CN101833173A - 多层体光栅脉冲激光整形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种多层体光栅脉冲激光整形装置及方法，该装置包括一个记录在全息材料内空间分离的多层体光栅，在待整形的脉冲激光光束入射方向放置的起偏器，在透射脉冲激光光束方向和衍射脉冲激光光束方向分别放置的检偏器。利用多层体光栅对待整形脉冲激光光束的衍射作用，适当调节多层体光栅的层数、厚度和光栅周期等特征参数控制脉冲激光光束的带宽和波形。与在先技术相比，本发明对于输入脉冲激光光束的整形范围更广，可选择的多层体光栅特征参量多，便于脉冲滤波整形功能的最优化。

Description

多层体光栅脉冲激光整形装置及方法

技术领域

本发明涉及脉冲激光光束整形，尤其是一种多层体光栅脉冲激光光束整形装置及方法。

背景技术

随着脉冲激光光束产生技术的发展，光脉冲整形技术作为脉冲激光光束产生的补充手段，为超快光谱学，非线性光学和强场物理提供了前所未有的控制激光脉冲波形的手段而得到了广泛的研究。人们已经发展了一系列光波形合成或脉冲整形的技术方法。在先技术[1](A.M.Weiner，J.P.Heritage，and E.M.Kirschner，“High resolution femtosecond pulse shaping，”J.Opt.Soc.Am.B5，1563-1572，1988)利用时域Fourier变换进行，其核心是利用模板对在空间色散开来的各频率成分进行平行调制，最终达到脉冲整形的目的。但是，所用的模板有利用微细加工制作的振幅掩模板和相位掩模板，不易提供连续的位相变化，每个实验必须制造新的模板。

由于体全息光栅易于实现动态处理，多功能化和易于集成等优点，使它在脉冲激光光束的传输整形中得到了应用。在先技术[2](王春花，等，超短脉冲激光光束体全息光栅整形装置，发明专利，申请号：200610024096.0)提出了一种基于单个体光栅的超短脉冲激光整形装置，通过调制入射脉冲的偏振状态和体光栅特征参量来实现。但是，现有技术中使用的宽带偏振旋转器由于超短脉冲包含的频谱成分很多而难以制作，而且体光栅对某些偏振态的输入脉冲的衍射效率会很低，限制了该脉冲整形装置的应用。另外，现有技术中使用了单个体全息光栅，可选择调整的光栅参量少。这些缺点无疑限制了体全息光栅对脉冲激光整形技术的应用发展，因此我们需要研制一种衍射效率高，并能进行多自由度光栅参量调节的激光脉冲整形方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多层体光栅脉冲激光整形装置及方法，利用多层体光栅对脉冲激光光束的衍射作用，优化体光栅的层数、厚度和光栅周期等参数，对脉冲激光光束进行整形，具有可调节参量多，整形范围广的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种多层体光栅脉冲激光整形装置，特点在于其构成包括起偏器、多层体光栅、第一检偏器和第二检偏器，所述的起偏器将待整形入射脉冲激光L₀变为线偏振光束并入射到所述的多层体光栅，所述的第一检偏器置于所述的多层体光栅的透射脉冲激光光束L₁方向，所述的第二检偏器置于所述的多层体光栅的衍射脉冲激光光束L₂方向。

所述的多层体光栅是在全息记录介质上记录产生的两个或两个以上空间分离的透射型或反射型体光栅，每两个体光栅之间有一折射率均匀的填充层，每个体光栅和填充层的层数、厚度和光栅周期等参数的确定要根据脉冲激光带宽和波形的需要，先用多层体光栅脉冲整形方法进行参数优化，然后再制作多层体光栅。

