CN100504514C - 一种用于飞秒激光的声光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞秒脉冲的声光调制器，包括两个声光偏转器，两个声光偏转器反向平行放置，且声波频率相等，两个声光偏转器的间距为L±10%L，L值满足(I)式要求，式中v和f分别为声光偏转器中声波速度和频率，GDD_m为声光偏转器带来的材料色散，λ为激光波长。本发明在声光偏转器对不同波长激光的强度进行调制时，可实现共轴调制，同时也补偿了声光晶体对超短脉冲造成的时间和空间色散。本发明结构灵活、易于调制，适用于多光子扫描、成像和激光微加工等领域。L＝GDD_m(2πc²/λ³)(v/f)² (I)。

Description

一种用于飞秒激光的声光调制器

技术领域

本发明属于飞秒激光调制技术，具体涉及一种用于飞秒激光的声光调制器(acoustic-optical modulator，AOM)，它尤其适合于多光子激光扫描测量、成像、激光微加工等领域。

背景技术

利用声光调制器对激光功率的快速调制是一种应用非常广的技术，尤其在激光测量、成像和微加工等方面。并且声光调制器在国内外已有很大的市场。但这些声光调制器都是针对连续光源，不能应用于超短脉冲激光。而超短脉冲高瞬间峰值功率和高层析能力在激光成像和微加工领域有着非常重要的应用，是近几年来国内外应用和研究的热点。

美国专利No.6,804,000B2中使用单个棱镜1补偿单个声光偏转器2的空间色散(如图1)，该发明不能对声光偏转器的时间色散进行补偿，当入射光波长改变时从棱镜出射的光束会偏离光轴，使得后续的光路不再准直甚至无法使用。由于对于某个特定波长的激光，在光路中的光程是固定的，不能实现对相位的调制。

在E.A.Donley的文章“Double-pass acousto-optic modulatorsystem”(Review of Scientific Instruments，2005)中，使用了一个声光偏转器2、一个凸透镜3和一个反射镜4的结构(如图2)，声光偏转器2和反射镜4分别位于凸透镜3的前焦面和后焦面上，反射镜4使光束原路返回。这种结构决定了不能对声光调制器带来的时间色散进行任何的补偿，反而会二次展宽脉冲宽度，使得出射光的脉冲宽度展宽许多，该系统主要应用于连续光领域，不能应用于飞秒激光。同样，光束在这种结构的光程也是恒定的，不能实现对相位的调制。另外，由于这种结构使得各个不同波长的激光束都能原路返回，使得各个波长的激光混叠在一起，不能实现对各个波长激光进行选择性快速的切换。

飞秒激光的光谱宽度相对单色光来说非常宽，而声光偏转器是一种高色散光学元件，飞秒激光经过声光偏转器后产生空间和时间色散，引起脉冲展宽和光斑发散。如图3所示，入射光以布拉格角度i入射。零极光按直线传播。一级光与零极光之间夹角为θ。当该装置用于飞秒激光调制时，一级光因光谱存在带宽而存在Δθ的发散角，这会使原来的圆形光斑在扫描方向展为一椭圆，在脉冲时间宽度上也会因材料色散被展宽。该装置降低了飞秒激光的瞬时功率和激发效率，丧失了飞秒激光的优点。在现有系统中通常采用光栅对或棱镜对来实现空间和时间色散的压缩。声光调制器近几年来在激光光强调制的应用中越来越来广泛，但主要应用于连续光领域，如果应用于飞秒激光就会造成严重的空间和时间色散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于飞秒激光的声光调制器，该装置可以很好地补偿声光调制器带来的时间和空间色散。

本发明提供的用于飞秒脉冲的声光调制器，包括两个声光偏转器，两个声光偏转器反向平行放置，且声波频率相等，两个声光偏转器的间距为L，L值满足(I)式要求：

$L={\mathrm{GDD}}_m\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^3}{\left(\frac{v}{f}\right)}^2---\left(1\right)$

式中v和f分别为声光偏转器中声波速度和频率，GDD_m为二个声光偏转器带来的群延时，λ为激光波长。

本发明装置可以将不同波长的入射激光共轴输出，即入射光波长改变时出射光仍按原方向出射。并且可以完全补偿声光调制器带来的时间和空间色散。本发明不仅可以用于飞秒激光也可以直接用于连续光的调制，它可以在一定波长间隔的连续光或飞秒激光间进行快速的切换。对某一固定波长的激光可以通过改变光程来实现对相位的快速调制。由于本发明既能实现声光调制器的空间和时间色散补偿，还能实现对相位的快速调制，因此适用于多光子系统，包括多光子激光扫描测量成像、激光微加工等领域。

