CN101650469B - 飞秒单双脉冲转换装置 - Google Patents
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Abstract
一种飞秒激光单双脉冲转换的装置，其特点在于该装置的构成包括沿飞秒激光入射方向、相向、平行地依次设置的第一光栅和第二光栅，所述的第一光栅和第二光栅垂直于所述的飞秒激光入射方向，所述的第一光栅和第二光栅是周期相同的高密度透射式光栅，所述的第一光栅和第二光栅固定在一调节装置上，该调节装置具有控制第二光栅或第一光栅沿入射光束纵向移动和垂直于入光束横向移动的机构。本发明用于实现飞秒单双脉冲之间的转换，和以往的装置比较，具有结构简单，易集成化，便于调节，体积小，重量轻等优点，在飞秒激光测量和分束中有非常广阔的应用前景。
Description
技术领域
本专利涉及飞秒激光，特别是一种利用高密度光栅对实现飞秒单双脉冲转换装置。
背景技术
众所周知，飞秒脉冲激光独有的脉宽时间短和峰值功率高的优点。使其在超快过程检测，高精密加工以及科研和工业众多领域具有广泛的应用。
随着飞秒激光技术的快速发展，与之相应的飞秒分束技术也日趋成熟，但是以往构造用于产生双脉冲的装置包括半透半反镜，角锥反射镜以及许多对飞秒激光脉宽和能量产生较大影响的反射镜。这些光学元件的使用不仅增加了装置的复杂程度，而且降低了实验结果的准确度。
近几年以来，周常河等利用倍密度光栅对装置构造飞秒双脉冲，其原路返回的结构具有补偿角色散和侧向走离效应，脉冲畸变小的特点【在先技术1：周常河，郑将军，发明专利，公告号：100428040】，周常河等提出低密度达曼光栅对的飞秒脉冲激光分束技术，低密度达曼光栅对飞秒激光产生多个衍射级次，然后使用不同密度的达曼光栅对不同衍射级次进行补偿【在先技术2：周常河，李国玮，发明专利，申请号：200510026066.9】，周常河等采用三角槽形的深刻蚀光栅用作高效率和高消光比的偏振分束器件。该器件可以用于1550nm通信波段【在先技术3：周常河，郑将军，发明专利，申请号：200810036639】。
前面介绍的许多有关光栅对的专利技术中，大部分都是使用低密度光栅对来实现飞秒脉冲激光的分束，本发明提出使用移动高密度透射光栅对来构造飞秒单双脉冲相互转换的思想。飞秒激光通过两个1×3高密度透射式光栅可以实现飞秒单脉冲和飞秒双脉冲之间的相互转换。而且比使用低密度光栅对飞秒脉冲激光分束的装置的效率要高。此外，飞秒激光双脉冲之间的时延可以通过调节两个光栅之间的距离来实现。这种光栅对结构的设计可以使飞秒激光分束和测量的装置结构更加紧凑，更容易集成化。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种飞秒激光单双脉冲转换装置，该装置使用操作灵活简便，具有重要的应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种飞秒激光单双脉冲转换的装置，其特点在于该装置的构成包括沿飞秒激光入射方向、相向、平行地依次设置的第一光栅和第二光栅，所述的第一光栅和第二光栅垂直于所述的飞秒激光入射方向，所述的第一光栅和第二光栅是周期相同的高密度透射式光栅，所述的第一光栅和第二光栅固定在一调节装置上，该调节装置具有控制第二光栅或第一光栅沿入射光束纵向移动和垂直于入光束横向移动的机构。
所述的第一光栅和第二光栅的占空比f＝0.5，周期d的取值范围为1＜d＜1.1微米，深度h的取值范围为1.25＜h＜1.3微米。
所述的高密度透射式光栅的占空比f＝0.5，光栅周期d＝1.068微米，光栅深度h＝1.253微米。
通过调节装置，当装置中两个光栅槽完全对称和横向错开1/2周期时，飞秒激光通过此光栅对装置后产生双脉冲，而当两个光栅槽横向错开1/4周期和3/4周期时，飞秒激光通过此两个光栅后产生单脉冲。双脉冲之间的时间延时可以通过精密调节两光栅之间的距离来实现。
附图说明
图1是一束飞秒激光经过本发明飞秒单双脉冲转换装置形成双脉冲输出的示意图。
图2是一束飞秒激光经过本发明飞秒单双脉冲转换装置形成单脉冲输出的示意图。
图3是本发明高密度透射光栅零级和正(负)一级衍射效率和光栅深度的关系图。
图4是实验中由FROG解算出的双脉冲的强度和相位信息在时域上的分布。
图5是实验中由FROG解算出的单脉冲的强度和相位信息在时域上的分布。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1和图2，图1是一束飞秒激光经过本发明飞秒单双脉冲转换装置形成双脉冲输出的示意图。图2是一束飞秒激光经过本发明飞秒单双脉冲转换装置形成单脉冲输出的示意图。由图可见，本发明飞秒单双脉冲转换装置的构成包括沿飞秒激光入射方向、相向、平行地依次设置的第一光栅1和第二光栅2，所述的第一光栅1和第二光栅2垂直于所述的飞秒激光入射方向，所述的第一光栅1和第二光栅2是周期相同的高密度透射式光栅，所述的第一光栅1和第二光栅2固定在一调节装置上，该调节装置具有控制所述的第一光栅1或第二光栅2沿入射光束纵向移动和垂直于入光束横向移动的机构。
所述的第一光栅1和第二光栅2的占空比f＝0.5，周期d的取值范围为1＜d＜1.1微米，深度h的取值范围为1.25＜h＜1.3微米。
图1、图2是本发明的两个实施例，图中，“1”和“2”表示密度相同的透射式光栅，平行相向地固定在调节装置S上。光栅的周期。其中“2”装配在一个二维精密移动台上，可以朝水平方向Z轴和竖直方向X轴移动。h和d分别为光栅的槽深和周期，B和C，D分别为A光的零级和正负一级衍射光。θ为衍射角。
