CN100388059C - 超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，包括一记录了体全息光栅的晶体，该体全息光栅的光栅矢量与晶体的光轴方向一致，该晶体前在待整形的脉冲激光光束的入射方向有一宽带偏振旋转器，在该晶体透射光束方向置有第二偏振器，在该晶体的衍射光束方向置有第三偏振器。与先前技术相比，本发明对于输入的脉冲激光光束的整形，通过调制其偏振状态就可实现，调制范围可以通过选择光栅参量而改变，整形出来的光束选择性大，整形的范围可调。

Description

超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置

技术领域

本发明涉及脉冲激光光束整形装置，尤其是一种基于体全息光栅偏振调制的超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，可应用于激光测量及信息处理等技术领域。

背景技术

随着脉冲激光光束产生技术的发展，光脉冲整形技术作为超短脉冲激光光束产生的补充手段，为超快光谱学，非线性光纤光学和强场物理提供了前所未有的控制超短光脉冲波形的手段而得到了广泛的研究。人们已经发展了一系列光波形合成或脉冲整形的技术方法。其中对于大于1ns的脉冲激光光束，可以直接利用电光介质的Kerr效应对其整形，而对于更短些的脉冲，可利用时域Fourier变换进行整形，其核心是利用模板(Mask)对在空间色散开来的各频率成分进行平行调制，最终达到脉冲整形的目的，目前已经成为一种主流技术。所用的模板有利用微细加工制作的振幅掩模板和相位掩模板(参见在先技术[1]：A.M.Weiner，J.P.Heritage，and E.M.Kirschner，″High resolutionfemtosecond pulse shaping，″J.Opt.Soc.Am.B 5，1563-1572，1988)，阵列型液晶空间光调制器(参见在先技术[2]：A.M.Weiner，″Femtosecond Pulse Shaping Using Spatial Light Modulators″，Rev.Sci.Instr.71，1929-1960，2000)、声光调制器(参见在先技术[3]：C.Hillegas，J.X.Tull，D.Goswami，D.Strickland，and W.S.Warren，“Femtosecond laser pulse shaping by use of microsecondradio-frequency pulses，”Opt.Lett.19，737(1994).M.A.Dugan，J.X.Tull，and W.S.Warren，“High-resolution acousto-opticshaping of unamplified and amplified femtosecond laser pulses”J.Opt.Soc.Am.B 14，2348-2358，1997.)等。但在先技术[1]不易提供连续的位相变化，每个实验必须制造新的模板，在先技术[2]不能在高重复速率系统中应用，且低于50fs的范围内没有声光调制器的报道，在先技术[3]虽然使用较多，但需要复杂的计算，而不能满足目前控制脉冲激光光束特别是对高速的脉冲激光光束的需要。

由于体全息光栅易于实现动态处理，多功能化和易于集成等优点，使它在超短脉冲激光光束的传输整形中得到了应用，参见在先技术[4](Y.Ding，D.D.Nolte，Z.Zheng，et al..Brost，Bandwidth studyof volume holography in photorefractive InP：Fe for femtosecondpulse readout at 1.5μm.J.Opt.Soc.Am.(B)，1998，15(11)：2763~2768)。该技术给出对偏振方向垂直于入射面的脉冲光束，可以通过改变光栅的光栅参量，主要是光栅的光栅周期及光栅厚度而实现对其进行整形的目的。目前使用的记录体全息光栅的介质大部分是各向异性的，但该技术并没考虑待整形的光束偏振状态的改变对脉冲整形的结果产生的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，要求该装置能动态地、多功能地对超短脉冲激光光束进行整形，又结构简单，使用方便。

本发明的实质是利用体全息光栅的Bragg波长选择性及光栅记录材料的折射率及折射率调制度的光学各向异性，对输入的脉冲激光光束，通过调整其偏振状态而得到不同波形及带宽的脉冲激光光束，实现对光束整形的目的，且该装置调制的光谱宽度或脉冲宽度的范围可以通过选择光栅参量而调制。

