CN100589010C - 一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超短激光脉冲类，具体阐述一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器，该色散器主要由两个直角棱镜组合构成，两棱镜相对平行放置，其顶角为光脉冲中心波长所对应的布儒斯特角的余角，本发明取代传统的布儒斯特角棱镜降低了由棱镜对本身引入的材料色散，补偿效果更理想，结构更紧凑。

Description

一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲类，具体阐述一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器。

背景技术

超强超短激光科学研究以超强超短激光的创新发展、超强超短激光与物质的相互作用、以及在交叉学科与相关高技术领域中的前沿基础为对象，是当前国际上现代物理学乃至现代科学中一个非常重要的科学前沿领域。在这一领域中，脉冲展宽/压缩技术是其中一个十分关键的单元技术。其主要思路就是尽可能地对脉冲的啁啾相位进行补偿。目前常用的脉冲色散补偿器有两种：

一是光栅脉冲色散补偿器。有两种形式，如图1所示。图1(a)中光栅对逆平行放置，在光栅对之间有两个透镜。这两透镜共焦放置构成一望远系统，光栅离开了望远镜的前后焦面而向透镜靠近，脉冲四次通过光栅，产生足够大的正群速度色散，一般用于脉冲展宽。为了消除因光栅色散引起的光束的像散，光的入射角应接近Littrow角。此外，光栅展宽器中的透镜引入的色差会引起三次频率相关相位，而球差会引起四次频率相关相位。光栅展宽/压缩器对光脉冲的透过率为70％左右，它们的结构比较复杂，调整也比较困难。另外，对高功率/能量的脉冲要用尺寸较大的光栅，价格比较昂贵，且不易保养，使用寿命相对较短。另外对机械部件要求也比较高。图1(b)的光栅对是平行放置的。原理和图1(a)一样，只是它产生的是负色散，一般用于脉冲压缩。

二是传统的棱镜对-色散补偿器，如图2所示。当脉冲通过棱镜P1(色散棱镜)时，棱镜将不同波长的光按照不同的角度折射出去，再进入到第二个棱镜P2(准直棱镜)。由于短波长光比长波长光的折射角度大，这样光脉冲中不同波长的光对应着不同的行进光程，短波长成分光经过的光程更小，从而达到负的群速度色散目的。通过调节棱镜对插入光束的深度，可以方便地控制所需的群速度色散。它工作在布儒斯特角，因而它的损耗也较小。利用棱镜对进行色散补偿时，棱镜对本身也会引入材料色散，这一部分色散在设计棱镜对时也必须考虑到，从而加大所需的两个棱镜顶点之间的距离，增加调整困难，同时反过来加大光斑在准直棱镜上的横向尺寸，于是又加大了棱镜对本身引入的材料色散。这种效应在使得补偿器体积庞大的同时，增加了调整难度和降低了补偿效果。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器，该色散器采用两个直角棱镜，其顶角为光脉冲中心波长所对应的布儒斯特角的余角，而且两棱镜相对平行放置。本发明取代传统的布儒斯特角棱镜降低了由棱镜对本身引入的材料色散，补偿效果更理想，结构更紧凑。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器，其特征在于该色散器主要由两个直角棱镜组合构成，两棱镜相对平行放置。

所述两个棱镜的顶角为光脉冲中心波长布儒斯特角的余角。

所述棱镜顶角，即布儒斯特角的余角的相邻表面镀中心波长附近的宽带增透膜。

本发明的优点是，棱镜对工作时，材料插入量小，引入材料色散小，所要求的棱镜间隔也小，从而结构紧凑，补偿后剩余高阶色散小，补偿效果好，又由于入射光为正入射，调整方便，而且对失调较不敏感。

附图说明

附图1为光栅对-脉冲色散器结构示意图

附图2为棱镜对-色散补偿器结构示意图

附图3为本发明-半布儒斯特棱镜对色散补偿器结构示意图

附图4为本发明用于飞秒脉冲激光器中的示意图

附图5为本发明用于激光腔外啁啾脉冲压缩示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图3-5所示，图中符号分别为：凹面反射镜CR1～CR4、高反镜HR、输出耦合镜OC、色散棱镜P1、准直棱镜P2、钛宝石激光晶体Ti:S。

