一種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，包括沿入射光方向依次設置的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、光克爾介質、第二透鏡、第二四分之一波片、檢偏器和光闌，且第一四分之一波片之長軸方向與第二四分之一波片正交，檢偏器的檢偏方向與起偏器的起偏方向平行。本發明利用起偏器與第一四分之一波片組合產生橢圓偏振光，進一步利用在光克爾介質內產生的光克爾效應，誘導產生偏振橢圓旋轉和自聚焦效應，使部分入射光經檢偏器和光闌時被攔截，以實現光限幅輸出。本發明具有線性透射率高、響應速度快、帶寬超寬、結構簡單，成本低廉的優點，非常適用于超短脈沖寬帶激光防護器件的設計與制作。
【專利說明】—種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光防護【技術領域】，涉及一種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器。【背景技術】
[0002]激光作為一種特殊光源在科技、醫學、生產以及國防領域中發揮著越來越重要的作用。隨著大功率激光技術的發展和完善，激光在現代軍事中得到了迅速發展，激光致盲和激光武器更多的出現在現代戰場上。面臨新型激光武器的威脅，研制新型的激光限幅防護器件已成為現代科技中的亟需解決的關鍵科技問題。
[0003]飛秒激光是20世紀末迅速發展起來的一種超強超快激光技術，與其他長脈沖激光以及連續激光不同，它具有持續時間超短、峰值功率超高等特點。因此，當其與物質產生相互作用時可以發生各種非線性效應，如自聚焦、自相位調制、多光子電離等。目前，飛秒激光技術已廣泛應用于信息、能源、環境、醫療、國防和基礎科學研究等各個領域。隨著飛秒激光在科技和生產生活中的應用日趨廣泛，飛秒激光防護的重要性也越顯突出。
[0004]目前，人們在光限幅研究方面已經做了大量的工作。光限幅器件基于各種非線性光學效應，包括非線性吸收、非線性折射或非線性散射等，表現為常光照射下的高透過率和高強度激光照射下的低透過率。超短脈沖激光限幅器要求具有超快的響應時間、超低的限幅閾值、大的能量動態范圍，以及寬的光譜適用范圍。現有的光限幅技術很難同時滿足上述要求，如基于非線性散射的光限幅器響應速度一般較慢、所需脈沖能量一般較大，無法對超短脈沖實現限幅防護；基于非線性折射即自聚焦效應的光限幅器，雖然可以適用于超短脈沖激光，但往往限幅閾值較高，無法實現超低限幅閾值輸出；基于非線性吸收的光限幅器往往對入射光波長具有選擇性，不適用于寬帶限幅器件的設計與制作。
【發明內容】
[0005]本發明解決的問題在于提供一種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，能夠實現激光限幅防護，具有響應時間快、限幅閾值低、適用能量動態范圍大，以及光譜適用范圍寬等優點。
[0006]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0007]—種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，包括沿入射光方向依次設置的起偏器、第一四分之一波片、第一透鏡、光克爾介質、第二透鏡、第二四分之一波片、檢偏器和光闌；第一四分之一波片的長軸方向與第二四分之一波片的長軸方向正交；第一透鏡與第二透鏡共焦放置，且光克爾介質位于第一透鏡的焦距以內；檢偏器的檢偏方向與起偏器的起偏方向平行。
[0008]所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片均為消色差寬帶波片。
[0009]所述的第一四分之一波片長軸方向與起偏器的夾角為20?40°。
[0010]所述的光克爾介質為鉍酸鹽玻璃或碲酸鹽玻璃，介質厚度為2?5mm ;或者所述的光克爾介質為二硫化碳，容納在透明容器中，透明容器通光路徑為2?5_。[0011]所述的透明容器為石英比色皿,其通光路徑為2?5mm,壁厚為0.5?1mm。
[0012]所述的第一透鏡、第二透鏡為平凸或雙凸透鏡，焦距為50?500mm。
[0013]所述的光闌的孔徑大小與入射的超短脈沖激光光斑尺寸一致。
[0014]所述沿入射光方向，光闌的后方還設有用于監測激光功率或脈沖能量的探測器。
