CN101021663A - 利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置，其特点是：包括一主光栅，该主光栅为1×n反射式达曼光栅，其中n为正整数，距离该主光栅L处，在垂直于该主光栅的法线的两侧，在相应衍射级次的衍射方向上，分别对称地设有n块闪耀光栅，分别称为一级，三级，五级闪耀光栅，…，各同一级次的两块闪耀光栅之间的距离为b，主光栅周期为d，一级闪耀光栅的周期为d/2，三级闪耀光栅的周期为d/6，五级闪耀光栅的周期为d/10，…，所有的闪耀光栅的法线与主光栅的法线平行。本发明装置可得到同波长的多脉冲输出，脉冲的间隔是可调的，对正啁啾的脉冲有压缩效果。而且装置制作容易，成本低。

Description

利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置

技术领域

本发明涉及飞秒多脉冲的装置，特别是一种利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置

技术背景

通常情况下，光栅作为一种具有负色散性质的器件被用于飞秒激光脉冲的压缩和展宽。所采用的光栅大多是高密度光栅，光栅制造的难度比较大，成本高，并且该装置产生不了多脉冲；普通光栅会造成各衍射级次的强度差别很大，应用在我们下面提到的装置中也很难得到多脉冲。

产生多脉冲的常见方法，有通过麦克耳逊干涉仪的，也有双波长的双脉冲装置的，但他们都不能对输入脉冲进行压缩。

线密度过低的光栅对脉冲没有压缩效应；线密度过高，只有很少的衍射级次上有脉冲，无法得到多脉冲。

在先技术1[周常河，白冰，利用达曼光栅对产生多脉冲的装置，发明专利，申请号：200510110970.8)]中，提出利用1×n反射式达曼光栅，n块补偿光栅以及两块反射镜得到飞秒多脉冲的一种方法，并可以对具有正啁啾的脉冲产生压缩效果。

在先技术2[周常河，郑将军，发明专利申请号：200610030280.6]中，提出了利用倍密度光栅得到飞秒双脉冲的装置，即用三块达曼光栅，第一光栅产生衍射，第二、第三光栅分别置于正负衍射级次上，其中第二、第三光栅的线密度为第一光栅线密度和衍射级次乘积的二倍，从而得到飞秒双脉冲的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置，该装置应得到同波长的多脉冲，脉冲的间隔是可调的，对正啁啾的脉冲有压缩效果。而且要求该装置制作比较容易，成本比较低。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置，其特点是：

包括一主光栅，该主光栅为1×n反射式达曼光栅，其中n为正整数，距离该主光栅L处，在垂直于该主光栅的法线的两侧，在相应衍射级次的衍射方向上，分别对称地设有n块闪耀光栅，分别称为一级闪耀光栅，三级闪耀光栅，五级闪耀光栅，......，各同一级次的两块闪耀光栅之间的距离为b，所述主光栅周期为d，一级闪耀光栅的周期为d/2，三级闪耀光栅的周期为d/6，五级闪耀光栅的周期为d/10，......，所述的一级闪耀光栅，三级闪耀光栅，五级闪耀光栅...的法线方向与所述的主光栅的法线方向平行，其中L和b满足下列关系：

L≥2D*d/(4λ₀-(m+|m-2|)*Δλ)

b＝2Ltanα

式中：d-主光栅的周期，λ₀-输入激光的中心波长，Δλ-输入激光的带宽，D-入射光束直径，M-衍射级次，α-主光栅的正或负m级衍射光的衍射角；

还有将输出光与输入光分开的机构。

所述的将输出光与输入光分开的机构是入射光线与主光栅在光栅槽的方向有一夹角θ，且θ＜5°。

所述的将输出光与输入光分开的机构是：在主光栅的法线上，即沿入射光线方向上，依次设置有与光路成45°的偏振介质模板和1/4波片，该偏振介质模板对45°入射的P偏振光全透射，而对S偏振光全反射。

所述的L有一最小值L_min＝2D*d/(4λ₀-(m+|m-2|)*Δλ)。

所述的闪耀光栅中，有一个或多个闪耀光栅置于微动台上。

所述的主光栅(1)的光栅密度为10线/mm～100线/mm。

本发明的技术效果：

由于本发明通过选择合适线密度(10线/mm～100线/mm)的达曼光栅，利用达曼光栅输出各衍射级次等光强的性质，以及闪耀光栅将能量主要向一个方向衍射的性质，得到了同波长的多脉冲，脉冲间隔是可调的，并且可以对正啁啾的脉冲实现压缩。由于所采用的达曼光栅和闪耀光栅线密度不高，制作比较容易，成本也比较低。本发明装置在飞秒激光加工，脉冲整形等领域有很好的应用前景，而双脉冲在飞秒激光测量领域也有着应用。

