激光共振放電中光束合成方法的研究

激光共振放電中光束合成方法的研究

光束合成是指將多種激光合成光的光。本項(xiàng)目研究的直接目的是,找出在具體條件下不同波長(zhǎng)的光束合成的最佳方法,使其應(yīng)用在激光共振電離質(zhì)譜雙光子和多光子共振電離方式中。該項(xiàng)目的應(yīng)用前景很廣闊,除用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)室外,還可用于材料科學(xué)和軍事科學(xué)。國(guó)內(nèi)外光束合成的方法很多,各種方法各有利弊。如用平板玻璃進(jìn)行光束合成,方法簡(jiǎn)單,但光束合成效率不高,只有50%;用凹面鏡進(jìn)行光束合成,光束合成效率高,但方法復(fù)雜,光路調(diào)節(jié)困難。因此對(duì)光束合成技術(shù)的研究已成為國(guó)內(nèi)外重視的課題。光束合成技術(shù)的難點(diǎn)是,對(duì)波長(zhǎng)相近的兩束光的合成,要保證光在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)都能重合在一點(diǎn),且光合束效率能達(dá)到85%以上。為解決這一難題,我們采用了一種新的光束合成方法,即用冰洲石雙窗OE晶體進(jìn)行光束合成,這種光束合成方法簡(jiǎn)單、易調(diào)、效率高。2.1相離子合成效率如圖1所示,這是一種最簡(jiǎn)單的光束合成方法。根據(jù)光在介質(zhì)表面的反射和折射定律以及菲涅耳公式可以計(jì)算出,在理想條件下光束合成效率為50%,實(shí)驗(yàn)中考慮到別的一些實(shí)際損失,合束效率還達(dá)不到這一值。這種光束合成方法只能用于對(duì)光傳輸效率不做要求的普通實(shí)驗(yàn)。2.1.2兩束光的聚焦加工如圖2所示,使用這種方法光損失少,但兩束光要盡可能地靠近,一般最近可到5mm。經(jīng)過(guò)缺角直角棱鏡后的光是兩束平行光,還需用透鏡對(duì)這兩束光進(jìn)行聚焦。如圖3所示,這種方法對(duì)五角棱鏡頂點(diǎn)的加工要求很嚴(yán)格。在反射棱鏡上,四束光的焦點(diǎn)分布如圖中的K向示圖,它們之間盡量接近。調(diào)整輸入的光束方向,使四束光從棱鏡輸出的各光軸相互平行。然后經(jīng)平面反射鏡采用小角度入射送入MR。這種方法,光的完全混合度在凹面鏡一端是77.1%,在平面鏡一端是91.8%,光的合成和傳輸效率是85%。2.2過(guò)濾法如圖4所示,與用平板玻璃光束合成一樣,能很容易的把兩束光合成一束,合束效率可達(dá)98%以上,適用于兩束光波長(zhǎng)相差較遠(yuǎn)時(shí)的光束合成。2.2.2膜面為復(fù)合光催化劑的p偏振光反射率零如圖5所示,把膜層內(nèi)的每個(gè)膜面的入射角設(shè)計(jì)成布氏角,這樣光線在膜面上的p偏振光的反射率為零。但設(shè)計(jì)中未考慮棱鏡和膜層的界面處滿足布氏角,因此得不到很高的消光比。2.2.3膜料配比和入射角的影響如圖6所示,一般s偏振光的反射帶比p偏振光的反射帶大。選中心波長(zhǎng),使工作波長(zhǎng)或波段落在p偏振和s偏振的反射帶之間,就可以實(shí)現(xiàn)p偏振光高透射,s偏振光高反射的偏振光束合成。為了獲得大的工作波長(zhǎng)帶寬,應(yīng)盡量選擇n∥/n⊥大的膜料配對(duì)和盡量大的入射角。實(shí)驗(yàn)表明,平板偏振分光鏡工作波長(zhǎng)帶寬不是很寬,入射角變化時(shí)Tp下降到92%。2.2.4光在正常點(diǎn)處合成如圖7所示,利用多面反射鏡進(jìn)行光束合成,相當(dāng)于用一個(gè)透鏡對(duì)多束光進(jìn)行聚焦,光在交點(diǎn)處合成一點(diǎn),然后又分開(kāi)。調(diào)整反射鏡的方向,光的交點(diǎn)位置隨著改變。如何看光在源室是否合在一起。如圖8所示,光在等距離處合在一起,則在源室也會(huì)合在一起。這種光束合成方法適用于多束光的合成,其缺點(diǎn)是使用的反射鏡多,光損失多。2.3光束合成技術(shù)的應(yīng)用冰洲石雙窗OE雙輸出棱鏡是格蘭-湯姆遜棱鏡的進(jìn)一步改進(jìn),用于波長(zhǎng)相近的兩束光的合束。冰洲石雙窗OE雙輸出棱鏡反向使用,成為合束棱鏡,如圖10。使用這種棱鏡合束,需要先使兩束s光中的透射束變成p光,這可用加一個(gè)l/2波片來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法尤其適用于波長(zhǎng)相近的兩束光的合束。o光和e光:光是橫波,當(dāng)光線進(jìn)入各向異性介質(zhì)中時(shí),將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,最常見(jiàn)的是光線進(jìn)入象方解石(冰洲石,CaCO3)、石英(水晶,SiO2)一類的晶體時(shí),折射光線是兩條,如圖9所示。兩束折射光中,有一束總遵守折射定律的,稱尋常光,用符號(hào)o表示;另一束則不遵守折射定律,稱非常光,用符號(hào)e表示。冰洲石雙窗OE雙輸出棱鏡如圖10所示,它由格蘭-湯姆遜棱鏡進(jìn)一步改進(jìn)而成。l/2波片:平面偏振光透過(guò)l/2波片后,仍為平面偏振光,但是光矢量振動(dòng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度2q,q為平面偏振光的振動(dòng)面與波片光軸間的夾角。光束合成的實(shí)際調(diào)試方法:如圖11,在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)分別對(duì)光束進(jìn)行聚焦,調(diào)節(jié)合束鏡位置和入射光的方向,使焦點(diǎn)都為一點(diǎn),兩點(diǎn)共線,則光真正合束。光束合成技術(shù)應(yīng)用的例子很多。如圖12所示為激光共振電離質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)的光束合成系統(tǒng)。光束合成技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛[5~9],限于篇幅,這里就不一一具體介紹?？梢愿鶕?jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求選擇不同的實(shí)驗(yàn)方案。感謝蘭州大學(xué)趙之正教授對(duì)光束合成方法的指導(dǎo),感謝天津