CN100526964C - 多对光栅平行的调节方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于飞秒激光光栅脉冲压缩器的多对光栅平行的调节方法，包括如下步骤：准备工具；调节准直光源的出射光方向与入射种子脉冲光方向平行；根据理论计算位置将光栅对的光栅面基本平行于所述的准直光源的出射光束摆放；在准直光源出射光的光路上插入所述的直角棱镜，依次调整各光栅严格平行于所述的准直光源的出射光；根据飞秒激光光栅脉冲压缩器各光栅的入射角，将各个光栅旋转相应的角度。本发明方法具有操作简单，精度高，不受光栅对数及其错开距离的限制。

Description

多对光栅平行的调节方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲压缩，特别是一种适用于飞秒激光光栅脉冲压缩器的多对光栅平行的调节方法。

背景技术

近年来啁啾脉冲放大技术的发展为人类成功地提供了脉冲宽度在飞秒量级(10^-15s)、峰值功率达太瓦(10¹²W)甚至拍瓦(10¹⁵W)量级的超强激光脉冲，其聚焦后的超高强度(10¹⁸W/cm²)在诸如电子加速等领域内具非常广泛的应用。啁啾脉冲放大技术的基本思想是在放大前通过展宽器引入正色散，使脉冲的不同频率成分以不同的速度传输，从而在时域将飞秒量级的超短脉冲展宽成数百皮秒(10^-12s)甚至纳秒(10^-9s)量级的啁啾脉冲，经逐级放大后再用压缩器补偿展宽和放大过程中的正色散，从而获得超高功率，超短脉冲的输出。

光栅对最适合提供负色散，所以在啁啾脉冲放大系统中一般使用光栅对进行脉冲压缩。平行光栅对压缩器是由E.B.Treacy于1969年提出的[E.B.Treacy，IEEE J.Quantum Electron.QE-5，454(1969)]。其结构如图1所示，由两个平行设置的光栅1、2及一个反射镜3组成。种子脉冲入射至光栅1，经其衍射后至光栅2，在与入射光平行方向出射，至反射镜3后沿原路返回。在大功率啁啾脉冲放大系统中，由于能量高，光斑大，再加上制造大块光栅成本过高，因此将使用两对甚至多对光栅组成的压缩器[M.Aoyama，OpticsLetters.28(17)，1594(2003)]。其结构如图2所示，由两两平行的光栅4、5、6、7组成。种子脉冲入射至光栅4，经其衍射后至光栅5，在与入射光平行方向出射，入射至光栅6，经其衍射至光栅7后输出。

在先技术中，人们是借助一台准直光源10和一块平板玻璃12来调节单对光栅平行，应用这种方法很难在保证精度的条件下调节这种多对光栅压缩器。以调节四光栅压缩器为例，具体说明如下：第一步，如图3，种子脉冲经由小孔8、小孔9射入压缩器，安装并调节光栅4，使得种子脉冲经光栅4反射返回小孔9；第二步，如图4，旋转光栅4，使得种子脉冲按事先设计的入射角度入射至光栅4；第三步，如图5，安装并调节准直光源10，使得准直光源10发出的光经光栅4反射之后返回第一基准小孔11，即调节准直光源10发出的光与光栅4垂直；第四步，如图6，在准直光源10和光栅4之间插入平板玻璃12，调节平板玻璃12使准直光源10发出的光经平板玻璃12反射之后返回第一基准小孔11，即调节平板玻璃12与准直光源10发出的光垂直；第五步，如图7，将准直光源10和第一基准小孔11移到平板玻璃12和光栅4之间，调节准直光源10，使准直光源10发出的光经平板玻璃12反射之后返回第一基准小孔11，即调节准直光源10发出的光与平板玻璃12垂直；第六步，如图8，平移平板玻璃12，使平板玻璃12的位置与原位置相比更靠近光栅5，调节平板玻璃12，使准直光源10发出的光经平板玻璃12反射之后返回第一基准小孔11，即调节平板玻璃12与准直光源10发出的光垂直；第七步，如图9，平移准直光源10和第一基准小孔11，使准直光源10的位置与原位置相比更靠近光栅5，调节准直光源10，使得准直光源10发出的光经平板玻璃12反射之后返回第一基准小孔11，即调节准直光源10发出的光与平板玻璃12垂直；第八步，如图10，卸下平板玻璃12，安装上光栅5，调节光栅5使得准直光源10发出的光经光栅5反射之后返回第一基准小孔11，即调节光栅5与准直光源10发出的光垂直。至此，我们认为光栅4与光栅5平行；第九步，如图11，安装光栅6，在光栅5和光栅6之间放置小孔13，调节光栅6使得种子脉冲发出的光经光栅6反射后返回小孔13，根据压缩器光栅的入射角旋转光栅6至相应角度。第十步，如图12，重复步骤三～步骤八，以光栅6为基准调节光栅7与光栅6平行，至此，我们认为已经调整好了四光栅压缩器。值得说明的是，本方法对平板玻璃12两个表面的平行度有严格要求，需要两个表面严格平行。

