CN102013626B - 对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞秒激光波段选取技术，具体是一种对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置。对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置包括偏振分束棱镜、反射光栅、透镜组、可双边独立微调式光栏、光纤、以及光谱仪。本发明有效解决了现有飞秒激光波段选取技术成本昂贵、波段选取不灵活、以及容易对所需波段的激光的光强造成额外的衰减的问题，采用本发明所述的对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置可获得精度为1nm的窄带飞秒激光。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒激光波段选取技术，具体是一种对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置。
背景技术
飞秒光学频率梳是连接光场时间域和频率域精密操控的桥梁。飞秒光学频率梳的成功研制为精密光谱学、超短脉冲相干控制、光钟等重要基础科学问题的研究以及一些物理基本常数的精密测量和探索某些物理常数是否随时间变化等问题的发展带来重大的革命性突破。飞秒光学频率梳可以输出稳定性非常高的飞秒超窄光脉冲，成为精密激光光谱学和精密测量领域不可缺少的科研工具。飞秒光学频率梳输出的高稳定性飞秒激光经光子晶体光纤后展宽成超连续的宽带超窄光脉冲序列，其频带可覆盖可见光的波长范围，其中的每一个频率梳齿都可以作为一较理想的单色光源输出；在某些情形下，需要选取特定波段的飞秒激光作为激光光源，如利用飞秒激光作为激励源泵浦原子、分子时，为避免跃迁线的交叉影响，需要选取特定波段的飞秒激光作为泵浦源。另外，也有将光学频率梳输出的特定波段范围的超窄飞秒光脉冲序列直接作用到原子或分子上，研究原子或分子的超精细结构，称为光梳光谱。
针对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选取问题上，现有技术通常采用滤光片对所需的飞秒激光进行选取,目前国际上一般采用可获得带宽为5-20nm的窄带滤光片（如美国Andover公司生产的FS05-FS20系列），滤光片作为一种波段选择工具具有使用简单的优势，然而其缺点也很明显：首先，制造特殊波段的窄带滤光片价格昂贵（国产约8万元）；其次，滤光片一旦制造成功就无法改变波段，造成波段选取不灵活，不利于科学研究的需要；此外，滤光片不免会对所需波段的激光的光强造成额外的衰减（工作效率最高为85%），以致达不到最佳的使用效果。基于此，急需发明一种成本低廉、波段选取灵活、且不会对所需波段的激光的光强造成额外的衰减，同时能快速、精确、灵活地选择所需波段飞秒激光的波段选取装置。
发明内容
本发明为了解决现有飞秒激光波段选取技术成本昂贵、波段选取不灵活、以及容易对所需波段的激光的光强造成额外的衰减的问题，提供了一种对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置，包括偏振分束棱镜、反射光栅、透镜组、可双边独立微调式光栏、光纤、以及光谱仪；偏振分束棱镜的入射端设有由第一全反射镜、第二全反射镜、第一二分之一玻片依次串接而成的光路；偏振分束棱镜的出射端与反射光栅之间设有由第一四分之一玻片、第三全反射镜依次串接而成的光路；所述透镜组包括第一凸透镜、第二凸透镜、以及第三凸透镜；其中，第一凸透镜设于反射光栅的出射端，第三凸透镜的出射端通过光纤与光谱仪的入射端耦合，第二凸透镜设于第一凸透镜和第三凸透镜之间，第一凸透镜和第二凸透镜之间设有高反射镜；所述可双边独立微调式光栏包括第一光栏和第二光栏；第一光栏和第二光栏位于同一平面，第一光栏侧边与第二光栏侧边之间构成透光缝隙，透光缝隙位于第一凸透镜和高反射镜之间。
