径向或角向偏振种子光经过一个50:50的分束片后，分成两束完全相同的径向或角向偏振种子光。

nd:yag激光器利用ti:sapphire激光器注入作为种子光，从而控制两台激光器发射的脉冲在时域上的同步，nd:yag激光器输出200毫焦能量的皮秒泵浦光，其中心波长1064纳米，脉宽70皮秒，重复频率为20赫兹。皮秒泵浦光经过一个50:50分束片分成两束相同的泵浦光后，利用两个双色镜使其与两束径向或角向偏振种子光在空间上重合，共同入射至两块kta晶体，晶体的切割角均为40.8°，厚度为10mm。但由于径向或角向偏振光的偏振方向在空间上是非均匀的，因此在某一偏振方向上满足相位匹配条件放大时，在其他偏振方向上无法得到完全放大，只能放大满足相位匹配条件的那部分偏振分量，从而使得出射的脉冲强度不均匀。同时，放大后得到的两束皮秒径向或角向偏振光再各自入射到两个光栅对压缩器，由于光栅的衍射效率受脉冲的偏振影响，同样也会加剧放大后的径向或角向偏振光的空间强度不均匀性。因此经过opcpa后会得到两束上下和左右光强度不相同的高能量飞秒部分径向或角向偏振光，其中一束再经过一个半波片将偏振方向旋转90°。

图2和图3给出了两束放大后的高能量飞秒部分径向和角向偏振光合束的示意图，图中箭头表示偏振方向。由于opcpa部分两路系统完全相同，因此放大后的两束光脉冲除了偏振方向差90°以外，脉宽、能量、光谱等参数完全相同，因此合成后能够产生一束强度、偏振方向均匀的完整的高能量飞秒径向或角向偏振光，拓扑荷数依旧保持1。合束过程中时域重合由一个延时器控制。最终，可输出毫焦量级、百飞秒脉宽的4微米径向或角向偏振光。

以上结果表明，通过对两路径向或角向偏振光分别用opcpa放大后再合束，能够有效地实现径向或角向偏振光的放大，较好地保持径向或角向偏振光的属性特征，从而获得一束高能量飞秒径向或角向偏振光。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。