这个方法的缺点是：第一，它只适用于光栅对间没有在空间上错开或者错开距离较小的情况。当两个光栅错开距离较大的时候，必须重复步骤六和步骤七多次。这样由于误差积累，将使得光栅对的平行度受到很大影响，严重影响压缩脉冲的宽度并引入空间啁啾；第二，应用该方法调节四光栅压缩器，四个光栅的调节不是独立进行，而是每一个光栅的调节都以前一个光栅作为基准，由于误差积累，将使得压缩器的整体精度进一步降低，当光栅对个数加大时，调整误差将进一步增大。

发明内容

本发明为了克服在先技术的局限性，提供一种适用于飞秒激光光栅脉冲压缩器的多对光栅平行的调节方法，该方法操作简单，精度高，不受光栅对错开距离限制。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于飞秒激光光栅脉冲压缩器的多对光栅平行的调节方法，该方法包括如下步骤：

①准备工具：准直光源，第一基准小孔、第二基准小孔，直角棱镜以及安装该直角棱镜的二维调整平台，第一基准小孔放置在所述的准直光源的前方，或者直接固定在所述的准直光源的出口处，第二基准小孔的高度要求与准直光源的出射光的高度严格一致；

②调节准直光源的出射光方向与飞秒激光光栅脉冲压缩器的入射种子脉冲光方向平行；

③以准直光源的出射光为基准，根据理论计算将多对待调整平行的光栅对的光栅面基本平行于所述的准直光源的出射光束摆放，并依准直光源的出射光由近至远命名为第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅，直至最后一个光栅命名为止；

④在准直光源出射光的光路上插入所述的直角棱镜，使直角棱镜的出射光射中第一光栅，调节该直角棱镜使准直光源发出的光经直角棱镜的直角面反射之后返回第一基准小孔，同时还需要保证直角棱镜的出射光高度与第二基准小孔的高度一致，之后调整第一光栅，使准直光源发出的光经第一光栅反射之后，经第二基准小孔、直角棱镜返回第一基准小孔，这时第一光栅的光栅面严格平行于所述的准直光源的出射光；

⑤沿准直光源出射光方向移动所述的直角棱镜，使得直角棱镜的出射光射中第二光栅，调节直角棱镜使准直光源发出的光经直角棱镜的直角面反射之后返回第一基准小孔，同时还需要保证直角棱镜的出射光高度与第二基准小孔的高度一致，之后调整第二光栅，使准直光源发出的光经第二光栅反射之后经第二基准小孔、直角棱镜返回第一基准小孔，这时第二光栅的光栅面严格平行于所述的准直光源的出射光；

⑥重复第⑤步的方法，依次用所述的直角棱镜分别调整其余各个光栅的光栅面与所述的准直光源的出射光严格平行；

⑦根据飞秒激光光栅脉冲压缩器各光栅的入射角，将各个光栅旋转相应的角度。

在本发明中：第基准小孔的功能是便于观察准直光源发出的光是否沿原光路返回，第二基准小孔的功能是确保直角棱镜的出射光高度与准直光源的出射光高度一致，直角棱镜的功能是将准直光源的出射光旋转90°，使得无需移动准直光源即可分别校对多个光栅，避免了误差积累。并且由于直角棱镜可以沿着准直光源的出射光的方向无限远移动，本方法的优点是：被调节的光栅对不受光栅对错开距离大小的限制，并且可以同时调整多对光栅平行。

至此，我们调整好了两两平行的多对光栅压缩器。需要说明的是，本方法的调节精度只与安装光栅的旋转平台的调整精度有关。通常我们安装光栅的旋转平台的调整精度是1′，我们认为由旋转平台带来的误差对整个压缩器性能的影响是在误差允许范围之内的。

与先技术相比，本发明具有以下显著特点：

1、本发明操作简单，精度高。

2、本发明通过使用直角棱镜，可以确保在调节任意多对光栅平行和任意光栅对错开距离的情况下具有同样的调节精度。

3本发明所使用的器件都是实验室的常用器件，容易获得，无需特意制备。

附图说明

图1单光栅对压缩器结构简图

图2四光栅压缩器结构简图

图3～图12应用经典方法调节四光栅压缩器的步骤示意图

图13～图21为本发明多对光栅的调节方法的实施例——四光栅压缩器调节步骤示意图。

具体实施方式

请参阅图13～图21，我们以调节四光栅压缩系统为例，说明本方法的具体实施过程，包括如下步骤：

①准备工具：准直光源10，第一基准小孔11、第二基准小孔15，直角棱镜14以及安装该直角棱镜的二维调整平台，将第一基准小孔11放置在所述的准直光源10的前方，或者直接固定在所述的准直光源10的出口处，如图14所示，第二基准小孔15的高度要求与准直光源10的出射光的高度严格一致；