所述的第一检偏器的通光轴方向相对于所述的起偏器的通光轴方向具有旋转一定角度θ₁的旋转机构，用于调节透射脉冲激光光束的输出波形。

所述的第二检偏器的通光轴方向相对于所述的起偏器的通过方向具有旋转一定角度θ₂的旋转机构，用于调节衍射脉冲激光光束的输出波形。

一种所述的多层体光栅脉冲激光整形方法，该方法包括下列步骤：

①选定待整形的脉冲激光光束的波形，确定其中心波长、脉冲宽度和光谱宽度；

②根据待整形脉冲激光的整形要求，根据多层体光栅的衍射光束和透射光束的振幅或光强表达式用计算机编程优化选取相应光栅参量的多层体光栅，根据确定的光栅参量包括体光栅的光栅周期、光栅矢量方向、单层体光栅厚度、填充层厚度和多层体光栅层数制备多层体光栅；

③根据入射脉冲激光光束的偏振状态，将所述的起偏器置于所述的多层体光栅之前待整形入射脉冲激光L₀方向，调整放置在入射光束方向的起偏器的通光轴方向使得入射脉冲激光光束为线偏振光，使待整形入射脉冲激光L₀变为线偏振光束并使之入射到所述的多层体光栅；

④将所述的第一检偏器置于所述的多层体光栅的透射脉冲激光光束L₁方向，所述的第二检偏器置于所述的多层体光栅的衍射脉冲激光光束L₂方向，调整透射脉冲激光光束方向的第一检偏器和衍射脉冲激光光束方向的第二检偏器的通光轴方向，得到所需的脉冲激光光束。

本发明的技术效果：

由于本发明用多层空间分离的体光栅代替了单层体光栅，通过合理选择表征多层体光栅的层数、单层光栅厚度、填充层的厚度和光栅周期等参数实现对入射脉冲激光的时空整形。突出优点是多层体光栅可选择的自由度更多，便于脉冲激光滤波整形功能的最优化，有利于整个脉冲激光整形装置向高速、全光化和集成化光学器件方向发展。

附图说明

图1为本发明多层体光栅脉冲激光整形装置的结构示意图。

图中：1-起偏器，2-多层体光栅，3-第一检偏器，4-第二检偏器，L₀-待整形脉冲激光，L₁-透射脉冲激光，L₂-衍射脉冲激光。

图2为输入脉冲宽度为50fs时，整形后的衍射脉冲激光光束L₂的归一化强度谱随着填充层厚度的变化曲线。

图3为输入脉冲宽度为50fs时，整形后的衍射脉冲激光光束L₂的归一化强度谱随着两个体光栅厚度之比T₁/T₂的变化曲线。

图4为输入脉冲宽度为50fs时，整形后的衍射脉冲激光光束L₂的归一化强度谱随着多层体光栅的光栅周期增加的变化曲线。

图5为输入脉冲宽度为50fs时，整形后的衍射脉冲激光光束L₂的归一化强度谱随着多层体光栅层数增加的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

先请参阅图1，图1是本发明多层体光栅脉冲激光整形装置一个具体实施例的基本结构示意图。由图可见，本发明多层体光栅脉冲激光整形装置的构成包括起偏器1、多层体光栅2、第一检偏器3和第二检偏器4，所述的起偏器1置于所述的多层体光栅2之前待整形入射脉冲激光L₀方向，将待整形入射脉冲激光L₀变为线偏振光束并使之入射到所述的多层体光栅2，所述的第一检偏器3置于所述的多层体光栅2的透射脉冲激光光束L₁方向，所述的第二检偏器4置于所述的多层体光栅2的衍射脉冲激光光束L₂方向。

所述的多层体光栅2为在全息记录介质上记录产生的两个或多个空间分离的透射型或反射型体光栅，每两个体光栅之间有一折射率均匀的填充层。每个体光栅和填充层的层数、厚度和光栅周期等参数的确定要根据脉冲激光光束带宽和波形的需要，先用所述的多层体光栅脉冲激光整形方法进行参数优化，然后再制作此多层体光栅2。