本实施例的布儒斯特角棱镜对脉冲色散补偿器由两个相同的直角棱镜构成，这两棱镜的顶角大小由激光脉冲中心波长的布儒斯特角工作条件决定，在此为中心波长布儒斯特角的余角，两棱镜相对平行放置。第一只棱镜的角色为色散棱镜，其与顶角相邻的一直角表面为入射面，该表面镀中心波长附近的宽带增透膜。第二只棱镜的角色为准直棱镜，其与顶角相邻的一直角表面为出射面，该表面也镀中心波长附近的宽带增透膜。基于目前光学镀膜水平的日益提高，例如，宽带增透光学膜已经能在中心波长在800nm附近、300nm带宽的范围内反射率控制在0.2％以内，这使得本实施例装置的插入损耗可与传统棱镜对的损耗相媲美。

宽带脉冲光正入射到色散棱镜的镀宽带增透膜的直角边所在的表面，然后通过该棱镜到达棱镜P1斜边所在表面，在中心波长处光脉冲以布儒斯特角出射。其它波长的出射角度也在其布儒斯特角附近，这样损耗最小。由于不同的波长具有不同的色散角，所以经过色散棱镜后不同波长光产生以不同方向传播(角色散)。第二个棱镜与第一棱镜规格一样，但它与棱镜相对平行放置，即两棱镜的镀宽带增透膜的表面和斜边所在的表面均分别相互平行。所以当被角色散的光经第二个棱镜的斜表面折射后，不同波长光产生又恢复到以同一方向传输状态(空间上有位移)，所以我们将第二个棱镜叫做准直棱镜。棱镜对的负色散产生负线性啁啾相位可以补偿材料产生的正线性啁啾相位。但是，由于棱镜对的二次、三次或以上的啁啾相位和大多数光学材料的二次、三次或以上啁啾相位分布不匹配，所以在补偿线性啁啾相位时必须尽量减少高次啁啾相位量，以达到最佳色散补偿效果。本实施例的特点正是在补偿线性啁啾的同时剩余高阶色散量小，因而补偿效果好。

图4是将本发明应用在Ti:sapphire飞秒激光器作为色散补偿的实例。在该激光器中，激光晶体Ti:sapphire具有较大的非线性折射率系数，通过克尔效应，通过伴随而生的自相位调制效应将光谱展宽同时产生正啁啾相位，Ti:sapphire晶体本身也引入材料色散，本实施例的棱镜对的作用就是补偿这些色散，同时也要补偿棱镜对本身引入的材料色散。此时两棱镜的两个通光的直角平面镀上中心波长为800nm的宽带增透膜。由于有增透膜，每个面的反射损耗(650～1000nm范围内反射率小于0.2％)与激光耦合损耗(约5％)相比可以忽略。与传统的布儒斯特棱镜对比较，由于棱镜本身引入的材料色散大幅减少，所以补偿后剩余高阶色散也小，改善了补偿效果。另外由于是正入射工作，调整方便，对光束漂移的灵敏性不高，系统更加稳定。两棱镜间的距离也大幅减少，这使系统更加紧凑，易于调整。

图5是将本发明用于腔外超短脉冲色散补偿。将激光脉冲通过聚焦系统输入到一高非线性光纤进行光谱加宽，然后通过本发明的棱镜对对光纤的材料色散进行补偿，从而得到比入射光脉冲的时间宽度短得多的光脉冲。

Claims (2)

1.一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器，其特征在于该色散器主要由两个相同的直角角棱镜组合构成，两棱镜的顶角为光脉冲中心波长布儒斯特角的余角，所述两个棱镜上与顶角相邻的直角边表面镀中心波长附近的宽带增透膜，两棱镜的两个通光的直角平面镀上中心波长为800nm的宽带增透膜。

2.根据权利要求1所述的一种新型的棱镜对脉冲色散补偿器，其特征在于所述两个棱镜相对平行放置，且两个棱镜上与顶角相邻的直角边表面朝外，斜边表面朝里。

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