[0015]所述入射的飛秒或皮秒激光脈沖通過起偏器和第一四分之一波片后由線性偏振光變為橢圓偏振光，再經第一透鏡入射到光克爾介質中；當光強較弱時，入射光經第二四分之一波片的相位補償，由橢圓偏振光還原為線偏振光，并經檢偏器、光闌完全透射后輸出；當光強較強時，入射光在光克爾介質中誘導產生光克爾效應，進而產生偏振橢圓旋轉和自聚焦效應，經第二四分之一波片后仍為橢圓偏振光，部分光經檢偏器和光闌后被阻止，實現光限幅輸出。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0017]本發明提供的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，利用起偏器與第一四分之一波片組合產生橢圓偏振光，進一步利用在非線性光克爾介質內產生的光克爾效應，誘導產生偏振橢圓旋轉和自聚焦效應，使橢圓偏振光經過光克爾介質時發生偏振橢圓旋轉和自聚焦，再利用檢偏器和光闌攔截強入射激光，使部分入射光經檢偏器和光闌時被攔截，以實現光限幅輸出，達到激光限幅防護的目的。
[0018]本發明提供的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，利用了在透明介質中誘導產生的超快光克爾效應，因此具有線性透射率高、響應速度快、帶寬超寬等優點；進一步將偏振橢圓旋轉效應與自聚焦效應相結合，可實現低限幅閾值、大動態范圍的超短脈沖光限幅。
[0019]本發明提供的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，結構簡單，成本低廉，而且能夠同時滿足響應時間快、限幅閾值低、適用能量動態范圍大，以及光譜適用范圍寬的要求，是超短脈沖限幅器件的理想選擇。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明限幅器的限幅工作原理示意圖；
[0021]圖2為偏振橢圓旋轉效應強度與偏振夾角依賴關系模擬曲線；
[0022]圖3為不同偏振夾角下限幅器透過率隨輸入功率變化模擬曲線；
[0023]圖4為偏振橢圓旋轉效應強度與偏振夾角依賴關系實驗曲線；
[0024]圖5為本發明限幅器對脈寬150fs、波長SOOnm飛秒激光脈沖限幅效果圖。
[0025]其中，1、起偏器，2、第一四分之一波片，3、第一透鏡，4、石英比色皿，5、第二透鏡，
6、第二四分之一波片，7、檢偏器，8、光闌，9、探測器。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0027]參見圖1，本發明包括沿入射光入射方向依次設置的起偏器1、第一四分之一波片
2、第一透鏡3、石英比色皿4、第二透鏡5、第二四分之一波片6、檢偏器7、光闌8和探測器
9,且第一四分之一波片2的長軸方向與第二四分之一波片6正交,檢偏器7的檢偏方向與起偏器I的起偏方向平行。[0028]其中，所述的第一四分之一波片2長軸方向與起偏器I夾角為20?40°，所述的石英比色皿4的通光路徑為2_5mm,壁厚為0.5_lmm。所述的第一四分之一波片2和第二四分之一波片6均為消色差寬帶波片。
[0029]所述的光克爾介質為二硫化碳，第一透鏡3與第二透鏡5為平凸或雙凸透鏡，焦距為50?500mm，共焦放置，且光克爾介質位于第一透鏡3的焦距以內，光闌8的孔徑大小與入射光斑尺寸一致。
[0030]如圖1所示，入射的飛秒或皮秒激光脈沖通過起偏器I和第一四分之一波片2后由線性偏振光變為橢圓偏振光，經第一透鏡3入射到盛放于石英比色皿4內的克爾介質；當光強較弱時，入射光經第二四分之一波片6的相位補償，由橢圓偏振光還原為線偏振光，并經檢偏器7、光闌8完全透射后進入到探測器9。當光強較強時，入射光在比色皿4中誘導產生光克爾效應，進而產生偏振橢圓旋轉和自聚焦效應，經第二四分之一波片6后仍為橢圓偏振光，部分光經檢偏器7和光闌8后被阻止，無法進入用于監測激光功率或脈沖能量的探測器9，從而實現光限幅輸出。
[0031]下面結合附圖給出本發明超短脈沖光限幅器的實施例。
[0032]參見圖1，本發明包括沿入射光入射方向依次設置的起偏器1、第一四分之一波片
2、第一透鏡3、比色皿4、第二透鏡5、第二四分之一波片6、檢偏器7、光闌8和探測器9，且第一四分之一波片2的長軸方向與第二四分之一波片6正交,檢偏器7的檢偏方向與起偏器I的起偏方向平行，比色皿4內盛有的克爾介質為二硫化碳。
[0033]其中，所述的第一四分之一波片2長軸方向與起偏器I夾角為30 °，所述的石英比色皿4的通光路徑為5mm,壁厚為1_。第一透鏡3與第二透鏡5共焦放置,且光克爾介質位于第一透鏡3的焦距以內，光闌8的孔徑大小與入射光斑尺寸一致。
