CN100514013C - 超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置，该装置仅利用一块1×2反射式达曼光栅，还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、计算机控制的微动台、透镜、非线性晶体和光谱仪，本发明仅用一块反射达曼光栅和三块反射镜实现了超短脉冲光测量，从而消除了传统的透/反射式光分束器对脉冲光的影响，同时达曼光栅的制造技术与微电子加工技术相兼容，因此具有易加工、成本低的优点。

Description

超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置，它是一种采用一块反射式达曼(Dammann)光栅分束并补偿色散的多发频率分辨光学开光法的超短脉冲测量装置。

背景技术

超短激光脉冲特别是飞秒(fs＝10^-15秒)激光脉冲具有时域超短、宽光谱和高峰值功率特性，是进行各种超快现象和非线性过程研究的有力工具。

飞秒激光脉冲测量有很多种方法，其中频率分辨光学开光法(frequency-resolvedoptical gating，FROG)[参见在先技术1“Frequency-Resolved optical Gating：TheMeasurement of Ultrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002 Kluwer AcademicPublishers]和光谱位相相干电场重构法(spectral phase interferometry for directelectric-field reconstruction，SPIDER)[参见在先技术2“Spectral phaseinterferometryfor direct electric-field reconstructionof ultrashort optical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue101998]，是目前采用较多的两种方法。

现有的频率分辨光学开光法测量装置的基本结构如图1所示，飞秒激光脉冲光1被分束镜2分成两束：反射的开关脉冲和透射的探测脉冲，开关脉冲经过直角反射镜3沿着反方向反射。该直角反射镜3被固定在计算机控制的微动台4上。探测脉冲被直角反射镜5和反射镜6反射并与开关脉冲平行。然后将两束脉冲光被透镜7聚焦到非线性晶体8上，产生频率转换，信号光通过遮光板9被光谱仪10测量接收，通过微动台4改变两束光的时延差得到强度相对于时间和频率的二维图谱(FROG Trace)，对图谱应用迭代算法[参加在先技术1]得到飞秒脉冲的振幅和位相。

飞秒激光脉冲特别是非常短的脉冲具有很宽的频谱，因此理想的分束器应当具有如下性质：

1.分束器的反射膜对宽光谱具有平坦的反射率。

2.分束器对透射光的时域展宽尽量小，吸收尽量小。

3.分束器的反射率跟入射光的偏振状态无关。

但事实上目前的分束器很难达到上述要求，例如，对于20飞秒以下的超短脉冲，为了减小对透射光的时域展宽，要求反射镜片厚度不超过50微米，同时要保证表面平整度和基底强度，这是比较难加工的。另外，具有宽光谱的半透半反的膜层也很难镀制，成本也很高。

另外频率分辨光学开光法测量方法需要保证两个脉冲具有相同的光程，由图1可以看出使用的反射镜较多，这就增加了光路调节的难度。

在先技术3[Enwen Dai，Changhe Zhou，and Guowei Li，“Dammann SHG-FROGfor characterization of the ultrashort optical pulses”，Opt.Express，Vol.13，No.16，6145-6152]我们提出了一种利用达曼光栅测量超短脉冲的方法，该方法利用三块反射式达曼光栅将入射光分束并补偿色散。

发明内容

本发明提出一种超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置，该测量装置仅利用单块反射式达曼光栅代替分束镜。

本发明的技术方案如下：

一种超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置，该装置仅利用一块1×2反射式达曼光栅，还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、计算机控制的微动台、透镜、非线性晶体和光谱仪，其位置关系如下：所述的反射式1×2达曼光栅的周期为d(d>>λ_c)，深度为λ_c/4，光栅刻槽水平放置，当一束中心波长为λ_c，宽度为τ₀的飞秒脉冲光在竖直平面内传输并以一个小角度α入射到所述的1×2反射式达曼光栅上，在垂直平面内被分成—1级和+1级两束光，这两束光被放置在后面的第一反射镜重新反射到所述的反射式1×2达曼光栅上，再次衍射后得到两束平行出射的光，这两束光分别被第三反射镜和置于计算机控制的微动台上的第二反射镜反射后，再被所述的透镜聚焦在非线性晶体上，由该非线性晶体的信号光被光谱仪采集，得到图谱，根据图谱利用优化算法可以得到脉冲的振幅和位相。

所述的角度α小于2°。

因为达曼光栅是一种衍射光学器件，可以容易地将一束入射光分束成m×n(m，n为整数)束。当一束中心波长为λ的激光垂直入射到到开口比为1:2的反射式达曼光栅时，反射光会分成强度相同的两束光，而且出射光与光栅法线的夹角为