附图说明

图1为棱镜补偿单个声光调制器空间色散原理示意图。

图2为用一个声光调制器利用凸透镜和反射镜补偿空间色散原理示意图。

图3为声光调制器对飞秒激光空间和时间色散示意图。

图4为实现共轴输出时入射光波长与声光调制器工作频率的关系图。

图5为本发明装置结构示意图。

图6为二个声光调制器间间距与出射激光脉冲宽度的关系图。

图7为二个声光调制器间距为65cm时，入射激光的波长与出射激光脉冲宽度的关系图。

图8为本发明实现相位调制的原理示意图。

图9为频差与相差关系图。

图10为本发明切换740nm、780nm、820nm、860nm、900nm五个波长的飞秒激光入射和出射系统时的光谱图。光谱成分没有损失。

图11为本发明装置的应用实例图。

图12为最大调制功率下激光波长与系统透过率关系图。

图13为本发明装置另一种应用实例图。

图14a为原始飞秒激光的脉冲宽度；图14b为飞秒激光经过一个声光调制器时展宽的脉冲宽度；图14c为飞秒激光经过本装置补偿时间色散后的脉冲宽度。

图15为用补偿后的飞秒激光和没有补偿的飞秒激光对荧光层做Z扫描时信号强度的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

为了实现对于不同入射激光进入系统后，出射光不偏离光轴，声光调制器中的声波频率需要做相应调制。激光经过声光调制器后出射角θ公式如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λf}}{v}---\left(I\right)$

其中λ为入射激光的波长，f为声光调制器中声波的发射频率，v为声波在声光晶体中的速度。

如果入射激光的波长和声光调制器中声波频率的乘积是一常数便可实现共轴调制。假设开始调光路时是按某一波长λ_m激光和声光调制器工作在某一频率f_m下进行的，对于不同波长λ_i的入射光声光调制器的频率f_i计算方法如下：

$f_i=\frac{\mathrm{\θv}}{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_m{f}_m}{\mathrm{\λi}}---\left(\mathrm{II}\right)$

声光调制器工作频率和波长λ的关系如图4所示。

如图5所示，本发明包括第一声光偏转器5和第二声光偏转器6，二个声光偏转器反向放置使得声波的传播方向相反，距离为L，L值计算方法如下：

$L={\mathrm{GDD}}_m\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^3}{\left(\frac{v}{f}\right)}^2---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，c为光速，GDD_m是二个声光偏转器晶体材料所带来的群延时，如果需要补偿光路中其他色散元件带来的时间色散，此时GDD_m应取光路中所有元件带来的群延时量的总合，从而同时补偿光路中其他色散元件带来的时间色散。

图6为脉冲宽度与距离L的关系图。在飞秒激光波长800nm，初始脉宽为141fs，声光偏转器所加频率为96MHz的情况下，二个声光偏转器之间距离L改变时，出射光的脉冲宽度。从图中可以看出当L增加时，补偿量增加，脉冲宽度减小，在距离约为65cm时完全补偿系统时间色散。当L>65cm时进入过补偿区域，脉冲带宽开始增加。

如图7所示，当确定L后波长λ改变时脉宽仍然有被压缩的效果，均小于160fs。在飞秒激光波长800nm，声光偏转器所加频率为96MHZ，二个声光偏转器之间距离L为65cm的情况下。不同波长的飞秒激光入射时，出射激光的脉冲宽度。

本发明的这种结构除了具有作为声光调制器所应具备调制激光强度的基本功能外，还具备如下功能：对于不同波长的入射光仍可以共轴输出；既能补偿声光器件本身的空间和时间色散外还可以补偿光路中其他色散元件带来的时间色散；又可以对相位进行快速调制；还可以直接应用于连续激光系统或连续激光和飞秒激光的混合系统。

由于飞秒激光经过两个反向平行放置的声光偏转器时空间色散量为：

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{f_1}{v}-\frac{f_2}{v}---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中f₁，f₂分别为第一个和第二个声光偏转器中声波的频率，v为声光晶体中的传播速度。所以当f₁和f₂相等时即可消除系统中的空间色散。

如图8所示，对于某一波长的入射光，假定二个声光偏转器工作在频率f下，当二个声光偏转器工作频率变为f+Δf时，相差Δω为：

$\mathrm{\Δ\ω}=L(\sin \mathrm{\θ}+1)\×\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}\×\frac{2\mathrm{\π}}{v}\×\mathrm{\Δf}---\left(V\right)$

其中L为二个声光偏转器的间距，这个间距满足公式(III)，θ为声光晶体的布拉格角。Δf的范围为±0.75MHz，所能提供的相差范围为9921rad，并且没有空间和时间色散。图9为频差和相差关系图。

