CN100442134C - 飞秒脉冲压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种飞秒脉冲压缩装置，由两平行放置的第一光栅和第二光栅构成，所述的第二光栅的光栅线密度是第一光栅的光栅线密度的二倍，待压缩的飞秒脉冲光垂直入射至第一光栅表面，第二光栅位于第一光栅的一级衍射光的光路上。本发明具有结构简单，全反射式结构，无材料色散，体积小，重量轻输出脉冲无光谱空间走离和无角色散等优点，在飞秒激光压缩中有重要的应用前景。

Description

飞秒脉冲压缩装置

技术领域

本发明涉及飞秒脉冲压缩技术领域。

背景技术

飞秒脉冲具有非常高的峰值功率，持续时间短，因此在物理、化学、生物、制造和加工等领域应用广泛。

钛宝石飞秒激光器是目前最广泛使用的商品化飞秒激光器。由于钛宝石是正色散的光学元件，其产生的飞秒脉冲光具有正的啁啾，也就是说飞秒脉冲光被展宽了，因此，目前几乎所有的钛宝石飞秒激光器都必须使用负色散元件对展宽的飞秒脉冲光进行压缩。负群速色散对超短脉冲的压缩过程至关重要，通常使用的压缩方法是利用衍射元件，如光栅对、棱镜对。目前最广泛使用的飞秒脉冲的压缩器就是采用棱镜对。几乎所有的钛宝石飞秒激光振荡器均需要后接一个棱镜对，用以压缩飞秒脉冲激光。

棱镜对压缩飞秒激光的原理如下：当正啁啾脉冲经过第一个棱镜后，产生角色散，经自由空间的传输和第二个棱镜后，产生的负群速色散，调节两个棱镜对的距离可调节负群速色散量，使脉冲得以压缩。同时经过第二个棱镜后，角色散得到补偿。棱镜引起的角色散还引起频谱空间走离效应，这使得出射光束光斑大小畸变、脉冲倾斜、波前畸变等一系列变化，这些变化往往是不利于脉冲的产生和控制的。或者利用对称放置另外一对棱镜，以得到脉宽压缩和消除空间谱分离的的高质量出射脉冲。但是棱镜等光学元件越多，除结构复杂不利于操作外，压缩的效率就越低。同时，更重要的是飞秒脉冲还具有宽光谱特性，在传输的过程中，直接透射过某种介质，出射脉冲相对入射脉冲会由于介质材料的色散特性而产生的变化，介质越厚引起的改变量越大。使用棱镜、透射光栅、半透半反镜等透射元件都会引起输入脉冲的较大改变。使用反射元件，可完全避免材料色散的影响。棱镜对相对光栅对而言，主要的优点就是能量损失小，但缺点是光路太长，体积庞大，光学元件过多，会引起高阶色散和飞秒光束的空间展宽。这时，往往又需要采用透镜对其空间压缩，结果使得飞秒激光的压缩系统的空间结构更加庞大，而飞秒激光的光束质量会有所下降。而反射光栅的则具有与材料无关，可忽略高阶色散，光路较短，压缩系统体积小，重量轻等优点。选择合适的光栅，减少光栅的数目，可提高衍射效率。

Treacy早在1969年就研究过采用成对的反射式光栅对超短脉冲的展宽和压缩作用[IEEE J.Quantum Electron.QE-5，454-458(1969)]。Martinez对这种光栅对对有限束径超短脉冲的压缩进行过详细的理论分析[J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]。Morou等人创新性的提出了CPA技术[Opt Comm56.219-221(1985)]，就是采用光栅对的飞秒激光展宽和放大技术，CPA技术已经成为了获得高能量飞秒激光的基本技术。