本发明的技术解决方案如下：

一种超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，其特征在于包括一记录了体全息光栅的晶体，该体全息光栅的光栅矢量与晶体的光轴方向一致，该晶体前在待整形的脉冲激光光束的入射方向有一宽带偏振旋转器，在该晶体透射光束方向置有第二偏振器，在该晶体的衍射光束方向置有第三偏振器。

所述的晶体是光学各向异性的双掺杂的LiNbO₃晶体，即LiNbO₃:Fe:Mn或者LiNbO₃:Ce:Cu单晶。

在待整形的脉冲激光光束的入射方向所述的宽带偏振旋转器之前还有一第一偏振器。

本发明装置中各向异性晶体的体全息光栅，用于对脉冲激光光束进行振幅及相位的调制；宽带偏振旋转器，用于调制输入的线偏振的脉冲激光光束的偏振状态；第一偏振片，用于保证被整形的输入脉冲激光光束为线偏振光束；该晶体透射光束方向置有第二偏振器，在该晶体的衍射光束方向置有第三偏振器，分别用于取出不同偏振状态的透射脉冲激光光束及衍射脉冲激光光束。

对比在先技术，本发明装置通过调制脉冲激光光束的偏振状态，实现对其整形的目的，而且调制范围可以通过调制光栅参量而控制，整形出来的光束选择性大，整形的范围可调，操作简便，特别适应于光通讯器件的小型化和集成化发展的需要。

本发明的基本思想如下：

一束线偏振的超短脉冲激光光束入射到体全息光栅中，由于记录光栅的介质的光学各向异性，当入射脉冲激光光束的偏振状态改变时，输出脉冲激光光束的强度在频谱域及时间域的分布也随之改变，即其光谱宽度、脉冲宽度及波形发生了相应的变化。体全息光栅的光栅参量发生改变时，偏振调制的光谱宽度或脉冲宽度变化的范围也相应发生变化。因此利用体全息光栅，通过调制入射脉冲激光光束的偏振状态，可以得到不同脉冲宽度和波形的输出脉冲激光光束，实现对脉冲激光光束进行整形的目的。

附图说明

图1是本发明超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置一个具体实施例的基本结构示意图。

图2是光栅参量不同时，偏振调制的光谱带宽的变化曲线。

图3是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L1透射脉冲激光光束中垂直于入射面的偏振分量的强度在频谱域的分布及波形变化的曲线。

图4是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L1透射脉冲激光光束中垂直于入射面的偏振分量的强度在时间域的分布及波形变化的曲线。

图5是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L1透射脉冲激光光束中平行于入射面的偏振分量的强度在频谱域的分布及波形变化的曲线。

图6是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L1透射脉冲激光光束中平行于入射面的偏振分量的强度在时间域的分布及波形变化的曲线。

图7是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L2衍射脉冲激光光束中垂直于入射面的偏振分量的强度在频谱域的分布及波形变化的曲线。

图8是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L2衍射脉冲激光光束中垂直于入射面的偏振分量的强度在时间域的分布及波形变化的曲线。

图9是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L2衍射脉冲激光光束中平行于入射面的偏振分量的强度在频谱域的分布及波形变化的曲线。

图10是输入脉冲宽度为30fs时，整形后的L2衍射脉冲激光光束中平行于入射面的偏振分量的强度在时间域的分布及波形变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

先请参阅图1，图1是本发明超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置一个具体实施例的基本结构示意图。由图可见，本发明超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，包括一记录了体全息光栅的晶体1，该体全息光栅的光栅矢量K与晶体1的光轴方向一致，该晶体1前在待整形的脉冲激光光束L0的入射方向有一宽带偏振旋转器2，在该晶体1透射光束L1方向置有第二偏振器4，在该晶体1的衍射光束L2方向置有第三偏振器5。

