一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法及装置

摘要

一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法及装置。该装置由四组楔形双折射晶体对、两片双折射晶体和一个二分之一波片组成，按照两组楔形双折射晶体对和一片双折射晶体的顺序交错放置，二分之一波片放置在第一片双折射晶体之后。每组楔形双折射晶体对由两片楔角相同的楔形双折射晶体倒扣在一起组成，两片楔形双折射晶体的光轴方向互相垂直且在与入射光线垂直的法平面内，每片双折射晶体的光轴都与毗邻的前一片楔形双折射晶体的光轴一致，楔形双折射晶体的厚度由其楔角大小决定。装置可将单一超短激光脉冲分成四个传播路径平行且方向与入射光一致、脉冲间隔均等、能量均等的子脉冲。本发明原理上没有能量损失，能量均分到各个子脉冲中。

主权项

一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法，其特征在于该方法包括：第1、通过第一组楔形双折射晶体对将一个超短激光脉冲分成两个偏振方向相互垂直且传播方向在竖直方向上有分离角的脉冲，再通过第二组楔形双折射晶体对使得出射的两个脉冲传播路径彼此平行且与入射光方向一致，分束后得到的两个脉冲通过第一片双折射晶体实现时间延迟，调节得到需要的脉冲间隔Δτ＝L/c，其中，L为两个脉冲的光程差，c＝3×10⁸m/s；两个脉冲通过二分之一波片后，使两个脉冲的偏振方向与第三组楔形双折射晶体对的前一片楔形双折射晶体的光轴成45度角，在通过第三、第四组楔形双折射晶体对后两个脉冲再次进行分束，分别得到水平方向上的两个脉冲，再通过第二组双折射晶体实现时间延迟，延迟后得到的脉冲间隔是第一次获得的脉冲间隔的二倍，则得到分布在矩形的四个顶点上的毗邻脉冲间隔相等的四个脉冲；第2、确定楔形双折射晶体对的厚度与楔角，以及第一、第二组和第三、第四组楔形双折射晶体对之间的距离；四组楔形双折射晶体对的大小和斜角均相同；楔形双折射晶体对的确定，要根据出射后的两脉冲在竖直方向上的偏移量ΔH与楔形双折射晶体对的厚度D、斜角θ及两组楔形双折射晶体对之间的距离S的关系式(1)，两脉冲在竖直方向上的分束角α与楔形双折射晶体对的楔角θ的关系式(2)，以及通光孔径H与楔形双折射晶体对的厚度D和楔角θ的关系式(3)，这三个关系式，计算出楔形双折射晶体对的厚度D、两组楔形双折射晶体对之间的距离S和楔角θ的大小，其中α、ΔH和H是已知量，根据实际需要确定；$\Delta H=\frac{D}{2}\left(tan\right(\theta -\arcsin \left(\frac{n_{o}sin\theta }{n_e}\right))+tan(\arcsin \frac{n_{e}sin\theta }{n_o}\left)\right)+2Stan\frac{\alpha }{2}---\left(1\right)$$\alpha =\arcsin \left(\sin \theta \left(\sqrt{{n_e}^2-{n_o}^2{\sin }^2\theta }-n_o\cos \theta \right)\right)+\arcsin \left(\sin \theta \left(n_e\cos \theta -\sqrt{{n_o}^2-{n_e}^2{\sin }^2\theta }\right)\right)---\left(2\right)$$H=\frac{D}{tan\theta }---\left(3\right)$其中，n_o和n_e分别为两个脉冲的主折射率；第三、第四组楔形双折射晶体对的作用是实现水平方向的分束，与第一、第二组楔形双折射晶体对的原理相同，因此，由第一、第二组楔形双折射晶体对的计算结果可得到第三、第四组楔形双折射晶体对的厚度D、两组楔形双折射晶体对之间的距离S和楔角θ的大小；第3、确定两片双折射晶体的厚度；为使最后得到的四个脉冲间隔相等，需要分别通过确定两片双折射晶体的厚度来实现时间延迟；根据所要获得的脉冲间隔Δτ与通过第一、第二组楔形双折射晶体对产生的脉冲间隔Δτ₁，计算出需要第一片双折射晶体实现的时间延迟Δτ₁₁＝Δτ±Δτ₁，则第一片双折射晶体的厚度是其中，n_o和n_e分别为两个脉冲的主折射率，c＝3×10⁸m/s；同理，可计算出第二片双折射晶体要实现的时间延迟Δτ₂₂＝Δτ±Δτ₂与第二片双折射晶体的厚度其中Δτ₂是第三、第四组楔形双折射晶体对产生的脉冲延迟，且Δτ₁＝Δτ₂；第4、将第2、第3步确定的各组楔形双折射晶体对和两片双折射晶体沿光的传播方向，按照两组楔形双折射晶体对和双折射晶体的顺序交错放置，两片双折射晶体的厚度由小到大，二分之一波片放在第一片双折射晶体的后边；各双折射晶体的光轴都在与入射光线垂直的平面内，每组楔形双折射晶体对中的两片楔形双折射晶体的光轴方向互相垂直，并且每片双折射晶体的光轴都与毗邻的前一片楔形双折射晶体的光轴一致。