專利名稱：飛秒脈沖壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒脈沖壓縮技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
飛秒脈沖具有非常高的峰值功率，持續(xù)時(shí)間短，因此在物理、化學(xué)、生物、制造和加工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
鈦寶石飛秒激光器是目前最廣泛使用的商品化飛秒激光器。由于鈦寶石是正色散的光學(xué)元件，其產(chǎn)生的飛秒脈沖光具有正的啁啾，也就是說(shuō)飛秒脈沖光被展寬了，因此，目前幾乎所有的鈦寶石飛秒激光器都必須使用負(fù)色散元件對(duì)展寬的飛秒脈沖光進(jìn)行壓縮。負(fù)群速色散對(duì)超短脈沖的壓縮過(guò)程至關(guān)重要，通常使用的壓縮方法是利用衍射元件，如光柵對(duì)、棱鏡對(duì)。目前最廣泛使用的飛秒脈沖的壓縮器就是采用棱鏡對(duì)。幾乎所有的鈦寶石飛秒激光振蕩器均需要后接一個(gè)棱鏡對(duì)，用以壓縮飛秒脈沖激光。
棱鏡對(duì)壓縮飛秒激光的原理如下當(dāng)正啁啾脈沖經(jīng)過(guò)第一個(gè)棱鏡后，產(chǎn)生角色散，經(jīng)自由空間的傳輸和第二個(gè)棱鏡后，產(chǎn)生的負(fù)群速色散，調(diào)節(jié)兩個(gè)棱鏡對(duì)的距離可調(diào)節(jié)負(fù)群速色散量，使脈沖得以壓縮。同時(shí)經(jīng)過(guò)第二個(gè)棱鏡后，角色散得到補(bǔ)償。棱鏡引起的角色散還引起頻譜空間走離效應(yīng)，這使得出射光束光斑大小畸變、脈沖傾斜、波前畸變等一系列變化，這些變化往往是不利于脈沖的產(chǎn)生和控制的?；蛘呃脤?duì)稱放置另外一對(duì)棱鏡，以得到脈寬壓縮和消除空間譜分離的的高質(zhì)量出射脈沖。但是棱鏡等光學(xué)元件越多，除結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于操作外，壓縮的效率就越低。同時(shí)，更重要的是飛秒脈沖還具有寬光譜特性，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，直接透射過(guò)某種介質(zhì)，出射脈沖相對(duì)入射脈沖會(huì)由于介質(zhì)材料的色散特性而產(chǎn)生的變化，介質(zhì)越厚引起的改變量越大。使用棱鏡、透射光柵、半透半反鏡等透射元件都會(huì)引起輸入脈沖的較大改變。使用反射元件，可完全避免材料色散的影響。棱鏡對(duì)相對(duì)光柵對(duì)而言，主要的優(yōu)點(diǎn)就是能量損失小，但缺點(diǎn)是光路太長(zhǎng)，體積龐大，光學(xué)元件過(guò)多，會(huì)引起高階色散和飛秒光束的空間展寬。這時(shí)，往往又需要采用透鏡對(duì)其空間壓縮，結(jié)果使得飛秒激光的壓縮系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)更加龐大，而飛秒激光的光束質(zhì)量會(huì)有所下降。而反射光柵的則具有與材料無(wú)關(guān)，可忽略高階色散，光路較短，壓縮系統(tǒng)體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。選擇合適的光柵，減少光柵的數(shù)目，可提高衍射效率。
Treacy早在1969年就研究過(guò)采用成對(duì)的反射式光柵對(duì)超短脈沖的展寬和壓縮作用[IEEE J.Quantum Electron.QE-5，454-458(1969)]。Martinez對(duì)這種光柵對(duì)對(duì)有限束徑超短脈沖的壓縮進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的理論分析[J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]。Morou等人創(chuàng)新性的提出了CPA技術(shù)[Opt Comm56.219-221(1985)]，就是采用光柵對(duì)的飛秒激光展寬和放大技術(shù)，CPA技術(shù)已經(jīng)成為了獲得高能量飛秒激光的基本技術(shù)。