所述的起偏器1置于的作用是使得被整形的输入脉冲激光光束L₀为线偏振光束。

所述的第一检偏器3的通光轴方向相对于所述的起偏器1的通光轴方向具有旋转一定角度θ₁的旋转机构，用于调节透射脉冲激光光束的输出波形。

所述的第二检偏器4的通光轴方向相对于所述的起偏器1的通过方向具有旋转一定角度θ₂的旋转机构，用于调节衍射脉冲激光光束的输出波形。

待整形的脉冲激光光束L₀经过起偏器1，以θ角入射到多层体光栅2上，且在多层体光栅2中的折射角即为该多层体光栅记录时的布拉格衍射角，经多层体光栅2的衍射作用后，输出透射脉冲激光光束L₁和衍射脉冲激光光束L₂，它们分别经过置于多层体光栅2后沿着透射脉冲激光光束L₁和衍射脉冲激光光束L₂传播方向上的第一检偏器3和第二检偏器4，得到所需的整形脉冲激光光束。

本发明的工作原理如下：

令待整形的脉冲激光光束L₀振幅分布为U₀(ω)，经过起偏器1后，以角度θ入射到多层体光栅2上，在第n层体光栅内的电场包含有透射振幅和衍射振幅R_n(z，ω)和S_n(z，ω)，满足关系式：

$E(x,z,\mathrm{\ω})={\hat{e}}_r{R}_n(z,\mathrm{\ω})\exp (-j{k}_r\·r)+{\hat{e}}_s{S}_n(z,\mathrm{\ω})\exp (-j{k}_s\·r)---\left(1\right)$

其中：k_r和k_s分别是透过光和衍射光的波矢，

和

分别为其偏振矢量，且与光栅矢量K满足布拉格条件k_s＝k_r-K。根据图1，假设第n层体光栅左边和右边的透射脉冲和衍射脉冲光场分别为R_nl，S_nl和R_nr，S_nr，

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{nr}}\\ S_{\mathrm{nr}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{m}_{n11}& m_{n12}\\ m_{n21}& m_{n22}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{nl}}\\ S_{\mathrm{nl}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中；矩阵m_n为多层体光栅2第n层体光栅衍射的特征矩阵。根据Kogenik耦合波理论，对于厚度为T_n的第n层体光栅，

$m_{n11}=[\cos \left({\mathrm{VT}}_n\right)+j\frac{\mathrm{\ξ}}{V}\sin \left({\mathrm{VT}}_n\right)]\exp (-j{\mathrm{\ξT}}_n),$ $m_{n12}=-j\frac{\mathrm{\γ}}{V}\sqrt{\frac{C_S}{C_R}}\sin \left({\mathrm{VT}}_n\right)\exp (-j{\mathrm{\ξT}}_n),$

$m_{n21}=-j\frac{\mathrm{\γ}}{V}\sqrt{\frac{C_R}{C_S}}\sin \left({\mathrm{VT}}_n\right)\exp (-j{\mathrm{\ξT}}_n),$ $m_{n22}=[\cos \left({\mathrm{VT}}_n\right)-j\frac{\mathrm{\ξ}}{V}\sin \left({\mathrm{VT}}_n\right)]\exp (-j{\mathrm{\ξT}}_n).$

C_R＝cosθ，

$V=\sqrt{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\γ}}^2},$ $\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}{n}_1({\hat{e}}_r\·{\hat{e}}_s)}{\mathrm{\λ}\sqrt{C_R{C}_S}}.$

对于经过第n层体光栅衍射后的衍射脉冲激光和透射脉冲激光通过第n填充层前后的光场分布之间的关系可表示为，

$\left[\begin{array}{c}{R}_{(n+1)l}\\ S_{(n+1)l}\end{array}\right]=\left[D_n\right]\×\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{nr}}\\ S_{\mathrm{nr}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中：是第n填充层的特征矩阵，d_n为两个体光栅之间填充层厚度。