工作时，光学频率梳输出的高稳定性飞秒激光经光子晶体光纤展宽成为超连续的宽带飞秒激光，被展宽的宽带飞秒激光依次被第一全反射镜、第二全反射镜反射，然后经第一二分之一玻片入射到偏振分束棱镜，随后由偏振分束棱镜输出的透射光经第一四分之一玻片后被第三全反射镜反射到反射光栅表面，此时反射光栅对宽带飞秒激光产生色散效应，致使不同频率的光沿不同的方向散射，接着被散射的飞秒激光经第一凸透镜会聚并呈现为按不同频率沿一条直线展开的飞秒激光平行光束；这时可以通过调节可双边独立微调式光栏的第一光栏和第二光栏之间的透光缝隙及其位置对会聚后的飞秒激光平行光束进行滤光，滤出所需波段的飞秒激光；被滤出的飞秒激光大部分（反射率>98%）被置于可双边独立微调式光栏后的高反射镜反射后沿原路返回（光路是可逆的）并入射到偏振分束棱镜，最后由偏振分束棱镜输出的反射光用于科学研究和实践应用，另外极小部分经高反射镜后透射到对其有会聚作用的第二凸透镜，并通过第三凸透镜将第二凸透镜的汇聚光耦合到光纤，然后经光纤连接到光谱仪；在此过程中，光谱仪对滤出的飞秒激光进行同步记录、监视，根据光谱仪所显示的波段调节可双边独立微调式光栏，即通过移动第一光栏和第二光栏来改变透光缝隙的位置和宽度，即可滤出所需波段的飞秒激光，从而实现对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择。与现有波段选取技术（滤光片）相比，本发明所述的对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置通过调节可双边独立微调式光栏实现了波段的灵活选取，其成本低廉且不会对所需波段的激光的光强造成额外的衰减（工作效率可达到95%），同时能够快速、精确、灵活地选择所需波长范围的飞秒激光。
进一步地，还包括腔体；腔体上开有入射小孔和出射小孔；其中，入射小孔与第一全反射镜位置正对，出射小孔与偏振分束棱镜位置正对；第一全反射镜、第二全反射镜、第一二分之一玻片、偏振分束棱镜、第一四分之一玻片、第三全反射镜、反射光栅、透镜组、可双边独立微调式光栏、高反射镜（反射率>98%）、光纤、以及光谱仪均设于腔体内；工作时，被展宽的宽带飞秒激光经腔体的入射小孔进入腔体内，然后完成后续的波段选择工作，被高反射镜反射后沿原路返回的飞秒激光被偏振分束棱镜反射，最后由偏振分束棱镜输出的反射光经腔体的出射小孔输出用于科学研究和实践应用。
本发明有效解决了现有飞秒激光波段选取技术成本昂贵、波段选取不灵活、以及容易对所需波段的激光的光强造成额外的衰减的问题，采用本发明所述的对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置可获得精度为1nm的窄带飞秒激光。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置，包括偏振分束棱镜PBS、反射光栅G、透镜组、可双边独立微调式光栏、光纤X、以及光谱仪SM；偏振分束棱镜PBS的入射端设有由第一全反射镜M1、第二全反射镜M2、第一二分之一玻片P1依次串接而成的光路；偏振分束棱镜PBS的出射端与反射光栅G之间设有由第一四分之一玻片P2、第三全反射镜M3依次串接而成的光路；所述透镜组包括第一凸透镜L1、第二凸透镜L2、以及第三凸透镜L3；其中，第一凸透镜L1设于反射光栅G的出射端，第三凸透镜L3的出射端通过光纤X与光谱仪SM的入射端耦合，第二凸透镜L2设于第一凸透镜L1和第三凸透镜L3之间，第一凸透镜L1和第二凸透镜L2之间设有高反射镜M4；所述可双边独立微调式光栏包括第一光栏H1和第二光栏H2；第一光栏H1和第二光栏H2位于同一平面，第一光栏H1侧边与第二光栏H2侧边之间构成透光缝隙，透光缝隙位于第一凸透镜L1和高反射镜M4之间；
还包括腔体；腔体上开有入射小孔C1和出射小孔C2；其中，入射小孔C1与第一全反射镜M1位置正对，出射小孔C2与偏振分束棱镜PBS位置正对；第一全反射镜M1、第二全反射镜M2、第一二分之一玻片P1、偏振分束棱镜PBS、第一四分之一玻片P2、第三全反射镜M3、反射光栅G、透镜组、可双边独立微调式光栏、高反射镜M4、光纤X、以及光谱仪SM均设于腔体内，如图1所示；