以前的技术大多研究的是高密度光栅。最近，在先技术1[周常河，李国玮，发明专利申请号：200510026066.9]提出采用低密度的达曼光栅对的飞秒激光分束技术，该技术核心是使用低密度光栅对分光，利用多个衍射级次，对每个单独的级次都采用相同密度的达曼光栅进行补偿。在先技术2[周常河，戴恩文，发明专利，申请号：200510026555.4]采用低密度的光栅对飞秒激光进行测量；在先技术3[周常河，白冰，利用达曼光栅对产生多脉冲的装置，发明专利，已申请]采用低密度光栅对再接反射镜的结构，实现飞秒激光的共线分束和压缩。

以前的所有的光栅对的技术中，两个光栅的密度是相等的。本发明首次提出二倍密度匹配光栅对的思想，第二个补偿光栅的密度是第一个光栅密度乘以衍射级次的二倍，因此，进入第二个光将原路返回，这样，将使整个光路结构非常简单。本方案仅仅采用两块反射光栅，就可以获得同以前的原路返回光栅对装置同样的压缩效果，而且结构简单，衍射效率高。本装置既可用于飞秒激光腔内压缩，也可用于腔外压缩。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种飞秒脉冲压缩装置，该飞秒脉冲压缩装置颖具有结构简单、压缩效率高、输出脉冲无光谱空间走离和无角色散的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒脉冲压缩装置，其特征是由两平行放置的第一光栅和第二光栅构成，所述的第二光栅的光栅线密度是第一光栅的光栅线密度的二倍，待压缩的飞秒脉冲光垂直入射至第一光栅表面，第二光栅位于第一光栅的一级衍射光的光路上。

所述的第二光栅放置于一滑动导轨上，移动以调节两光栅的间距，产生不同脉宽的输出脉冲。

所述的第一光栅为垂直入射下对输入脉冲中心波长闪耀的光栅，第二光栅为自准直条件下对中心波长闪耀的光栅。

本发明的技术效果如下：

本发明装置仅使用了二倍密度光栅作第二光栅，不需要使用反射镜，在较短的距离上输出脉冲被压缩，结构更加简单，体积更小，容易操作，效率更高。本装置可用于产生高质量的无空间啁啾，无角色散的压缩的飞秒脉冲。该装置选用合适的闪耀光栅，可以使得标量理论衍射效率接近100％。

附图说明

图1为本发明飞秒脉冲压缩装置的结构示意图。

图2正啁啾脉冲入射下，输出脉冲宽度随光栅对垂直间距的变化。入射脉冲中心波长为815nm，脉宽为83.58fs，啁啾量为3.12×10^-4rad/fs²，光栅1的线密度分别取为25线/毫米、50线/毫米、100线/毫米、200线/毫米。标出的特殊点为具体实施实验中的情形。

图3本发明飞秒脉冲压缩装置实施例脉宽压缩的实验曲线

测量输出脉宽的压缩变化。入射波中心波长为815nm，脉宽为83.58fs，啁啾量为3.12×10^-4rad/fs²，第一光栅1的线密度为25线/毫米，光栅对间距L为30厘米。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明飞秒脉冲压缩装置的结构示意图。由图可见，本发明飞秒脉冲压缩装置是由两平行放置的第一光栅1和第二光栅2构成的，所述的第二光栅2的光栅线密度是第一光栅1的光栅线密度的二倍，待压缩的飞秒脉冲光垂直入射至第一光栅1表面，第二光栅2位于第一光栅1的一级衍射光的光路上。

入射飞秒脉冲垂直入射至第一光栅1表面，其一级衍射光被第二光栅2原路返回，最后经过第一光栅1出射。第二光栅2的光栅密度为第一光栅1的光栅密度的二倍，即周期为第一光栅1的一半。入射光光束直径为D，光栅对垂直间距L可设置在足够长的距离上，使得一级衍射光和入射光分开。为了使得出射脉冲和入射脉冲分开，可使入射光沿光栅凹槽的方向偏转一个小的角度，从而使得光栅1表面上输入光斑和输出光斑分开。

在如图1所示的光栅对结构下，假设输入脉冲在时域和空域均为高斯型，根据光栅对对有限束径超短脉冲的衍射理论[J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]，结合光栅方程和Fresnel-Kirchhoff方程计算输出单个输出脉冲的性质。