根据矩阵光学理论，对于振幅为U₀(ω)的初始入射待整形激光脉冲，经N个体光栅介质和N-1个填充层的多次衍射和传播后，所得到的透射脉冲激光和衍射脉冲激光光束的光场可表示为，

$\left[\begin{array}{c}R(T_d,\mathrm{\ω})\\ S(T_d,\mathrm{\ω})\end{array}\right]=\left[M_C\right]\×\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(\mathrm{\ω}\right)\\ 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中包含N个体光栅和N-1个填充层的多层体光栅2的总厚度为

总特征矩阵为：[M_C]＝m_ND_N-1m_N-1…D_nm_n…D₁m₁。

因此，已知待整形脉冲激光光束的振幅分布U₀(ω)和多个体光栅及其填充层的总特征矩阵M_C，即可得到透射脉冲激光L₁和衍射脉冲激光L₂的光场分布。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明：

在本实施例中以包含2个体光栅层1个填充层的多层体光栅2、5个体光栅层4个填充层的多层体光栅2和11个体光栅层10个填充层的多层体光栅2为例进行详细说明。

假设两个体光栅层和1个填充层的多层体光栅2中两个体光栅的厚度分别为T₁和T₂，填充层厚度为d₁，起偏器1与第一检偏器3和第二检偏器4的通光轴方向相互平行。假设待整形的入射脉冲激光为高斯型脉冲，其时间域的振幅分布为：

$u_0\left(t\right)=\exp (-j{\mathrm{\ω}}_{0}t)\exp (-2\ln 2\frac{t^2}{{\mathrm{\τ}}^2})---\left(5\right)$

其中：t表示时间，ω₀＝2πc/λ₀为中心频率和中心波长，Δτ为脉冲宽度。其频谱域的振幅分布可由对(5)式做傅立叶变换得到：

$U_0\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{\frac{{\mathrm{\π\τ}}^2}{2\ln 2}}\exp [-\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{2\ln 2}\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2}{4}]---\left(6\right)$

该脉冲激光的光谱宽度为

选取中心波长λ₀＝1.06μm，Δτ＝50fs，则可得Δλ₀＝33nm。

当入射脉冲宽度Δτ＝50fs，两个体光栅的厚度T₁＝0.5mm和T₂＝0.5mm，填充层厚度为d₁分别为0，0.3mm，0.6mm，0.9mm时，衍射脉冲激光的归一化强度分布如图2所示。从图中可以看出，当中间填充层厚度增加时，衍射脉冲激光强度谱的半高全宽即衍射带宽逐渐变小，分别为23.85nm，18.9nm，15.25nm，12.6nm，同时衍射脉冲旁瓣能量增加，因此衍射脉冲激光光束的振幅形状和衍射带宽都发生了相应的变化。

当入射脉冲宽度Δτ＝50fs，填充厚度d₁固定为0.5mm，两个体光栅的厚度发生变化，选取T₁/T₂＝0.1mm/0.9mm，0.2mm/0.8mm，0.3mm/0.7mm，0.5mm/0.5mm时，衍射脉冲激光的归一化强度分布如图3所示。从图中可以看出，在填充层厚度一定，衍射脉冲激光的衍射带宽随着两层体光栅厚度之差|T₁-T₂|的增大而增大，分别从16.35nm，17.3nm，18.6nm增加到20.8nm，而且脉冲形状也发生相应变化。

当入射脉冲宽度Δτ＝50fs，两个体光栅厚度T₁＝T₂＝0.5mm，填充层厚度d₁＝0.1mm，体光栅的光栅周期分别取Λ＝1μm，3μm，5μm时，衍射脉冲激光的归一化强度分布如图4所示。从图中可以看出，体光栅的光栅周期越小，衍射脉冲激光的衍射带宽越小，脉冲形状变化越剧烈。