②调节准直光源10的出射光方向与待调整的飞秒激光光栅脉冲压缩器的入射种子脉冲光方向平行，如图13、14所示；

③以准直光源10的出射光为基准，根据理论计算将多对待调整平行的光栅对的光栅面基本平行于所述的准直光源10的出射光束摆放，并依准直光源10的出射光由近至远命名为第一光栅5、第二光栅4、第三光栅7、第四光栅6，如图15所示；

④如图16所示，在准直光源10出射光的光路上插入所述的直角棱镜14，使直角棱镜14的出射光射中第一光栅5，调节该直角棱镜14使准直光源10发出的光经直角棱镜14的直角面反射之后返回第一基准小孔11，同时还需要保证直角棱镜14的出射光高度与第二基准小孔15的高度一致，之后调整第一光栅5，使准直光源10发出的光经第一光栅5反射之后，经第二基准小孔15、直角棱镜14返回第一基准小孔11，这时第一光栅5的光栅面严格平行于所述的准直光源10的出射光；

⑤如图17所示，沿准直光源10出射光方向移动所述的直角棱镜14，使得直角棱镜14的出射光射中第二光栅4，调节直角棱镜14使准直光源10发出的光经直角棱镜14的直角面反射之后返回第一基准小孔11，同时还需要保证直角棱镜14的出射光高度与第二基准小孔15的高度一致，之后调整第二光栅4，使准直光源10发出的光经第二光栅4反射之后，经第二基准小孔15、直角棱镜14返回第一基准小孔11，这时第二光栅4的光栅面严格平行于所述的准直光源10的出射光；

⑥重复第⑤步的方法，依次用所述的直角棱镜14分别调整其余第三光栅、第四光栅的光栅面与所述的准直光源10的出射光严格平行，如图18、图19所示；

⑦根据飞秒激光光栅脉冲压缩器各光栅的入射角，将各个光栅旋转相应的角度，如图20所示调整为图21所示，即完成飞秒激光光栅脉冲压缩器的四光栅压缩系统的2对光栅平行的调节。

Claims (1)

1、一种适用于飞秒激光光栅脉冲压缩器的多对光栅平行的调节方法，其特征在于该方法的步骤如下：

①准备工具：准直光源(10)，第一基准小孔(11)、第二基准小孔(15)，直角棱镜(14)以及安装该直角棱镜的二维调整平台，第一基准小孔(11)放置在所述的准直光源(10)的前方，或者直接固定在所述的准直光源(10)的出口处，第二基准小孔(15)的高度要求与准直光源(10)的出射光的高度严格一致；

②调节准直光源(10)的出射光方向与入射种子脉冲光方向平行；

③以准直光源(10)的出射光为基准，根据理论计算将多对待调整平行的光栅对的光栅面基本平行于所述的准直光源(10)的出射光束摆放，并依准直光源(10)的出射光由近至远命名为第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅，直至最后一个光栅命名为止；

④在准直光源(10)出射光的光路上插入所述的直角棱镜(14)，使直角棱镜(14)的出射光射中第一光栅(5)，调节该直角棱镜(14)使准直光源(10)发出的光经直角棱镜(14)的直角面反射之后返回第一基准小孔(11)，同时还需要保证直角棱镜(14)的出射光高度与第二基准小孔(15)的高度一致，之后调整第一光栅(5)，使准直光源(10)发出的光经第一光栅(5)反射之后，经第二基准小孔(15)、直角棱镜(14)返回第一基准小孔(11)，这时第一光栅(5)的光栅面严格平行于所述的准直光源(10)的出射光；

⑤沿准直光源(10)出射光方向移动所述的直角棱镜(14)，使得直角棱镜(14)的出射光射中第二光栅(4)，调节直角棱镜(14)使准直光源(10)发出的光经直角棱镜(14)的直角面反射之后返回第一基准小孔(11)，同时还需要保证直角棱镜(14)的出射光高度与第二基准小孔(15)的高度一致，之后调整第二光栅(4)，使准直光源(10)发出的光经第二光栅(4)反射之后经第二基准小孔(15)、直角棱镜(14)返回第一基准小孔(11)，这时第二光栅(4)的光栅面严格平行于所述的准直光源(10)的出射光；

⑥重复第⑤步的方法，依次用所述的直角棱镜(14)分别调整其余各个光栅的光栅面与所述的准直光源(10)的出射光严格平行；

⑦根据飞秒激光光栅脉冲压缩器各光栅的入射角，将各个光栅旋转相应的角度。

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