所述的晶体1是光学各向异性的双掺杂的LiNbO₃晶体，即LiNbO₃:Fe:Mn或者LiNbO₃:Ce:Cu单晶。在待整形的脉冲激光光束L0的入射方向所述的宽带偏振旋转器2之前还有第一偏振器3。

体全息光栅记录在有光学各向异性的晶体1中，待整形的脉冲激光光束L0经过第一偏振器3和一个宽带偏振旋转器2后，以θ角入射至晶体1，且在晶体1中的折射角即为所记录的体全息光栅的布喇格角，经体全息光栅后，输出透射脉冲激光光束L1和衍射脉冲激光光束L2，它们分别经过置于体全息光栅后的透射脉冲激光光束L1和衍射脉冲激光光束L2传播方向上的第二偏振器4和第三偏振器5，形成整形后的脉冲激光光束L3和L4。

图1中所述的有光学各向异性的晶体为双掺杂的LiNbO₃晶体，是高温氧化处理的同组分LiNbO₃:Fe:Mn或者LiNbO₃:Ce:Cu单晶。其光轴沿x轴方向。晶体1中所记录的体全息光栅是用两色光两中心记录法记录的，参见K.Buse，A.Adibi，et al.，Nature，397(7)，pp.665-668，1998，Nonvolatile holographic storage holograms in doubly doped lithiumniobate crystals，所记录的光栅的光栅矢量沿x轴方向。

图1中所述的宽带偏振旋转器2置于晶体1前，用来改变待整形的激光光束的偏振状态，使入射的脉冲激光光束的偏振矢量与图1中xz面的夹角

的大小发生变化，从而使入射的脉冲激光光束中垂直和平行于入射面的光束振幅分量发生改变。

图1中所述的第一偏振器3置于宽带偏振旋转器2前，用于保证待整形的脉冲激光光束L0经过偏振器3后为线偏振的脉冲激光光束。

图1中所述的第二偏振器4和第三偏振器5置于晶体1后。因为在从光栅出射的脉冲激光光束L1和L2中，既有垂直于入射面又有平行于入射面的光束分量，如果需要得到偏振方向垂直于入射面的光束分量，只需调整第二偏振器4和第三偏振器5，使其透光轴方向垂直于入射面；如果需要使用偏振方向平行于入射面的光束，只需调整第二偏振器4和第三偏振器5，使其透光轴方向平行于入射面且垂直于各自的光束传播方向。

对本发明的详细分析如下：

在晶体1中，所记录的体全息光栅的光栅矢量K与光轴方向一致，都沿x轴方向，Λ为光栅周期，d为光栅厚度，且K＝2π/Λ。

待整形的脉冲激光光束L0，通过第一偏振器3后，其振幅分布为u₀(t)，通过宽带偏振旋转器2后以θ角入射至晶体1中，其中心波长为λ₀，偏振矢量

为光栅的偏振矢量与xz面之间的夹角，即为文中的偏振角。由于晶体1的各向异性，任意线偏振的超短脉冲激光光束的每一频谱成分在体全息光栅中均被分为偏振矢量垂直于入射面的o光束

和偏振矢量平行于入射面的e光束

两种本征偏振态的光束分别衍射。类似于Kogelnik耦合波理论，设光栅中只有透射光L1：R_i(z，λ)e_ri和衍射光L2：S_i(z，λ)e_si，其中i＝o或者e，分别表示光栅对偏振方向垂直于入射面的o光束和偏振方向平行于入射面的e光束衍射的情形。e_ri和e_si为归一化的偏振矢量。设θ_B为晶体1中所记录的体全息光栅的Bragg入射角，sinθ_B＝λ₀/2n_oΛ，sinθ＝n_osinθ_B。由Kogelnik的耦合波理论，可得如下耦合波方程：

cosθ_BR₁′+α(λ)R₁＝-jκ₁(λ)(e_r1·e_s1)S₁

                                                                                       (1)