首先移动第二光栅2在X轴移动，当两个光栅槽完全对称放置或者光栅槽错开1/2周期的距离时，如图1，飞秒激光A通过第一个光栅1形成零级衍射光B以及正负一级衍射光C和D。这三束光再次通过一个相向平行放置且密度相同的第二光栅2后，B光的零级衍射光可形成一个飞秒脉冲，而C光的负一级衍射光和D光的正一级衍射光共同形成另外一个飞秒脉冲，通过这种光栅结构就构造出飞秒双脉冲。如果移动第二光栅2在Z轴方向移动，可以通过改变两个光栅之间在Z向的距离，可连续调节双脉冲之间的时间延迟。
如图2所示，当两光栅槽在X轴向错开1/4光栅周期或3/4光栅周期时，入射的飞秒激光通过第一光栅1和第二光栅2后，由于正负一级衍射光C和D之间存在π的相位差而导致第二个脉冲消失，采用严格耦合波方法计算得出在出射光E方向产生了单脉冲。
采用微纳光学技术制作高密度1×3透射式石英光栅，首先利用全息技术在涂有正光刻胶(Shipley S1818，USA)的铬膜上记录高密度光栅，然后对其进行显影，随后用去铬液将光刻光栅图案转移至铬膜上，并使用化学方法将残留的光刻胶去除。最后，利用微电子刻蚀工艺，将制作的样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行刻蚀，再进一步去除石英基片上的剩余铬，制作成所需的1×3透射式石英光栅。
两块光栅占空比f＝0.5，它们的周期都为1＜d＜1.1微米，深度范围1.25＜h＜1.3微米所制作高密度光栅对构造飞秒单双脉冲转换装置的效率为27％左右。在实验装置中，把光栅2固定在一个二维移动平台上，这样双脉冲的时延可以通过控制光栅2在水平方向Z轴的移动来调节，而飞秒单脉冲和双脉冲的转换可以通过控制光栅2在竖直方向X轴的移动来调节。
光源采用的是美国相干公司的Ti：Sapphire(Coherent.Inc)飞秒激光振荡器，飞秒激光的半高全宽约为80fs，重复频率和中心波长分别为76MHz和800nm。实验中由高密度光栅对形成的飞秒单脉冲和双脉冲分别通过标准SHG-FROG装置测量，用100μm的BBO晶体产生FROG中的和频信号，采集设备使用了InSpectrum的16位的光谱仪(Acton 300)，通过FROG图谱(网格为128×128)再利用迭代优化算法就可以解出脉冲的复振幅和相位图。图4是实验中由FROG解算出的双脉冲的强度和相位信息在时域上的分布。双脉冲光强不等是由于制作过程中深度不均匀造成的。图5是实验中由FROG解算出的单脉冲的强度和相位信息在时域上的分布。
最终由FROG解得的双脉冲的半高全宽分别为98.26fs和87.2fs，如图3中光栅对间距约为150微米时，双脉冲的时间延迟为510fs。FROG误差为1.5％，而产生单脉冲的半高全宽为90.36fs，FROG误差为9.21‰。从而证明此装置运行的可靠性很好。
本发明装置避免了使用分束镜，结构紧凑，操作方便，输出脉冲效率高。本装置可以产生用于飞秒泵浦探测和飞秒微细加工所需的双脉冲序列，且可以实现单双脉冲序列的快速转换。具有很强的实用价值。本装置用于实现飞秒单双脉冲之间的转换，和以往的装置比较，具有结构简单，易集成化，便于调节，体积小，重量轻等优点，在飞秒激光测量和分束中有非常广阔的应用前景。
Claims (3)
1.一种飞秒激光单双脉冲转换的装置，其特征在于该装置的构成包括沿飞秒激光入射方向平行地依次设置的第一光栅(1)和第二光栅(2)，所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)的光栅槽相向，所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)垂直于所述的飞秒激光入射方向，所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)是周期相同的高密度透射式光栅，所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)固定在一个调节装置上，该调节装置具有控制所述的第一光栅(1)或第二光栅(2)沿入射光束纵向移动和垂直于入光束横向移动的机构，当所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)的光栅槽完全对称或横向错开1/2周期时，飞秒激光通过第一光栅(1)和第二光栅(2)后产生双脉冲，而当所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)的光栅槽横向错开1/4周期或3/4周期时，飞秒激光通过第一光栅(1)和第二光栅(2)后产生单脉冲。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光单双脉冲转换的装置，其特征在于所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)的占空比f＝0.5，周期d的取值范围为1＜d＜1.1微米，深度h的取值范围为1.25＜h＜1.3微米。
3.根据权利要求2所述的飞秒激光单双脉冲转换的装置，其特征在于所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)的占空比f＝0.5，光栅周期d＝1.068微米，光栅深度h＝1.253微米。
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