以前的技術(shù)大多研究的是高密度光柵。最近，在先技術(shù)1[周常河，李國(guó)瑋，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?00510026066.9]提出采用低密度的達(dá)曼光柵對(duì)的飛秒激光分束技術(shù)，該技術(shù)核心是使用低密度光柵對(duì)分光，利用多個(gè)衍射級(jí)次，對(duì)每個(gè)單獨(dú)的級(jí)次都采用相同密度的達(dá)曼光柵進(jìn)行補(bǔ)償。在先技術(shù)2[周常河，戴恩文，發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?00510026555.4]采用低密度的光柵對(duì)飛秒激光進(jìn)行測(cè)量；在先技術(shù)3[周常河，白冰，利用達(dá)曼光柵對(duì)產(chǎn)生多脈沖的裝置，發(fā)明專利，已申請(qǐng)]采用低密度光柵對(duì)再接反射鏡的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛秒激光的共線分束和壓縮。
以前的所有的光柵對(duì)的技術(shù)中，兩個(gè)光柵的密度是相等的。本發(fā)明首次提出二倍密度匹配光柵對(duì)的思想，第二個(gè)補(bǔ)償光柵的密度是第一個(gè)光柵密度乘以衍射級(jí)次的二倍，因此，進(jìn)入第二個(gè)光將原路返回，這樣，將使整個(gè)光路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。本方案僅僅采用兩塊反射光柵，就可以獲得同以前的原路返回光柵對(duì)裝置同樣的壓縮效果，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，衍射效率高。本裝置既可用于飛秒激光腔內(nèi)壓縮，也可用于腔外壓縮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種飛秒脈沖壓縮裝置，該飛秒脈沖壓縮裝置穎具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮效率高、輸出脈沖無(wú)光譜空間走離和無(wú)角色散的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種飛秒脈沖壓縮裝置，其特征是由兩平行放置的第一光柵和第二光柵構(gòu)成，所述的第二光柵的光柵線密度是第一光柵的光柵線密度的二倍，待壓縮的飛秒脈沖光垂直入射至第一光柵表面，第二光柵位于第一光柵的一級(jí)衍射光的光路上。
所述的第二光柵放置于一滑動(dòng)導(dǎo)軌上，移動(dòng)以調(diào)節(jié)兩光柵的間距，產(chǎn)生不同脈寬的輸出脈沖。
所述的第一光柵為垂直入射下對(duì)輸入脈沖中心波長(zhǎng)閃耀的光柵，第二光柵為自準(zhǔn)直條件下對(duì)中心波長(zhǎng)閃耀的光柵。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明裝置僅使用了二倍密度光柵作第二光柵，不需要使用反射鏡，在較短的距離上輸出脈沖被壓縮，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，體積更小，容易操作，效率更高。本裝置可用于產(chǎn)生高質(zhì)量的無(wú)空間啁啾，無(wú)角色散的壓縮的飛秒脈沖。該裝置選用合適的閃耀光柵，可以使得標(biāo)量理論衍射效率接近100％。


圖1為本發(fā)明飛秒脈沖壓縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2正啁啾脈沖入射下，輸出脈沖寬度隨光柵對(duì)垂直間距的變化。入射脈沖中心波長(zhǎng)為815nm，脈寬為83.58fs，啁啾量為3.12×10-4rad/fs2，光柵1的線密度分別取為25線/毫米、50線/毫米、100線/毫米、200線/毫米。標(biāo)出的特殊點(diǎn)為具體實(shí)施實(shí)驗(yàn)中的情形。
圖3本發(fā)明飛秒脈沖壓縮裝置實(shí)施例脈寬壓縮的實(shí)驗(yàn)曲線測(cè)量輸出脈寬的壓縮變化。入射波中心波長(zhǎng)為815nm，脈寬為83.58fs，啁啾量為3.12×10-4rad/fs2，第一光柵1的線密度為25線/毫米，光柵對(duì)間距L為30厘米。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明飛秒脈沖壓縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明飛秒脈沖壓縮裝置是由兩平行放置的第一光柵1和第二光柵2構(gòu)成的，所述的第二光柵2的光柵線密度是第一光柵1的光柵線密度的二倍，待壓縮的飛秒脈沖光垂直入射至第一光柵1表面，第二光柵2位于第一光柵1的一級(jí)衍射光的光路上。