其中符号’表示对z求一阶导数，α(λ)＝μcσ(λ)/2n₁(λ)，

κ₁(λ)＝πn_l1/λ-μcσ₁/8n₁(λ)，σ(λ)和n₁(λ)是体全息光栅记录介质的平均电导率和折射率，n_l1和σ₁分别是n₁(λ)和σ(λ)的调制度，n₁(λ)可由Sellmeier公式给出。

对于读出光在晶体1中的正常光分量，(e_ro·e_so)＝1，而对于非常光分量，我们得到(e_re·e_se)＝cos(2θ_B)。考虑光栅介质的色散效应，对

作一阶Taylor展开可得：

其中从：Δλ＝λ-λ₀， $N_i^{-1}=(\mathrm{\λ}/n_i\left(\mathrm{\λ}\right){)}^{\′}{|}_{\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0},$ 这里符号’表示对λ求一阶导数，由此可得L1和L2光束中不同偏振分量的脉冲光束的振幅R₁(d，λ)和S₁(d，λ)，分别为：

$R_i(d,\mathrm{\λ})=R_i(0,\mathrm{\λ})\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_B)\exp \left(j{\mathrm{\ξ}}_i\right)[-\frac{j{\mathrm{\ξ}}_i\sin {({{\mathrm{\υ}}_i}^2+{\mathrm{\ξ}}_i^2)}^{1/2}}{{({{\mathrm{\υ}}_i}^2+{\mathrm{\ξ}}_i^2)}^{1/2}}+\cos {({{\mathrm{\υ}}_i}^2+{\mathrm{\ξ}}_i^2)}^{1/2}]---\left(2\right)$

$S_i(d,\mathrm{\λ})=-j{R}_i(0,\mathrm{\λ})\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_B)\exp \left(j{\mathrm{\ξ}}_i\right)\frac{\sin {({{\mathrm{\υ}}_i}^2+{\mathrm{\ξ}}_i^2)}^{1/2}}{{(1+{\mathrm{\ξ}}_i^2/{\mathrm{\υ}}_i^2)}^{1/2}}$

其中

ν₁＝κ₁(e_r1·e_s1)d/cosθ_B

                                                                  (3)

不考虑光栅介质的吸收时，σ(λ)＝0，σ₁＝0，κ₁(λ)＝πn_l1(e_r1·e_s1)/λ。

由线性电光效应产生的空间电荷场E_sc及光栅矢量均平行于晶体的光轴，且都沿x方向。对于光栅中的垂直偏振的光束分量，光栅折射率调制度的大小为 $n_{1o}=-n_o^3\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\mathrm{\γ}}_{13}{E}_{\mathrm{sc}}/2,$ n₀。为相应于中心波长λ₀的晶体的o光折射率。而对于平行偏振的光束分量，光栅折射率调制度的大小为 $n_{\mathrm{le}}=-[-{\mathrm{\γ}}_{13}{n}_o^4\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_B+{\mathrm{\γ}}_{33}{n}_e^4({\mathrm{\λ}}_0,0){\cos }^2{\mathrm{\θ}}_B]E_{\mathrm{sc}}/{2n}_e({\mathrm{\λ}}_0,{\mathrm{\θ}}_B),$ 其中γ₁₃和γ₃₃为LiNbO₃晶体的电光系数，且 $n_e({\mathrm{\λ}}_0,{\mathrm{\θ}}_B)=n_o\left({\mathrm{\λ}}_0\right)n_e({\mathrm{\λ}}_0,0)/\sqrt{n_o^2\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\cos }^2{\mathrm{\θ}}_B+n_e^2({\mathrm{\λ}}_0,0){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_B}.$

L1和L2输出脉冲激光光束各偏振分量的强度分布可由(2)式得到：

I_Ri(d，λ)＝|R_i(d，λ)|²

                                                 (4)

I_Si(d，λ)＝|S₁(d，λ)|²

进一步对方程(2)作时间域的Fourier变换，即可得L1和L2输出脉冲激光光束各偏振分量的振幅在时间域的分布r₁(d，t)和s₁(d，t)，其强度分布为：

I_r1(d，t)＝|r₁(d，t)|²

                                              (5)

