CN101887201A - 波长选择装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波长选择装置，包括用于实现不同波长成分在空间分离的声光偏转器、透镜及用于选择特定波长的具有狭缝的挡板，此外，还包括设置在透镜与挡板之间的用于补偿由声光偏转器所引起的延时色散的液晶空间光调制器，声光偏转器和液晶空间光调制器分别位于所述透镜的两个焦点处。上述波长选择装置可以实现超连续谱中微秒级快速无色散波长选择，并且可保持出射光束与入射光束共线，便于光路的调节，其结构紧凑，易于调节，可广泛应用于生物医学成像、光存储和微细加工等众多研究领域。

Description

波长选择装置

【技术领域】

本发明涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种基于超连续谱的快速波长选择装置。

【背景技术】

超连续谱光源不仅具有超宽带，同时还具有良好的相干性和准直性，以及可以与激光相媲美的高亮度，在超短脉冲产生、光计量学、光通信以及生物医学成像等领域获得了广泛的应用。在实际应用中，如何对超连续谱光源带宽范围内所需的特定波长进行快速选择，已成为上述众多应用领域亟待解决的关键问题。

传统的对超连续谱中所需波长进行选择主要通过以下三种方法来实现：

(1)采用光学滤光片进行波长选择，如图1所示，通过配置相应的带通滤光片，从超连续谱中筛选出所需的波长。这一方法在实际操作中颇为不便，只能通过手动更换滤光片或者旋转装有多个滤光片的镜架来实现波长的切换，其切换速度慢，且针对所需的每一个波长，都需要购置相应的滤光片。

(2)采用棱镜分光计结合狭缝进行波长选择，如图2所示，采用棱镜将超连续谱中不同波长的光谱成分在空间横向展开，通过一定宽度的狭缝选取一定带宽的光谱，并通过移动狭缝的位置来选择不同的波长。这一方法可以实现较为快速的波长选择(可达毫秒级)，但由于狭缝需要机械运动，受机械运动固有的惯性、漂移、性能退化等因素的影响，在长期的使用过程中，波长选择的精度难以得到保证。

(3)采用声光器件进行波长选择，如图3所示，利用声光衍射效应实现超连续谱中不同波长成分在空间的横向分离，并通过改变声光器件的工作频率选取出所需的波长。这一方法基于声光互作用原理，无需机械移动任何部件即可实现快速波长选择(可达微秒量级)，且波长选择精度高，可重复性好。但由于声光器件本身存在严重的色散效应，往往使得出射的激光脉冲被严重展宽，峰值功率也严重下降。这一方法应用于多光子显微成像以及高精度微细加工等领域时，往往造成激发效率降低，甚至不能实现激发，从而带来图像质量下降以及加工精度降低等众多问题。

【发明内容】

基于此，为解决传统的采用声光器件进行波长选择过程中存在的色散效应及激光脉冲被展宽的问题，有必要提供一种能实现色散补偿，对激光脉冲进行有效压缩的波长选择装置。

一种波长选择装置，包括用于实现不同波长成分在空间分离的声光偏转器、透镜及用于选择特定波长的具有狭缝的挡板，此外，还包括设置在所述透镜与所述挡板之间的用于补偿所述声光偏转器所引起的延时色散的液晶空间光调制器，所述声光偏转器和所述液晶空间光调制器分别位于所述透镜的两个焦点处。

优选的，所述声光偏转器的工作频率f须满足如下公式：

$f=\frac{{\mathrm{\λ}}_c{f}_c}{\mathrm{\λ}},$

其中，λ_c为所述声光偏转器的设计中心波长，f_c为所述声光偏转器的中心频率，λ为所需的特定波长。

优选的，所述狭缝的宽度ΔD须满足如下公式：

$\mathrm{\ΔD}=\frac{\mathrm{\Δ\λf}}{v}F,$

其中，Δλ为所需的特定波长光的带宽，F为所述透镜的焦距，v为所述声光偏转器中声波传播速度。

优选的，所述液晶空间光调制器上所加的相位函数Φ(ω_j)须满足如下公式：

$\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\ω}}_j\right)=-\frac{1}{2}{\mathrm{GDD}}_m{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_0)}^2,j\∈[-N,N],$