入射飛秒脈沖垂直入射至第一光柵1表面，其一級(jí)衍射光被第二光柵2原路返回，最后經(jīng)過(guò)第一光柵1出射。第二光柵2的光柵密度為第一光柵1的光柵密度的二倍，即周期為第一光柵1的一半。入射光光束直徑為D，光柵對(duì)垂直間距L可設(shè)置在足夠長(zhǎng)的距離上，使得一級(jí)衍射光和入射光分開(kāi)。為了使得出射脈沖和入射脈沖分開(kāi)，可使入射光沿光柵凹槽的方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度，從而使得光柵1表面上輸入光斑和輸出光斑分開(kāi)。
在如圖1所示的光柵對(duì)結(jié)構(gòu)下，假設(shè)輸入脈沖在時(shí)域和空域均為高斯型，根據(jù)光柵對(duì)對(duì)有限束徑超短脈沖的衍射理論[J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]，結(jié)合光柵方程和Fresnel-Kirchhoff方程計(jì)算輸出單個(gè)輸出脈沖的性質(zhì)。
根據(jù)光柵方程，垂直入射情形下，三次衍射光的衍射角θi分別滿足sinθ1＝λ/d1，sinθ1+sinθ2＝λ/d2，sinθ3＝λ/d1.根據(jù)光柵密度關(guān)系1/d2＝2/d1可知，θ1＝θ2＝θ3。垂直入射情形下，所有衍射光均取一級(jí)衍射的情形下，光束將嚴(yán)格原路返回。
輸入光束具有一定的束徑，具有一定的發(fā)散角。考慮到實(shí)際運(yùn)用中的飛秒激光束發(fā)散角小，準(zhǔn)直性好，可以采取小角度近似方法來(lái)分析。以高斯光束入射，則計(jì)算得到出射脈沖在頻域的表達(dá)為a6(x6，y6，ω)∝exp(ikβ3ωx6)a5(x6α3，y6，ω)=αi(ω)exp(-ik2y62q(d+2z))×exp(ikβ2ω2z)]]>×exp(-ik21q(d+2α2z)x62)]]>其中ai(ω)是入射脈沖頻譜，(x6，y6)是出射面空間坐標(biāo)，ω為頻率同脈沖中心頻率的差，β與α均來(lái)自于小角度近似Δθ＝αΔγ+βω，其中γ為入射角，θ為衍射角。q(d)＝d+iπσ2/λ，其中σ為高斯光束束腰半徑。z為中心頻率分量垂直入射在兩光柵間傳輸?shù)木嚯x。上式中無(wú)頻率和空間項(xiàng)的耦合，這說(shuō)明輸出脈沖無(wú)空間啁啾和角色散，脈寬不隨傳輸?shù)木嚯x改變，空間傳輸遵從高斯光束的性質(zhì)。根據(jù)傅立葉變換，將得到脈沖時(shí)域的分布也不存在時(shí)間項(xiàng)和空間項(xiàng)的耦合，即不存在脈沖傾斜等畸變，光束的質(zhì)量?jī)?yōu)良。
光束的空間分布，從空間項(xiàng)可以看出，光斑的形狀和波前存在一定的畸變，主要由d+2α2z同d+2z的差別決定。對(duì)于低密度光柵，如100線/mm，中心波長(zhǎng)為800nm，則|a|＝1.00322，這使得兩者差別可以忽略，光斑及波前畸變極小。一般情況下，若πσ2/λ＞＞d+2α2z以及πσ2/λ＞＞d+2z成立，畸變量也可以完全忽略。實(shí)際中，原路返回式光路引入的光斑畸變量很小。
假設(shè)輸入脈沖的線性啁啾系數(shù)為b，如輸入脈沖無(wú)啁啾，則b＝0。對(duì)于正常色散介質(zhì)，線性啁啾系數(shù)一般為正值。入射光公式滿足
A(t)＝exp(-2In2×t2/τ2)exp(ibt2)則輸出脈沖寬度可以表示為τ′=τ(1-AB)2+B2τ4]]>其中A=b2In2,]]>B＝8In2×kβ2zA對(duì)應(yīng)于輸入脈沖的啁啾量，而B(niǎo)則對(duì)應(yīng)于由光柵對(duì)所引入的色散，正啁啾輸入脈沖將在負(fù)群速色散的作用下而實(shí)現(xiàn)脈寬壓縮。當(dāng)啁啾特性被群速色散過(guò)程完全抵消時(shí)，脈寬得到最大的壓縮τmin′=τ1/(A2τ4+1)]]>此時(shí)有B＝Aτ4/A2τ4+1與高密度光柵不同，低密度光柵對(duì)輸入的超短脈沖影響隨光柵垂直距離的改變很慢，因此可用于飛秒光脈沖的分束測(cè)量和控制上。光柵對(duì)所產(chǎn)生的色散量(B)取決于光束的傳輸距離z和所選用的光柵線密度，B正比于光柵線密度的平方和傳輸距離的積，隨光柵密度的改變更快，當(dāng)輸入脈沖無(wú)啁啾且光柵線密度足夠低的時(shí)候，如10線/毫米，輸入脈沖和輸出脈沖相比，脈寬幾乎不變；若輸入脈沖有一定的啁啾，在一定距離上，其輸出脈寬變化也很小。由于激光介質(zhì)通常為正色散介質(zhì)，輸出的飛秒脈沖帶有正啁啾，光柵通過(guò)角色散引入負(fù)群速色散來(lái)補(bǔ)償，這會(huì)帶來(lái)一定的壓縮效果。如果所取的光柵的線密度較大，引入負(fù)群速色散隨距離變化就較快，壓縮效果更明顯，如圖2所示。
