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。本項目研究的直接目的是,找出在具體條件下不同波長的光束合成的最佳方法,使其應用在激光共振電離質譜雙光子和多光子共振電離方式中。該項目的應用前景很廣闊,除用于光學實驗室外,還可用于材料科學和軍事科學。國內外光束合成的方法很多,各種方法各有利弊。如用平板玻璃進行光束合成,方法簡單,但光束合成效率不高,只有50%;用凹面鏡進行光束合成,光束合成效率高,但方法復雜,光路調節(jié)困難。因此對光束合成技術的研究已成為國內外重視的課題。光束合成技術的難點是,對波長相近的兩束光的合成,要保證光在近場和遠場都能重合在一點,且光合束效率能達到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晶體進行光束合成,這種光束合成方法簡單、易調、效率高。2.1相離子合成效率如圖1所示,這是一種最簡單的光束合成方法。根據(jù)光在介質表面的反射和折射定律以及菲涅耳公式可以計算出,在理想條件下光束合成效率為50%,實驗中考慮到別的一些實際損失,合束效率還達不到這一值。這種光束合成方法只能用于對光傳輸效率不做要求的普通實驗。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)過缺角直角棱鏡后的光是兩束平行光,還需用透鏡對這兩束光進行聚焦。如圖3所示,這種方法對五角棱鏡頂點的加工要求很嚴格。在反射棱鏡上,四束光的焦點分布如圖中的K向示圖,它們之間盡量接近。調整輸入的光束方向,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98%以上,適用于兩束光波長相差較遠時的光束合成。2.2.2膜面為復合光催化劑的p偏振光反射率零如圖5所示,把膜層內的每個膜面的入射角設計成布氏角,這樣光線在膜面上的p偏振光的反射率為零。但設計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,使工作波長或波段落在p偏振和s偏振的反射帶之間,就可以實現(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帶寬,應盡量選擇n∥/n⊥大的膜料配對和盡量大的入射角。實驗表明,平板偏振分光鏡工作波長帶寬不是很寬,入射角變化時Tp下降到92%。2.2.4光在正常點處合成如圖7所示,利用多面反射鏡進行光束合成,相當于用一個透鏡對多束光進行聚焦,光在交點處合成一點,然后又分開。調整反射鏡的方向,光的交點位置隨著改變。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,則在源室也會合在一起。這種光束合成方法適用于多束光的合成,其缺點是使用的反射鏡多,光損失多。2.3光束合成技術的應用冰洲石雙窗OE雙輸出棱鏡是格蘭-湯姆遜棱鏡的進一步改進,用于波長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l/2波片來實現(xiàn)。這種方法尤其適用于波長相近的兩束光的合束。o光和e光:光是橫波,當光線進入各向異性介質中時,將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,最常見的是光線進入象方解石(冰洲石,CaCO3)、石英(水晶,SiO2)一類的晶體時,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o表示;另一束則不遵守折射定律,稱非常光,用符號e表示。冰洲石雙窗OE雙輸出棱鏡如圖10所示,它由格蘭-湯姆遜棱鏡進一步改進而成。l/2波片:平面偏振光透過l/2波片后,仍為平面偏振光,但是光矢量振動的方向轉動了一個角度2q,q為平面偏振光的振動面與波片光軸間的夾角。光束合成的實際調試方法:如圖11,在近場和遠場分別對光束進行聚焦,調節(jié)合束鏡位置和入射光的方向,使焦點都為一點,兩點共線,則光真正合束。光束合成技術應用的例子很多。如圖12所示為激光共振電離質譜實驗的光束合成系統(tǒng)。光束合成技術的應用非常廣泛[5~9],限于篇幅,這里就不一一具體介紹。可以根據(jù)具體的實驗要求選擇不同的實驗方案。感謝蘭州大學趙之正教授對光束合成方法的指導,感謝天津