根据光栅方程，垂直入射情形下，三次衍射光的衍射角θ_i分别满足sinθ₁＝λ/d₁，sinθ₁+sinθ₂＝λ/d₂，sinθ₃＝λ/d₁.根据光栅密度关系：1/d₂＝2/d₁可知，θ₁＝θ₂＝θ₃。垂直入射情形下，所有衍射光均取一级衍射的情形下，光束将严格原路返回。

输入光束具有一定的束径，具有一定的发散角。考虑到实际运用中的飞秒激光束发散角小，准直性好，可以采取小角度近似方法来分析。以高斯光束入射，则计算得到出射脉冲在频域的表达为：

$a_6(x_6,y_6,\mathrm{\ω})\∝\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}_3\mathrm{\ω}{x}_6\right)a_5(x_6{\mathrm{\α}}_3,y_6,\mathrm{\ω})$

$=a_i\left(\mathrm{\ω}\right)\exp (-i\frac{k}{2}\frac{{y_6}^2}{q(d+2z)})\×\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}^{2}z\right)$

$\×\exp (-i\frac{k}{2}\frac{1}{q(d+{2\mathrm{\α}}^{2}z)}{x_6}^2)$

其中a_i(ω)是入射脉冲频谱，(x₆，y₆)是出射面空间坐标，ω为频率同脉冲中心频率的差，β与α均来自于小角度近似：Δθ＝αΔγ+βω，其中γ为入射角，θ为衍射角。q(d)＝d+iπσ²/λ，其中σ为高斯光束束腰半径。z为中心频率分量垂直入射在两光栅间传输的距离。上式中无频率和空间项的耦合，这说明输出脉冲无空间啁啾和角色散，脉宽不随传输的距离改变，空间传输遵从高斯光束的性质。根据傅立叶变换，将得到脉冲时域的分布也不存在时间项和空间项的耦合，即不存在脉冲倾斜等畸变，光束的质量优良。

光束的空间分布，从空间项可以看出，光斑的形状和波前存在一定的畸变，主要由d+2α²z同d+2z的差别决定。对于低密度光栅，如100线/mm，中心波长为800nm，则|a|＝1.00322，这使得两者差别可以忽略，光斑及波前畸变极小。一般情况下，若πσ²/λ＞＞d+2α²z以及πσ²/λ＞＞d+2z成立，畸变量也可以完全忽略。实际中，原路返回式光路引入的光斑畸变量很小。

假设输入脉冲的线性啁啾系数为b，如输入脉冲无啁啾，则b＝0。对于正常色散介质，线性啁啾系数一般为正值。入射光公式满足：

$A\left(t\right)=\exp (-2\mathrm{In}2\×t^2/{\mathrm{\τ}}^2)\exp \left({\mathrm{ibt}}^2\right)$

则输出脉冲宽度可以表示为：

${\mathrm{\τ}}^{\′}=\mathrm{\τ}\sqrt{{(1-\mathrm{AB})}^2+\frac{B^2}{{\mathrm{\τ}}^4}}$

其中：

$A=\frac{b}{2\mathrm{In}2},$ B＝8In2×kβ²z

A对应于输入脉冲的啁啾量，而B则对应于由光栅对所引入的色散，正啁啾输入脉冲将在负群速色散的作用下而实现脉宽压缩。当啁啾特性被群速色散过程完全抵消时，脉宽得到最大的压缩：