其中，GDD_m为所述声光偏转器引起的延时色散，ω₀为入射激光中心频率，ω_j为所述液晶空间光调制器上第j个液晶单元处的光谱频率分量，N为自然数，

c为真空中光速，n为所述声光偏转器中声光晶体的折射率，l为所述声光晶体的厚度。

采用液晶空间光调制器，可通过编程的方法加入任意的相位函数，从而在理论上可实现任意大小的色散补偿量；在选择不同波长的过程中，只需要改变相应液晶空间光调制器上的相位函数，即可实现对不同波长激光的延时色散补偿，而不必重新改变装置的结构，操作更简便，结果更准确。

上述波长选择装置可以实现超连续谱中微秒级快速无色散波长选择，并且可保持出射光束与入射光束共线，便于光路的调节，其结构紧凑，易于调节，可广泛应用于生物医学成像、光存储和微细加工等众多研究领域。

【附图说明】

图1为基于光学滤光片实现超连续谱中波长选择示意图。

图2为基于棱镜分光计结合狭缝实现超连续谱中波长选择示意图。

图3为基于声光器件和狭缝实现超连续谱中波长选择示意图。

图4为本发明的波长选择装置结构示意图。

图5为液晶空间光调制器上光谱频率分布示意图。

【具体实施方式】

下面主要结合附图对波长选择装置的结构作进一步的说明。

如图4所示为波长选择装置一优选实施例的结构示意图，该波长选择装置包括用于实现不同波长成分在空间分离的声光偏转器410，透镜420、用于补偿延时色散的光调制器430和用于选择特定波长的具有狭缝440的挡板450，其中声光偏转器410和液晶空间光调制器430分别位于透镜420的两个焦点处。

当声光偏转器410在某一频率工作时，不同波长的激光进入声光偏转器410后将会沿不同方向出射，如图3～5所示，工作在反常Bragg衍射模式下的出射光偏转角θ满足公式(I)：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λf}}{v}---\left(I\right)$

其中，f为声光偏转器410的工作频率，λ为激光波长，v为声光偏转器410中声波的传播速度。

当入射激光波长等于声光偏转器410的设计中心波长，且声光偏转器410工作在中心频率时，出射光束与入射光束将保持共线。以法国AA公司的DTS.XY-250声光偏转器为例，其设计中心波长为λ_c＝800nm，中心频率为f_c＝96MHz，当入射波长为800nm，DTS.XY-250工作在96MHz时，出射光束与入射光束将保持共线。而从(I)式我们可以看到，当入射激光波长λ改变时，如果同时改变声光偏转器410的工作频率f，使得λf＝λ_cf_c，则仍然可以保持光束偏转角θ不变。因此，当声光偏转器410的工作频率f满足以下公式(II)时，出射光束与入射光束可保持共线：

$f=\frac{{\mathrm{\λ}}_c{f}_c}{\mathrm{\λ}}---\left(\mathrm{II}\right)$

基于上述原理，在对特定波长进行选择时，可以首先调节声光偏转器410的工作频率，使其满足上述(II)式，使得选择所需的特定波长光仍然沿原入射方向传输，而其它波长的激光则在经过透镜420后偏离轴向，并因偏离导致无法通过狭缝440，从而可选择出所需的特定波长光。

狭缝440的宽度由以下(III)式决定：

$\mathrm{\ΔD}=\frac{\mathrm{\Δ\λf}}{v}F---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，Δλ为所需的特定波长光的带宽，F为所述透镜的焦距，v为所述声光偏转器410中声波传播速度。

超连续谱经过声光偏转器410后，由于延时色散效应的存在，即不同光谱成分在声光偏转器410中的传播速度不同，相互之间具有时间延迟，从而导致脉冲展宽。本实施例中，主要的延时色散来源于声光偏转器410中的声光晶体。常用的声光晶体材料为TeO₂，为TeO₂是一种高色散介质，其延时色散表达式为(IV)：