I_s1(d，t)＝|s₁(d，t)|²

输出的L1和L2的脉冲激光光束的强度即为偏振状态垂直于入射面和平行于入射面的光束分量的能量之和，即

I_R(d，λ)＝|R_o(d，λ)+R_e(d，λ)|²

                                                               (6)

I_s(d，λ)＝|S_o(d，λ)+S_e(d，λ)|²

L1和L2光束分别通过第二偏振器4和第三偏振片5后，如果第二偏振器4和第三偏振器5的透光轴方向垂直于入射面，出射脉冲激光光束L3和L4的偏振矢量即垂直于入射面；如果第二偏振器4和第三偏振器5的透光轴方向平行于入射面且垂直于各自的光束传播方向，出射脉冲激光光束L3和L4的偏振矢量即平行于入射面。

脉冲的光谱宽度表示脉冲的强度降低为其最最大值的一半时所对应的光谱宽度。当入射脉冲激光光束的偏振角

改变时，出射的脉冲激光光束L3和L4的光谱宽度及强度分布也发生相应的变化。当入射到体全息光栅的脉冲激光光束的偏振矢量平行于入射面，偏振角时，光栅中只有e光束分量，此时对有不同入射光谱宽度Δλ_lnp的入射脉冲L0，衍射光脉冲L2的光谱宽度的最大值即为光栅的波长选择范围Δλ_Ge；同样，当入射到体全息光栅的脉冲激光光束的偏振矢量垂直于入射面时，偏振角衍射光脉冲L2的光谱宽度的最大值即为光栅的波长选择范围Δλ_Go。不考虑光栅记录介质的吸收时，Δλ_Go和Δλ_Ge由下式给出：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Gi}}=\frac{4{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ξ}}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_B{\mathrm{\Λ}}^2{N}_i}{\mathrm{\πd}}$ (i＝o或者e)。             (7)

其中

为对于这两种偏振状态的入射脉冲激光光束，光栅的衍射效率降低为其最大值的一半时所对应的ξ₁的平均值。

所以入射脉冲激光光束的偏振角从

逐渐改变至

时，脉冲激光光束L2的强度的最大光谱带宽将在Δλ_Ge和Δλ_Go之间变化。因此，偏振调制的脉冲激光光束L2整形的光谱宽度变化范围为：

Δλ_rang＝|Δλ_Go-Δλ_Ge|                       (8)

L2脉冲激光光束中垂直于xz面的光束分量的光谱宽度变化范围为Δλ_Go，而其平行于xz面的光束分量的光谱宽度变化范围为Δλ_Ge。对于待整形的入射脉冲激光光束，Δλ_Go，Δλ_Ge和Δλ_rang都可以通过选择体全息光栅的光栅参量而控制，即可以选择相应的光栅参量，满足偏振态调制的输出脉冲激光光束光谱宽度变化范围的需要，实现对入射的脉冲激光光束进行整形的目的。

与在先技术相比，本发明的技术效果或优点如下：

(1)利用偏振调制，操作简便

不同于在先技术，本发明装置通过调制被整形的脉冲激光光束的偏振状态，利用晶体的光学各向异性及体全息光栅的Bragg波长选择特性，而达到了控制输出脉冲的波形及带宽，实现了对其进行整形的目的。

(2)偏振调制的范围可调

与在先技术相比，由于本装置的晶体1使用有光学各向异性的LiNO₃晶体1，利用LiNO₃晶体的光折变效应，在其内较容易记录和擦除体全息光栅，且也可以记录多个体全息光栅，因此本装置晶体1中的体全息光栅的光栅参量容易改变，从而偏振调制的输出脉冲激光光束的光谱宽度或脉冲宽度的范围可以通过改变体全息光栅的光栅参量而控制。