由于第二个声光偏转器的通光孔径有限，并且二个声光偏转器相隔L和布拉格角的作用，使得本发明有可调谐滤波的作用，由前所述，每个波长的入射光λ都对应者与之相匹配的频率f，如果f的取值与λ不相匹，则从第一个声光偏转器出来的光会偏离光轴使得经过第二个声光偏转器时衍射效率非常低甚至不能通过通光孔径，所以可以实现快速切换一定间隔波长的功能，这是图2所示结构所无法做到的。由于连续激光没有时间色散的问题，所以本发明可以直接应用于连续激光。对于飞秒激光，波长分辨率为30nm(如图10所示)，使得飞秒激光所有光谱成分通过并可以有效区分间隔30nm的飞秒或连续激光，这样可以实现多个波长激光(包括飞秒激光和连续激光)间的快速切换。

最后对出射激光强度的调制可以通过对声光偏转器功率的调制来实现。

如果声光偏转器会改变激光偏振态，则二个声光偏转器间设有1/2波片；如果声光偏转器不改变偏振态，则二个声光偏转器间可不设1/2波片。实例1：

根据图11所示，从激光器7出射的准直激光(800nm)经过工作频率都在96MHz的第一和第二声光偏转器5、6后打到白屏9上，用CCD 8观察并记录下位置，改变激光器的波长(710nm)，此时激光不能通过系统，白屏9上没有光点，改变二个声光偏转器的工作频率为108.2MHz，用CCD 8观察到激光又打到了白屏9上的同一位置。改变激光器7波长为990nm，此时白屏上没有光点，改变二个声光偏转器的工作频率到77.6MHz，用CCD 8观察到激光仍打到了白屏9上的同一位置。改变这二个声光偏转器中的任意一个或二个的功率可以实现对衍射效率的调制，调制范围为0-89％，整个系统对不同波长λ的最大透过率为77-89％(如图12所示)。本装置不仅可以用于飞秒激光，而且可以直接应用于连续激光，因为连续光不存在时间色散的问题，所以本发明可以应用于连续激光和飞秒激光的混合系统中，并且可以通过对声光偏转器频率的设定来对特定波长进行快速切换(10MHz)。

实例2：

根据图13所示原理示意图，一束脉冲宽度为141fs(如图14a)的飞秒激光(800nm)经过第一个声光偏转器5，此时声光偏转器的频率设为96MHz，此时飞秒激光被展宽为345fs(如图14b)，并且有空间色散，当飞秒激光在二个声光偏转器之间传输距离L后，时间色散被过补偿，其过补偿量刚好可以抵消第二个声光偏转器6所带来的时间色散。飞秒激光经过第二个声光偏转器6后，其空间色散也完全补偿了，并且出射光也没有了时间色散，其脉冲宽度仍为141fs(如图14c)。分别用完全色散补偿后的141fs和没有色散补偿的345fs相同功率激光(2mW)对绿色荧光样品层13用40倍物镜12做Z向扫描，二色镜10用来分离激发光和荧光，用PMT11来采集荧光信号。141fs的飞秒脉冲可以激发荧光蛋白，345fs的光束在此功率下不能激发荧光蛋白产生荧光信号(如图15所示)。图中分别用完全色散补偿(本发明装置)后的141fs激光和经过单个声光偏转器没有色散补偿的345fs激光在激光器输出功率相同的情况下，激发绿色荧光样品所得的信号强度，其强度比约为5.8：1。

Claims (3)

1、一种用于飞秒脉冲的声光调制器，其特征在于：包括两个声光偏转器，两个声光偏转器反向平行放置，且声波频率相等，两个声光偏转器的间距为L，L值满足(I)式要求：

$L={\mathrm{GDD}}_m\frac{2\mathrm{\π}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^3}{\left(\frac{v}{f}\right)}^2---\left(I\right)$

式中v和f分别为声光偏转器中声波速度和频率，GDD_m为二个声光偏转器带来的群延时，λ为激光波长。

2、根据权利要求1所述的声光调制器，其特征在于：该装置提供相差，相差满足公式(II)要求：

$\mathrm{\Δ\ω}=L(\sin \mathrm{\θ}+1)\×\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}\×\frac{2\mathrm{\π}}{v}\×\mathrm{\Δf}---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中L为二个声光偏转器的间距，L满足公式(I)要求，θ为声光偏转器的布拉格角，Δf为声波的频率改变量。

3、根据权利要求1或2所述的声光调制器，其特征在于：当声光调制器改变激光偏振态时，两个声光偏转器之间设有1/2波片。

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