和先技术1相比，本发明首次提出将补偿光栅用二倍密度闪耀光栅代替的思想，使到达闪耀光栅的衍射光直接按原路返回，省去了反射镜，从而降低了能量损失，而且结构变得更简单。

和先技术2相比，本发明使用了更多的光栅，既可以产生多脉冲，又可以对多脉冲进行压缩，而且由于使用了闪耀式光栅，大大降低了能量损耗。

附图说明

图1是本发明装置原理结构俯视示意图

图2是本发明实施例1的结构侧视示意图

图3是本发明实施例2的结构俯视示意图

图4是本发明实施例3的结构俯视示意图

图5是本发明实施例4的结构俯视示意图

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明装置结构俯视示意图，由图可见，本发明利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置，包括一主光栅1，该主光栅为1×n反射式达曼光栅，其中n为正整数，距离该主光栅1的L处，在其垂直法线两侧，在相应衍射级次的衍射方向上，对称的分别设有n块闪耀光栅21，23，25，...2(n-1)；31，33，35，...3(n-1)，分别称为一级闪耀光栅21，31，三级闪耀光栅23，33，五级闪耀光栅25，35，......，各个级次的两块闪耀光栅之间的距离为b，所述主光栅1的周期为d，一级闪耀光栅的周期为d/2，三级闪耀光栅的周期为d/6，五级闪耀光栅的周期为d/10，......。其中L和b满足下列关系：

L≥2D*d/(4λ₀-(m+|m-2|)*Δλ)

b＝2Ltanα

式中：d-主光栅的周期，λ₀-输入激光的中心波长，Δλ-输入激光带宽，D-入射光束直径，M-衍射级次，α-主光栅的正或负m级衍射光的衍射角。

还有将输出光与输入光分开的机构。

为了使不同的衍射级次分开，L有一最小值

L_min＝2D*d/(4λ₀-(m+|m-2|)*Δλ)，

同一衍射级次的两块光栅之间的距离b不是任意的，b＝2Ltanα；主光栅1和一级闪耀光栅21，31，三级闪耀光栅23，33，五级闪耀光栅25，35...的法线方向平行。经过主光栅1衍射后的光到达各个级次的闪耀光栅后，按原路返回，得到的输出光即为多脉冲。

我们现在以产生双脉冲，四脉冲，六脉冲的装置为例对本发明作进一步描述。我们分别采用1×2，1×4，1×6偶数反射式达曼光栅作主光栅1。

实施例1：

请参阅图2，图2是本发明实施例1的结构侧视示意图，主光栅1是1×2反射式达曼光栅，周期为25μm，与其相距30cm处放置两块周期为12.5μm的闪耀光栅21，31；主光栅1和一级闪耀光栅21，31的法线方向平行。两块一级闪耀光栅21，31的中心水平距离为2cm。

具有正啁啾的激光脉冲入射到主光栅1，入射平面与主光栅1的光栅槽方向平行，且入射光与光栅法线夹角θ(小于5度)。其正负一级衍射光分别入射到一级闪耀光栅21，31，经过一级闪耀光栅衍射后，又回到主光栅1，并在出射时和入射光有一夹角2θ，以实现出射光和入射光在空间上的分离。其中通过采用行程12.5cm，最小分辨率为1μm，最小读数为10μm的微动台来移动一级闪耀光栅21，31，通过调节它们，就可以实现双脉冲之间间隔的任意可调。通过对达曼光栅和闪耀光栅周期的选择，可以实现对具有不同正啁啾量的激光脉冲的压缩。

实施例2：

请参阅图3，图3是本发明实施例2的结构俯视示意图。我们采用另一种方式使输入光和输出光分开。在主光栅1的法线上，即沿入射光线方向上，依次设置有与光路成45°的偏振介质模板4和1/4波片5，该偏振介质模板4对45°入射的P偏振光全透，而对S偏振光全反。如果入射光是P偏振的，那么输出光由于两次经过1/4波片5，会变成S偏振。使P偏振光透射，S偏振关45°全反射，就实现了输出光和输入光的分离。

实施例3：

本实施例的结构如图4所示，主光栅1是1×4反射式达曼光栅，周期为60μm，在相距30cm处放置两块周期为30μm的一级闪耀光栅21，31以及周期为10μm的三级达曼光栅23，33；他们的对称轴都在主光栅1的法线上，他们的位置由入射光决定，使光经过主光栅1后，正负一级衍射光入射到一级闪耀光栅21，31的中心，正负三级衍射光入射到三级闪耀光栅23，33的中心。主光栅1的法线、一级闪耀光栅21，31的法线和三级闪耀光栅23，33的法线都平行。