${\mathrm{GDD}}_m=\frac{{\mathrm{\λ}}^3}{2\mathrm{\π}{c}^2}\frac{d^{2}n}{d{\mathrm{\λ}}^2}\·l---\left(\mathrm{IV}\right)$

延时色散是光谱相位关于光谱频率的二阶导数，其中，c为真空中光速，n为声光偏转器410中声光晶体的折射率，l为声光晶体的厚度。

以AA公司的DTS.XY-250声光偏转器为例，单个声光偏转器引入的延时色散量约为7000fs²左右，这一色散量将会把100fs的激光脉冲展宽到约220fs，并严重降低激光脉冲的峰值功率。

本实施例中，采用液晶空间光调制器430对超连续谱的延时色散效应进行补偿。液晶空间光调制器430的基本单元是液晶像素，每个液晶像素在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，从而对经过其中的激光脉冲相位进行调制。

由于延时色散是光谱相位关于光谱频率的二阶导数，为了补偿延时色散，只需在液晶空间光调制器430上加入一定的相位，使其提供的延时色散量的大小与声光偏转器410的材料色散大小相等，符号相反即可(即-GDD_m)，如图5所示，声光偏转器410将超连续谱在空间横向展开，在第j个液晶像素上，有对应的光谱成分ω_j，可得液晶空间光调制器430上所加的相位函数Φ(ω_j)须满足以下公式(V)：

$\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\ω}}_j\right)=-\frac{1}{2}{\mathrm{GDD}}_m{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_0)}^2,j\∈[-N,N]---\left(V\right)$

式中N为自然数，液晶空间光调制器430上的液晶像素数为2N+1个。在实际应用中，液晶空间光调制器430的液晶单元越精细，对延时色散的补偿效果越好。

本实施例中，采用液晶空间光调制器430，可通过编程的方法加入任意的相位函数，从而在理论上可实现任意大小的色散补偿量。在选择不同波长的过程中，只需要改变相应液晶空间光调制器430上的相位函数，即可实现对不同波长激光的延时色散补偿，而不必重新改变装置的结构，操作更简便，结果更准确。

上述波长选择装置可以实现超连续谱中微秒级快速无色散波长选择，并且可保持出射光束与入射光束共线，便于光路的调节，其结构紧凑，易于调节，可广泛应用于生物医学成像、光存储和微细加工等众多研究领域。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种波长选择装置，包括用于实现不同波长成分在空间分离的声光偏转器、透镜及用于选择特定波长的具有狭缝的挡板，其特征在于，还包括设置在所述透镜与所述挡板之间的用于补偿所述声光偏转器所引起的延时色散的液晶空间光调制器，所述声光偏转器和所述液晶空间光调制器分别位于所述透镜的两个焦点处。

2.如权利要求1所述的波长选择装置，其特征在于，所述声光偏转器的工作频率f须满足如下公式：

$f=\frac{{\mathrm{\λ}}_c{f}_c}{\mathrm{\λ}},$

其中，λ_c为所述声光偏转器的设计中心波长，f_c为所述声光偏转器的中心频率，λ为所需的特定波长。

3.如权利要求2所述的波长选择装置，其特征在于，所述狭缝的宽度ΔD须满足如下公式：

$\mathrm{\ΔD}=\frac{\mathrm{\Δ\λf}}{v}F,$

其中，Δλ为所需的特定波长光的带宽，F为所述透镜的焦距，v为所述声光偏转器中声波传播速度。

4.如权利要求1所述的波长选择装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器上所加的相位函数Φ(ω_j)须满足如下公式：

$\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\ω}}_j\right)=-\frac{1}{2}{\mathrm{GDD}}_m{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_0)}^2,j\∈[-N,N],$

其中，GDD_m为所述声光偏转器引起的延时色散，ω₀为入射激光中心频率，ω_j为所述液晶空间光调制器上第j个液晶单元处的光谱频率分量，N为自然数，

c为真空中光速，n为所述声光偏转器中声光晶体的折射率，l为所述声光晶体的厚度。

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