[0034]如圖2所示，圖2給出了偏振橢圓旋轉效應強度與偏振夾角依賴關系模擬曲線；理想情況下，當入射激光脈沖偏振方向與第一四分之一波片長軸夾角為30°左右時,偏振橢圓旋轉效應最強，因此可以斷定該角度下本發明限幅器的限幅效果最好。
[0035]圖3給出了不同偏振夾角下，本發明限幅器透過率隨輸入功率變化模擬曲線:偏振夾角為20°時，限幅閾值低，能量動態范圍較小；偏振夾角為40°時，限幅閾值高，能量動態范圍小；當偏振夾角為30°時，限幅閾值低，能量動態范圍大，符合理想光限幅器的條件。
[0036]綜合圖2和圖3的模擬結果，可以得出當入射激光脈沖偏振方向與第一四分之一波片長軸夾角為30°左右時，限幅效果最理想。
[0037]圖4給出了偏振橢圓旋轉效應強度與偏振夾角依賴關系實驗曲線，該曲線通過改變第一四分之一波片2的長軸方向與起偏器I起偏方向的夾角，測量檢偏器7后的輸出光強獲得；實驗得出的曲線與理論模擬出的結果基本吻合，當入射激光脈沖偏振方向與第一四分之一波片長軸夾角為30°時，偏振橢圓旋轉效應最強。
[0038]圖5給出了本發明限幅器對脈寬150fs、中心波長SOOnm飛秒激光限幅效果。當不加光闌8，只有偏振橢圓旋轉效應作用時，限幅閾值較低，能量動態范圍小；當只有光闌8作用，入射光偏振方向與四分之一波片長軸夾角設置為0°，只有自聚焦效應作用時，限幅閾值高，能量動態范圍大；當光闌和偏振橢圓旋轉共同作用時，限幅閾值低，能量動態范圍大，能有效增強限幅效果。
【權利要求】
1.一種基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，包括沿入射光方向依次設置的起偏器(I)、第一四分之一波片(2)、第一透鏡(3)、光克爾介質、第二透鏡(5)、第二四分之一波片(6)、檢偏器(7)和光闌(8);第一四分之一波片(2)的長軸方向與第二四分之一波片(6)的長軸方向正交；第一透鏡(3)與第二透鏡(5)共焦放置，且光克爾介質位于第一透鏡(3)的焦距以內；檢偏器(7)的檢偏方向與起偏器(I)的起偏方向平行。
2.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，所述的第一四分之一波片(2)和第二四分之一波片(6)均為消色差寬帶波片。
3.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，所述的第一四分之一波片(2)長軸方向與起偏器(I)的夾角為20?40°。
4.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，所述的光克爾介質為秘酸鹽玻璃或締酸鹽玻璃，介質厚度為2?5mm ;或者所述的光克爾介質為二硫化碳，容納在透明容器中，透明容器通光路徑為2?5_。
5.如權利要求4所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，所述的透明容器為石英比色皿(4),其通光路徑為2?5mm,壁厚為0.5?1mm。
6.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，所述的第一透鏡(3)、第二透鏡(5)為平凸或雙凸透鏡,焦距為50?500_。
7.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，所述的光闌(8)的孔徑大小與入射的超短脈沖激光光斑尺寸一致。
8.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，沿入射光方向，光闌(8)的后方還設有用于監測激光功率或脈沖能量的探測器(9)。
9.如權利要求1所述的基于光克爾效應的超短脈沖光限幅器，其特征在于，入射的飛秒或皮秒激光脈沖通過起偏器(I)和第一四分之一波片(2)后由線性偏振光變為橢圓偏振光，再經第一透鏡(3)入射到光克爾介質中；當光強較弱時，入射光經第二四分之一波片(6)的相位補償，由橢圓偏振光還原為線偏振光，并經檢偏器(7)、光闌(8)完全透射后輸出；當光強較強時，入射光在光克爾介質中誘導產生光克爾效應，進而產生偏振橢圓旋轉和自聚焦效應，經第二四分之一波片(6)后仍為橢圓偏振光，部分光經檢偏器(7)和光闌(8)后被阻止，實現光限幅輸出。
【文檔編號】H01S3/10GK103944054SQ201410145470
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】司金海, 宋洪磊, 閆理賀, 熊耀兵, 侯洵 申請人:西安交通大學