当入射脉冲宽度Δτ＝50fs，每个体光栅厚度T_n＝0.5mm，填充层厚度d_n＝0.1mm，体光栅的层数分布为2层、5层和11层时，衍射脉冲激光的归一化强度如图5所示。从图中可以看出，其他体光栅特征参量一定，而体光栅的层数增加时，衍射脉冲激光的带宽变窄和脉冲形状也发生剧烈变化，出现多个边缘脉冲。

由图2～图5可以看出，通过本发明装置及方法，入射的高斯型脉冲激光L₀被整形为不同波形及不同带宽的脉冲激光光束。我们可以根据实际需要的脉冲激光光束在频谱域或时间域上强度分布及波形的不同，通过调整填充层厚度、单个体光栅的厚度、体光栅的光栅周期以及多层体光栅2的层数等参数，可以获得所需的脉冲激光光束。

对于其他非高斯型的脉冲，也可采用上述类似的方法对其进行整形。

Claims (5)

1.一种多层体光栅脉冲激光整形装置，特征在于其构成包括起偏器(1)、多层体光栅(2)、第一检偏器(3)和第二检偏器(4)，所述的起偏器(1)置于所述的多层体光栅(2)之前待整形入射脉冲激光L₀方向，将待整形入射脉冲激光L₀变为线偏振光束并使之入射到所述的多层体光栅(2)，所述的第一检偏器(3)置于所述的多层体光栅(2)的透射脉冲激光光束L₁方向，所述的第二检偏器(4)置于所述的多层体光栅(2)的衍射脉冲激光光束L₂方向。

2.根据权利要求1所述的多层体光栅脉冲激光整形装置及方法，其特征在于所述的多层体光栅(2)是在全息记录介质上记录产生的两个或多个空间分离的透射型或反射型体光栅，每两个体光栅之间有一折射率均匀的填充层，每个体光栅和填充层的层数、厚度和光栅周期等参数的确定要根据脉冲激光带宽和波形的需要，先用多层体光栅脉冲整形方法进行参数优化，然后再制作多层体光栅(2)。

3.根据权利要求1所述的多层体光栅脉冲激光整形装置及方法，其特征在于所述的第一检偏器(3)的通光轴方向相对于所述的起偏器(1)的通光轴方向具有旋转一定角度θ₁的旋转机构，用于调节透射脉冲激光光束的输出波形。

4.根据权利要求1所述的多层体光栅脉冲激光整形装置及方法，其特征在于所述的第二检偏器(4)的通光轴方向相对于所述的起偏器(1)的通过方向具有旋转一定角度θ₂的旋转机构，用于调节衍射脉冲激光光束的输出波形。

5.一种所述的多层体光栅脉冲激光整形方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①选定待整形的脉冲激光光束的波形，确定其中心波长、脉冲宽度和光谱宽度；

②根据待整形脉冲激光的整形要求，根据多层体光栅的衍射光束和透射光束的振幅或光强表达式用计算机编程优化选取相应光栅参量的多层体光栅，根据确定的光栅参量包括体光栅的光栅周期、光栅矢量方向、单层体光栅厚度、填充层厚度和多层体光栅层数制备多层体光栅(2)；

③根据入射脉冲激光光束的偏振状态，将所述的起偏器(1)置于所述的多层体光栅(2)之前待整形入射脉冲激光L₀方向，调整放置在入射光束方向的起偏器(1)的通光轴方向使得入射脉冲激光光束为线偏振光，使待整形入射脉冲激光L₀变为线偏振光束并使之入射到所述的多层体光栅(2)；

④将所述的第一检偏器(3)置于所述的多层体光栅(2)的透射脉冲激光光束L₁方向，所述的第二检偏器(4)置于所述的多层体光栅(2)的衍射脉冲激光光束L₂方向，调整透射脉冲激光光束方向的第一检偏器(3)和衍射脉冲激光光束方向的第二检偏器(4)的通光轴方向，得到所需的脉冲激光光束。

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