(3)整形后输出脉冲的衍射效率较高

与在先技术中使用的模板相比，利用体全息光栅作为光束振幅和相位调制的元件，由体全息光栅较高的衍射效率输出特性可知，本装置整形输出的脉冲激光光束有的光强度较高。

(4)输出的光束有多种选择

对于待整形的输入脉冲激光光束L0，从晶体1中输出的脉冲激光光束L1和L2分别经过第二偏振器4和和第三偏振器5后，形成输出脉冲激光光束L3和L4，L1和L2，L3和L4的强度分布及波形都随入射脉冲激光光束L0的偏振角大小的改变而发生变化，可根据实际需要有多种选择。

(5)易于实现多功能化及器件的小型化和集成化

本装置所使用的LiNbO₃晶体1具有良好的压电、光弹、声光、电光、热光等效应，且在晶体中利用光折变效应可以记录多个体全息光栅，因此可以在晶体内实现多种功能，利于实现多种功能器件组合的微小化光学集成系统，特别适应于光通讯器件小型化和集成化发展的需要。

利用本发明对待整形的脉冲激光光束整形的设计步骤如下：

1选定待整形的脉冲激光光束

本装置可以对任意波形的脉冲激光光束L0进行整形。当输入脉冲L0的脉冲宽度较小，光谱宽度较大时，本装置对其整形的可调范围较大。选定待整形的脉冲激光光束，确定其中心波长、脉冲宽度及光谱宽度。

以高斯脉冲为例，其时间域的振幅分布为：

$u_0\left(t\right)=\exp ({\mathrm{i\ω}}_{0}t-\frac{t^2}{T^2})---\left(9\right)$

其中t表示时间，ω₀＝2πc/λ₀为中心频率， $T=\mathrm{\Δ\τ}/\sqrt{2\ln 2},$ Δτ为脉冲强度在时间域的脉冲宽度。其频谱域的振幅分布可由对(9)式作傅里叶变换得到：

$u_0\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{Texp}\{-{\left[\mathrm{\πTc}(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0})\right]}^2\}.---\left(10\right)$

该脉冲的光谱宽度为Δλ_lnp＝0.441λ₀ ²/cΔτ。如果取中心波长λ₀＝1.06μm，Δτ＝30fs，则可得Δλ_lnp＝55nm。

2根据整形范围的要求，选取具有相应光栅参量的体全息光栅

对于具体步骤(1)中选定的待整形的脉冲激光光束，再根据实际需要，确定需要整形输出的光束的光谱宽度及脉冲宽度变化的范围，从而确定需要选取的晶体1中所记录的体全息光栅的光栅参量。

例如对于步骤1中所述的高斯型超短脉冲激光光束，选定晶体1为双掺杂的高温氧化处理的同组分LiNbO₃:Fe:Mn或者LiNbO₃:Ce:Cu单晶。所记录的光栅的厚度d＝1mm，空间电荷场E_sc＝5.0×10⁶v/m时，图2给出了由(7)式计算得到的偏振调制的L2衍射脉冲激光光束中不同偏振分量的光束光谱宽度变化的范围Δλ_Go和Δλ_Ge随光栅周期变化的情况。由图2可以看出，选择较大的光栅周期，可得到较大的的Δλ_Go和Δλ_Ge，从而Δλ_rang也相应的变大。由(7)式可得，与Δλ_Go＝33.87nm，Δλ_Ge＝25.52nm，Δλ_rang＝8.35nm相应的光栅厚度可取d＝1mm，光栅周期取Λ＝3μm，此时L0脉冲激光光束在晶体中的光栅布喇格入射角为θ_B＝4.54°，入射至晶体的入射角为θ＝2.65°。

3实现光束的整形

①根据具体实施方式(2)中所述的方式，选取了具有相应光栅参量的体全息后，对于待整形的入射脉冲激光光束L0，根据光栅的布喇格角确定其入射至晶体1的入射角。

②根据L0入射脉冲激光光束的偏振状态，调整图1中置于晶体1前L0光路上的第一偏振器3。如果L0为线偏振光，使第一偏振器3的透光轴方向与L0的偏振矢量的方向一致；如果L0为非线偏振光，调整第一偏振器3，使从第一偏振器3出射的脉冲激光光束为线偏振光且其强度最大。