${\mathrm{\τ}}_{\min }^{\′}=\mathrm{\τ}\sqrt{1/(A^2{\mathrm{\τ}}^4+1)}$

此时有：

$B={\mathrm{A\τ}}^4/A^2{\mathrm{\τ}}^4+1$

与高密度光栅不同，低密度光栅对输入的超短脉冲影响随光栅垂直距离的改变很慢，因此可用于飞秒光脉冲的分束测量和控制上。光栅对所产生的色散量(B)取决于光束的传输距离z和所选用的光栅线密度，B正比于光栅线密度的平方和传输距离的积，随光栅密度的改变更快，当输入脉冲无啁啾且光栅线密度足够低的时候，如10线/毫米，输入脉冲和输出脉冲相比，脉宽几乎不变；若输入脉冲有一定的啁啾，在一定距离上，其输出脉宽变化也很小。由于激光介质通常为正色散介质，输出的飞秒脉冲带有正啁啾，光栅通过角色散引入负群速色散来补偿，这会带来一定的压缩效果。如果所取的光栅的线密度较大，引入负群速色散随距离变化就较快，压缩效果更明显，如图2所示。

本发明中，可以通过一定的距离上，而选择不同密度的光栅对调节输出脉宽，也可以将第二光栅2放置于移动导轨上，通过调节距离，获得不同的脉冲宽度。光栅可选择闪耀光栅，使得标量理论衍射效率接近于100％。

利用微光学技术制作Dammann光栅两片，第二光栅2的线密度为第一光栅1的两倍。实际制作的第一光栅1的线密度为25线/毫米，第二光栅2的线密度为50线/毫米。在制作好的光栅表面镀银和相应的保护膜，这样得到的Dammann光栅的一级衍射效率大约为40％，因此本实施例压缩装置输出双脉冲的总效率为6.4％左右。第二光栅2放置在水平导轨上。第一光栅1的线密度为25线/毫米，第二光栅2的线密度为50线/毫米，两光栅之间的垂直间距为30厘米。实验中，使用Ti:Sapphire飞秒激光器产生80～100飞秒左右的脉冲。输入光束沿光栅线方向偏转一个小角度δ，使得输出脉冲同输入脉冲成2δ角度，在一定的距离上可将它们完全分开。实验中，输入脉冲和输出脉冲均可用标准FROG装置进行测量，所得时谱图网格为128×128，使用的非线性介质为100μm厚的偏硼酸钡(以下简称为BBO)晶体，使用16位的光谱仪(InSpectrum 300，Acton)。光谱仪测量激光器输出脉冲中心波长为815nm，FROG解得其脉冲宽度(FWHM)为83.58fs，时域啁啾为3.12×10^{- 4}rad/fs²，FROG误差为2.27‰。如图3所示，输出脉冲脉宽为63.59fs，被压缩至原始脉冲宽度的78.2％，和理论值(65.39fs)非常接近，FROG为1.84‰。使用Dammann光栅完全的验证了该装置的可靠性，考虑到其衍射效率偏低，可选择合适的光栅，如正入射对中心波长闪耀的光栅作为第一光栅1，则使得第一次衍射效率接近1，使用自准直情形下对中心波长闪耀的光栅作为第二光栅2，这样，压缩系统总的标量理论衍射效率接近100％。也可以使用微光学套刻技术，制作台阶型光栅作为闪耀光栅使用。

本发明装置相对常用的光栅对，仅使用了二倍密度光栅作第二光栅，不需要使用反射镜，结构更加简单，体积更小，容易操作，效率更高。本装置可用于产生高质量的无空间啁啾，无角色散的压缩的飞秒脉冲。

Claims (3)

1、一种飞秒脉冲压缩装置，其特征是由两平行放置的第一光栅(1)和第二光栅(2)构成，所述的第二光栅(2)的光栅线密度是第一光栅(1)的光栅线密度的二倍，待压缩的飞秒脉冲光垂直入射至第一光栅(1)表面，第二光栅(2)位于第一光栅(1)的一级衍射光的光路上。

2、根据权利要求1所述的飞秒脉冲压缩装置，其特征在于所述的第二光栅(2)放置于一滑动导轨上，移动以调节两光栅的垂直间距，产生不同脉宽的输出脉冲。

3、根据权利要求1所述的飞秒脉冲压缩装置，其特征在于所述的第一光栅(1)为垂直入射下对输入脉冲中心波长闪耀的光栅，第二光栅(2)为自准直条件下对中心波长闪耀的光栅。

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