工作时，光学频率梳输出的高稳定性飞秒激光经光子晶体光纤展宽成为超连续的宽带飞秒激光，被展宽的宽带飞秒激光经腔体的入射小孔C1进入腔体内，依次被第一全反射镜M1、第二全反射镜M2反射，然后经第一二分之一玻片P1入射到偏振分束棱镜PBS，随后由偏振分束棱镜PBS输出的透射光经第一四分之一玻片P2后被第三全反射镜M3反射到反射光栅G表面，此时反射光栅G对宽带的飞秒激光产生色散效应，致使不同频率的光沿不同的方向散射，接着被散射的飞秒激光经第一凸透镜L1会聚并呈现为按不同频率沿一条直线展开的飞秒激光平行光束；这时可以通过调节可双边独立微调式光栏的第一光栏H1和第二光栏H2之间的透光缝隙及其位置对会聚后的飞秒激光平行光束进行滤光，滤出所需波段的飞秒激光；被滤出的飞秒激光大部分（反射率>98%）被置于可双边独立微调式光栏后的高反射镜M4反射后沿原路返回（光路是可逆的）并入射到偏振分束棱镜PBS，最后由偏振分束棱镜PBS输出的反射光经腔体的出射小孔C2输出用于科学研究和实践应用，另外极小部分经高反射镜M4后透射到对其有会聚作用的第二凸透镜L2，并通过第三凸透镜L3将第二凸透镜L2的汇聚光耦合到光纤X，然后经光纤X连接到光谱仪SM；在此过程中，光谱仪SM对滤出的飞秒激光进行同步记录、监视，根据光谱仪所显示的波段调节可双边独立微调式光栏，即通过移动第一光栏H1和第二光栏H2来改变透光缝隙的位置和宽度，即可滤出所需波段的飞秒激光，从而实现对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择；
具体实施时，所述第一全反射镜M1、第二全反射镜M2、第三全反射镜M3均为宽带介质膜全反射镜；所述偏振分束棱镜PBS的带宽为400-900nm；所述反射光栅G为每毫米1800根线；所述第一凸透镜L1、第二凸透镜L2均为直径为50 mm、带宽为350-900 nm的大凸透镜；所述可双边独立微调式光栏由可以分别独立移动的第一光栏和第二光栏组成，并通过步进的电动微控电机驱动；所述光谱仪SM可以连接到PC机上直接观测。
Claims (2)
1.一种对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置，其特征在于：包括偏振分束棱镜（PBS）、反射光栅（G）、透镜组、可双边独立微调式光栏、光纤（X）、以及光谱仪（SM）；偏振分束棱镜（PBS）的入射端设有由第一全反射镜（M1）、第二全反射镜（M2）、第一二分之一波片（P1）依次串接而成的光路；偏振分束棱镜（PBS）的出射端与反射光栅（G）之间设有由第一四分之一波片（P2）、第三全反射镜（M3）依次串接而成的光路；所述透镜组包括第一凸透镜（L1）、第二凸透镜（L2）、以及第三凸透镜（L3）；其中，第一凸透镜（L1）设于反射光栅（G）的出射端，第三凸透镜（L3）的出射端通过光纤（X）与光谱仪（SM）的入射端耦合，第二凸透镜（L2）设于第一凸透镜（L1）和第三凸透镜（L3）之间，第一凸透镜（L1）和第二凸透镜（L2）之间设有高反射镜（M4）；所述可双边独立微调式光栏包括第一光栏（H1）和第二光栏（H2）；第一光栏（H1）和第二光栏（H2）位于同一平面，第一光栏（H1）侧边与第二光栏（H2）侧边之间构成透光缝隙，透光缝隙位于第一凸透镜（L1）和高反射镜（M4）之间。
2.根据权利要求1所述的对光学频率梳输出的飞秒激光的波段选择装置，其特征在于：还包括腔体；腔体上开有入射小孔（C1）和出射小孔（C2）；其中，入射小孔（C1）与第一全反射镜（M1）位置正对，出射小孔（C2）与偏振分束棱镜（PBS）位置正对；第一全反射镜（M1）、第二全反射镜（M2）、第一二分之一波片（P1）、偏振分束棱镜（PBS）、第一四分之一波片（P2）、第三全反射镜（M3）、反射光栅（G）、透镜组、可双边独立微调式光栏、高反射镜（M4）、光纤（X）、以及光谱仪（SM）均设于腔体内。
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