③调整置于晶体1前、第一偏振器3后L0入射脉冲激光光路上的宽带偏振旋转器2，使经过宽带偏振旋转器2后入射至晶体1的脉冲激光光束的偏振矢量与入射面xz面的夹角在0至π/2之间改变。并观察从晶体1后输出的脉冲激光光束L1和L2，它们在频谱域及时间域上的分布将发生相应的变化。

④调整第二偏振器4和第三偏振器5。第二偏振器4取出L1光束中偏振方向垂直或平行于入射面的脉冲激光光束，第三偏振器5可以取出L2光束中偏振方向垂直或平行于入射面的脉冲激光光束。如果光束整形后，需要使用偏振方向垂直于入射面的光束，则调整第二偏振器4和第三偏振器5，使其透光轴方向垂直于入射面放置。如果光束整形后，需要得到偏振方向平行于入射面的光束，分别调整第二偏振器4和第三偏振器5，使其透光轴方向平行于入射面xz面，且垂直于L1和L2光束的传播方向。

⑤根据输出的L1，L2，L3，L4脉冲激光光束的光谱宽度及波形的变化，调整宽带偏振旋转器2，选出所需的脉冲激光光束。对于上述高斯型输入脉冲激光光束，图3和图4给出了输出的L1脉冲激光光束中偏振方向垂直于入射面的光束分量在频谱域(图3)和时间域(图4)的分布，其波形与入射的高斯脉冲在时间域的分布一致；图5和图6给出了偏振方向平行于入射面的光束分量在频谱域(图5)和时间域(图6)的分布，其波形与输入的脉冲激光光束在时间域的分布相比，多出了一个旁瓣。对于输出的L2脉冲激光光束，图7和图8给出了偏振方向垂直于入射面的光束分量在频谱域(图7)和时间域(图8)的分布，其波形与输入的脉冲激光光束在时间域的分布相比，更趋于平顶化；图9和图10给出了偏振方向平行于入射面的光束分量在频谱域(图9)和时间域(图10)的分布，相比于输入的脉冲激光光束在时间域的分布，其波形已经分化为两个脉冲。

由图3-10可以看出，通过本发明装置，入射的高斯脉冲L0被整形为不同波形及带宽的激光脉冲光束。我们可以根据实际需要的脉冲激光光束在频谱域或时间域上强度分布及波形的不同，通过调整入射至本装置的脉冲激光光束的偏振状态即可得到所需的脉冲激光光束。

对于其它非高斯型的脉冲，也可采用上述类似的方法对其进行整形。

通过以上分析和试用表明，对于输入的脉冲激光光束的整形，只需通过简单地旋转调节宽带偏振旋转器、第二偏振器和第三偏振器即可实现，调制范围可以通过选择光栅参量而改变，整形出来的光束选择性大，整形的范围可调，特别适应于光通讯器件的小型化和集成化发展的需要。本发明装置能动态地、多功能地对超短脉冲激光光束进行整形，具有结构简单，使用方便的特点。

Claims (3)

1.一种超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，其特征在于包括一记录了体全息光栅的晶体(1)，该体全息光栅的光栅矢量(K)与晶体(1)的光轴方向一致，该晶体(1)前在待整形的脉冲激光光束(L0)的入射方向有一宽带偏振旋转器(2)，在该晶体(1)透射光束(L1)方向置有第二偏振器(4)，在该晶体(1)的衍射光束(L2)方向置有第三偏振器(5)。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，其特征在于所述的晶体(1)是光学各向异性的双掺杂的LiNbO₃晶体，该晶体为LiNbO₃:Fe:Mn或LiNbO₃:Ce:Cu单晶。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，其特征是在待整形的脉冲激光光束(L0)的入射方向所述的宽带偏振旋转器(2)之前还有一第一偏振器(3)。

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