本發(fā)明中，可以通過(guò)一定的距離上，而選擇不同密度的光柵對(duì)調(diào)節(jié)輸出脈寬，也可以將第二光柵2放置于移動(dòng)導(dǎo)軌上，通過(guò)調(diào)節(jié)距離，獲得不同的脈沖寬度。光柵可選擇閃耀光柵，使得標(biāo)量理論衍射效率接近于100％。
利用微光學(xué)技術(shù)制作Dammann光柵兩片，第二光柵2的線密度為第一光柵1的兩倍。實(shí)際制作的第一光柵1的線密度為25線/毫米，第二光柵2的線密度為50線/毫米。在制作好的光柵表面鍍銀和相應(yīng)的保護(hù)膜，這樣得到的Dammann光柵的一級(jí)衍射效率大約為40％，因此本實(shí)施例壓縮裝置輸出雙脈沖的總效率為6.4％左右。第二光柵2放置在水平導(dǎo)軌上。第一光柵1的線密度為25線/毫米，第二光柵2的線密度為50線/毫米，兩光柵之間的垂直間距為30厘米。實(shí)驗(yàn)中，使用Ti:Sapphire飛秒激光器產(chǎn)生80～100飛秒左右的脈沖。輸入光束沿光柵線方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度δ，使得輸出脈沖同輸入脈沖成2δ角度，在一定的距離上可將它們完全分開(kāi)。實(shí)驗(yàn)中，輸入脈沖和輸出脈沖均可用標(biāo)準(zhǔn)FROG裝置進(jìn)行測(cè)量，所得時(shí)譜圖網(wǎng)格為128×128，使用的非線性介質(zhì)為100μm厚的偏硼酸鋇(以下簡(jiǎn)稱為BBO)晶體，使用16位的光譜儀(InSpectrum 300，Acton)。光譜儀測(cè)量激光器輸出脈沖中心波長(zhǎng)為815nm，F(xiàn)ROG解得其脈沖寬度(FWHM)為83.58fs，時(shí)域啁啾為3.12×10-4rad/fs2，F(xiàn)ROG誤差為2.27‰。如圖3所示，輸出脈沖脈寬為63.59fs，被壓縮至原始脈沖寬度的78.2％，和理論值(65.39fs)非常接近，F(xiàn)ROG為1.84‰。使用Dammann光柵完全的驗(yàn)證了該裝置的可靠性，考慮到其衍射效率偏低，可選擇合適的光柵，如正入射對(duì)中心波長(zhǎng)閃耀的光柵作為第一光柵1，則使得第一次衍射效率接近1，使用自準(zhǔn)直情形下對(duì)中心波長(zhǎng)閃耀的光柵作為第二光柵2，這樣，壓縮系統(tǒng)總的標(biāo)量理論衍射效率接近100％。也可以使用微光學(xué)套刻技術(shù)，制作臺(tái)階型光柵作為閃耀光柵使用。
本發(fā)明裝置相對(duì)常用的光柵對(duì)，僅使用了二倍密度光柵作第二光柵，不需要使用反射鏡，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，體積更小，容易操作，效率更高。本裝置可用于產(chǎn)生高質(zhì)量的無(wú)空間啁啾，無(wú)角色散的壓縮的飛秒脈沖。
權(quán)利要求
1.一種飛秒脈沖壓縮裝置，其特征是由兩平行放置的第一光柵(1)和第二光柵(2)構(gòu)成，所述的第二光柵(2)的光柵線密度是第一光柵(1)的光柵線密度的二倍，待壓縮的飛秒脈沖光垂直入射至第一光柵(1)表面，第二光柵(2)位于第一光柵(1)的一級(jí)衍射光的光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖壓縮裝置，其特征在于所述的第二光柵(2)放置于一滑動(dòng)導(dǎo)軌上，移動(dòng)以調(diào)節(jié)兩光柵的間距，產(chǎn)生不同脈寬的輸出脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖壓縮裝置，其特征在于所述的第一光柵(1)為垂直入射下對(duì)輸入脈沖中心波長(zhǎng)閃耀的光柵，第二光柵(2)為自準(zhǔn)直條件下對(duì)中心波長(zhǎng)閃耀的光柵。
全文摘要
一種飛秒脈沖壓縮裝置，由兩平行放置的第一光柵和第二光柵構(gòu)成，所述的第二光柵的光柵線密度是第一光柵的光柵線密度的二倍，待壓縮的飛秒脈沖光垂直入射至第一光柵表面，第二光柵位于第一光柵的一級(jí)衍射光的光路上。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全反射式結(jié)構(gòu)，無(wú)材料色散，體積小，重量輕輸出脈沖無(wú)光譜空間走離和無(wú)角色散等優(yōu)點(diǎn)，在飛秒激光壓縮中有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1908798SQ20061003028
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者周常河, 鄭將軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所