具有正啁啾的激光脉冲经过依次设置的与光路成45°的偏振介质模板4和1/4波片5，正入射到主光栅1，其正负一级衍射光分别入射到一级闪耀光栅21，31，正负三级衍射光分别入射到三级闪耀光栅23，33；反射光按原路返回再次经过1/4波片5和偏振介质模板4反射输出，以实现出射光和入射光空间上的分离；同样通过微动台来移动一级闪耀光栅21，31及三级闪耀光栅23，33，我们可以实现四脉冲之间间隔的任意可调。

实施例4：

本实施例的结构如图5所示，主光栅1为1×6反射式达曼光栅，周期为60μm，相距30cm处放置两块相同的周期为30μm的一级闪耀光栅21，31，周期为为10μm的三级闪耀光栅23，33和周期为6μm的五级闪耀光栅25，35；一级闪耀光栅21，31，三级闪耀光栅23，33和五级闪耀光栅25，35的对称轴都在主光栅1的法线上，他们的位置由入射光决定，使光经过主光栅1后正负一级衍射光入射到一级闪耀光栅21，31的中心，正负三级衍射光入射到三级闪耀光栅23，33的中心，正负五级衍射光入射到五级闪耀光栅25，35的中心。主光栅1的法线、一级闪耀光栅21，31的法线、三级闪耀光栅23，33的法线和五级闪耀光栅25，35的法线方向都平行。

具有正啁啾的激光脉冲经过依次设置的与光路成45°的偏振介质模板4和1/4波片5，正入射到主光栅1，其正负一级衍射光分别入射到一级闪耀光栅21，31，正负三级衍射光分别入射到三级闪耀光栅23，33，正负五级衍射光分别入射到五级闪耀光栅25，35；反射光按原路返回再次经过1/4波片5和偏振介质模板4反射输出，以实现出射光和入射光空间上的分离；同样通过微动台来移动一级闪耀光栅21，31，三级闪耀光栅23，33及五级闪耀光栅25，35，我们可以实现六脉冲之间间隔的任意可调。

以上实施例说明，利用本发明装置，可以获得脉冲间隔可调的飞秒多脉冲，并且对正啁啾的飞秒激光脉冲有明显的压缩效果。以往时空变换装置可以得到多个脉冲，但是很难实现任意时间间隔的多个脉冲，也就是很难调节任意两个脉冲的时间间隔，而本发明可以产生任意时间间隔的多个脉冲，这对飞秒多脉冲的应用很有意义，它在飞秒激光加工，脉冲整形等领域有很好的应用前景。

Claims (6)

1、一种利用达曼光栅和闪耀光栅产生飞秒多脉冲的装置，其特征在于：

包括一主光栅(1)，该主光栅(1)为1×n反射式达曼光栅，其中n为正整数，距离该主光栅(1)L处，在垂直于该主光栅(1)的法线的两侧，在相应衍射级次的衍射方向上，分别对称地设有n块闪耀光栅(21，23，25，...2(n-1))和(31，33，35，...3(n-1))，分别称为一级闪耀光栅(21，31)，三级闪耀光栅(23，33)，五级闪耀光栅(25，35)，......，各同一级次的两块闪耀光栅之间的距离为b，所述主光栅(1)周期为d，一级闪耀光栅的周期为d/2，三级闪耀光栅的周期为d/6，五级闪耀光栅的周期为d/10，......，所述的一级闪耀光栅(21，31)，三级闪耀光栅(23，33)，五级闪耀光栅(25，35)...的法线方向与所述的主光栅(1)的法线方向平行，其中L和b满足下列关系：

L≥2D*d/(4λ₀-(m+|m-2|)*Δλ)

b＝2Ltanα

式中：d-主光栅的周期，λ₀-输入激光的中心波长，Δλ-输入激光的带宽，D-入射光束直径，M-衍射级次，α-主光栅的正或负m级衍射光的衍射角；

还有将输出光与输入光分开的机构。

2、根据权利要求1所述的产生飞秒多脉冲的装置，其特征在于所述的将输出光与输入光分开的机构是入射光线与主光栅(1)在光栅槽的方向有一夹角θ，且θ＜5°。

3、根据权利要求1所述的产生飞秒多脉冲的装置，其特征在于所述的将输出光与输入光分开的机构是：在主光栅(1)的法线上，即沿入射光线方向上，依次设置有与光路成45°的偏振介质模板(4)和1/4波片(5)，该偏振介质模板(4)对45°入射的P偏振光全透射，而对S偏振光全反射。

4、根据权利要求1所述的产生飞秒多脉冲的装置，其特征在于所述的L有一最小值L_min＝2D*d/(4λ₀-(m+|m-2|)*Δλ)。

5、根据权利要求1所述的产生飞秒多脉冲的装置，其特征在于所述的闪耀光栅中，有一个或多个闪耀光栅置于微动台上。

6、根据权利要求1至5任一项所述的产生飞秒多脉冲的装置，其特征在于所述的主光栅(1)的光栅密度为10线/mm～100线/mm。

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