θ＝sin^-1(λ/d)               (1)

光栅深度h与反射光的衍射效率有关

$\mathrm{\η}=I_{+1}=I_{-1}=I_0\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}}{2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}h$

其中I₊₁，I_-1分别为+1级和—1级反射光的强度，I₀为入射脉冲光的强度，h为光栅的深度。由公式2可以得出当h＝λ/4时，每束反射光具有最高的衍射效率40.5％，总的衍射效率为81％。

与在先技术3相比该技术有如下优点：

只用一块反射式达曼光栅，成本降低。

该技术能够实现出射光束的自动平行，调节更为方便。

出射光路与入射光具有相同的高度，方便测量。

结构紧凑，装置体积减小。

综上所述，本发明用一块反射达曼光栅和三块反射镜实现了超短脉冲光测量，从而消除了传统的透/反射式光分束器对脉冲光的影响，同时达曼光栅的制造技术与微电子加工技术相兼容，因此具有易加工、成本低的优点。

附图说明

图1是标准的超短脉冲FROG测量装置。

其中1为入射超短脉冲；2为分束镜；3为直角锥反射镜；4计算机控制的微动台；5为直角锥反射镜；6为反射镜；7为透镜；8为非线性晶体；9为光阑；10为光谱仪。

图2是本发明利用一块反射式达曼光栅的超短脉冲FROG测量装置示俯视图。

图3是本发明利用一块反射式达曼光栅的超短脉冲FROG测量装置示侧视图。

其中11为入射光；12为1×2反射式达曼光栅；13，14-1，14-2为反射镜，15为计算机控制的微动台；16为透镜；17为非线性晶体；18为光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图2、图3，图2和图3分别是本发明的测量装置的俯视图和侧视图，由图可见本发明超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置，仅利用一块1×2反射式达曼光栅12，还包括第一反射镜13、第二反射镜14-1、第三反射镜14-2、计算机控制的微动台15、透镜16、非线性晶体17和光谱仪18，其位置关系如下：所述的反射式1×2达曼光栅12的周期为d深度为λ_c/4，光栅刻槽水平放置，当一束中心波长为λ_c，宽度为τ₀的飞秒脉冲光11在竖直平面内传输并以一个小角度α入射到所述的反射式1×2达曼光栅12上，在垂直平面内被分成—1级和+1级两束光，这两束光被放置在后面的第一反射镜13重新反射到所述的反射式1×2达曼光栅12上，再次衍射后得到两束平行出射的光，这两束光分别被第三反射镜14-2和置于计算机控制的微动台15上的第二反射镜14-1反射后，再被所述的透镜16聚焦在非线性晶体17上，由该非线性晶体17的信号光被光谱仪18采集。

本发明的一个具体实施例，采用周期d＝100μm表面镀金的反射式达曼光栅12测量中心波长800nm的超短激光脉冲11。光栅12的深度为λ/4＝0.2μm时，装置的衍射效率最大。反射式达曼光栅12和第一反射镜13的距离为150mm。α＝1.5度。透镜16焦距200mm，非线性晶体17采用偏硼酸钡(BBO)晶体作为频率上转换晶体。通过计算机控制的微动台15改变光程并用光谱仪18测量和频光得到了FROG图谱。

Claims (1)

1、一种超短脉冲频率分辨光学开光法测量装置，其特征在于该装置仅利用一块1×2反射式达曼光栅(12)，还包括第一反射镜(13)、第二反射镜(14-1)、第三反射镜(14-2)、计算机控制的微动台(15)、透镜(16)、非线性晶体(17)和光谱仪(18)，其位置关系如下：所述的1×2反射式达曼光栅(12)的周期为d，d>>λ_c，深度为λ_c/4，光栅刻槽水平放置，当一束中心波长为λ_c，宽度为τ_O的飞秒脉冲光(11)在竖直平面内传输并以一个小角度入射到所述的1×2反射式达曼光栅(12)上，所述的小角度小于2°，在竖直平面内被分成—1级和+1级两束光，这两束光被放置在后面的第一反射镜(13)再反射到所述的1×2反射式达曼光栅(12)上，再次衍射后得到两束平行出射的光，这两束光分别被第三反射镜(14-2)和置于计算机控制的微动台(15)上的第二反射镜(14-1)反射后，再被所述的透镜(16)聚焦在非线性晶体(17)上，由该非线性晶体(17)的信号光被光谱仪(18)采集。

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