[发明专利]基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法

说明书

一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法，该装置主要由超快激光源、啁啾镜对、涡旋光调制器、起偏器、聚焦镜组、非线性晶体对、准直镜组、检偏器和涡旋光解调器组成。本发明利用了涡旋光的远场光强分布特性，在空气中即可实现百微焦量级的交叉偏振波产生，具有结构简单、装置紧凑、便于模块化的优点。本发明用于超强超短激光系统的前端，对于超强超短激光技术的研究与应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法。是一种应用于拍瓦激光系统前端的大能量非线性脉冲净化技术。其特点是利用涡旋光的聚焦光斑远场能量聚集度比高斯光更加分散的优势，结合交叉偏振波产生净化脉冲且展宽光谱的优点，在空气中实现宽光谱、高对比度、较高能量的净化种子脉冲输出。

背景技术

啁啾脉冲放大技术(CPA)和光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)在世界范围内被广泛地应用到数拍瓦(1PW＝10¹⁵W)的超强超短激光系统。拍瓦激光系统输出的激光脉冲宽度只有数十飞秒(1fs＝10^-15s)，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探索基本粒子特性的极端物理条件。而这些实验对于激光的对比度提出了很高要求，超过10¹¹W/cm²的前沿噪声就能产生预等离子体，破坏激光与物质相互作用的条件。因此往往需要在拍瓦激光系统的前端采取脉冲净化技术来提高脉冲对比度，交叉偏振波产生(XPWG)便是提高脉冲对比度的一种主流手段。该技术能够获得超过五个数量级的对比度提升，并且同时由于自相位调制效应可以展宽脉冲光谱。目前，拍瓦激光系统中一般采用基模高斯光束，然而高斯光的能量集中度比较高，一个瑞利距离内能量占比高达86％。为了避免焦点处产生空气中的非线性效应导致光束质量恶化，以及避免非线性晶体烧蚀。入射脉冲能量一般不超过250微焦，XPWG仅能输出10～20微焦的能量。往往需要借助其他手段，将XPWG产生的净化脉冲进一步放大到100微焦量级才能用于后续放大系统。这就限制了空气条件下，XPWG技术的直接应用。

在先技术中，解决这一问题的方案往往比较复杂。比如2019年公开的中国专利(CN110071421A，一种产生飞秒种子光的系统和方法)，利用飞秒光参量放大将净化脉冲放大到百微焦量级。又比如2013年发表的文献“Energy-scalable temporal cleaning devicefor femtosecond laser pulses based on cross-polarized wave generation”(Reviewof Scientific Instruments 84,043106(2013))，设计了复杂的真空系统，将非线性晶体置于该真空系统内，从而实现毫焦量级的大能量注入。这些方案都大大增加了系统的复杂程度，从而降低了系统的稳定性。然而，由于涡旋光的中空结构，相同近场光斑情况下，其远场能量集中度较高斯型光斑低(4～5倍，以一阶涡旋光为例)。因此可以提高注入能量到4倍以上，在空气中直接获得100微焦以上的稳定的大能量XPWG输出。从而大大降低装置的复杂性，同时可以提高装置的稳定性，节约建设成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对拍瓦激光系统的前端，提供一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置和方法，该装置能克服高斯光大能量注入下，焦点附近空气中的非线性效应导致的光束质量恶化，避免非线性晶体烧蚀。在空气中实现稳定的百微焦量级的交叉偏振波产生，是一种简单、紧凑、稳定、高效的非线性脉冲净化前端。

本发明技术解决方案如下：

一种基于涡旋光的交叉偏振波产生装置，其特点在于该装置包括：同轴依次放置的超快激光源、啁啾镜对、涡旋光调制器、起偏器、聚焦镜组、非线性晶体对、准直镜组、检偏器和涡旋光解调器；整个装置工作在非真空状态下；