CN102662287B - 飞秒脉冲色散补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光栅和棱镜组合结构的飞秒脉冲色散补偿装置，包括互相平行的光栅对和斜边平行放置的同等大小的等腰直角棱镜对，第二光栅的刻线密度是第一光栅的两倍。带有啁啾的脉冲垂直入射到第一等腰直角棱镜的直角边，在第一光栅的刻线处发生一级衍射后，分别经过第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的折射，在第二光栅发生一级衍射后返回，从第一棱镜的直角边输出。该补偿装置具有结构简单紧凑、补偿量大、可同时完全补偿二阶（群速度色散）和三阶色散的特点，在飞秒脉冲色散补偿领域有广阔应用前景。

Description

飞秒脉冲色散补偿装置

技术领域

本发明涉及光脉冲的色散补偿，尤其是一种飞秒脉冲色散补偿装置。

背景技术

随着啁啾脉冲放大（CPA）激光技术的发展，近年来对啁啾展宽脉冲的色散补偿和压缩技术也受到广泛重视，最常使用的色散补偿装置是棱镜对或光栅对。

在先技术1[E.B.Treacy，IEEE J.Quantum Electron.QE-5,454-458(1969)]提出了利用衍射光栅对进行脉冲压缩的方法，其原理是利用光栅对产生的角色散补偿啁啾脉冲中的二阶色散（群速色散）来起到压缩脉冲的目的。透明材料对于波长小于1000nm的光产生的三阶色散和二阶色散都是正的，在皮秒脉冲领域，由于皮秒脉冲频谱宽度较窄，其高阶色散很小可以忽略，然而，在飞秒脉冲领域，由于飞秒脉冲的频谱较宽，其在展宽和传输过程产生的高阶色散会使脉冲产生严重畸变，因而不能忽略。光栅对压缩器虽然能提供负的群速色散使脉冲变窄压缩，但是其产生的三阶色散始终是正的，故不仅不能补偿三阶色散，还会使三阶色散变得更大。

在先技术2[R.L.Fork,O.E.Martinez,J.P.Gorden,Opt.lett.9(5),150~152(1984)]使用棱镜对补偿色散的原理如下：第一等腰直角棱镜对入射脉冲产生角色散，经过第二等腰直角棱镜后产生负的二阶色散（群速色散），调节棱镜对之间的距离可以调节负群速色散量。棱镜对产生负的群速色散的同时产生负的三阶色散，但是由于脉冲经过棱镜对后仍然带有空间啁啾，故需要另外一对完全相同的棱镜对或者一面反射镜以补偿空间啁啾，增加了装置体积和光路的调节困难。

在先技术3[杨鑫，谢兴龙，啁啾脉冲压缩器，发明专利，公开号：CN 1564051A]提出在平行光栅对之间加入由平凹透镜、双凸透镜和双凹透镜组成的望远镜及全反射镜产生不同阶次的色散作为CPA的压缩器。该装置通过移动望远镜中透镜的相对位置来补偿三阶色散。其缺点是光学元件过多，结构复杂难以调节，装置结构大。

在先技术4[周常河，郑将军，飞秒脉冲压缩装置，发明专利，公开号：CN200959058]提出用倍密度光栅对进行飞秒脉冲压缩，该技术中第二光栅的密度是第一光栅的两倍，从而使第一光栅的一级衍射光经过第二光栅的同级衍射后原路返回，从而简化了装置。但其光栅对产生的三阶色散同样也是正的，不能补偿材料色散引起的正的三阶色散。

发明内容

本发明提供一种飞秒脉冲色散补偿装置。该装置可同时有效补偿二阶色散和三阶色散，且具有结构紧凑和补偿量大的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒脉冲色散补偿装置，特点在于其构成包括置于平台上的两块大小相同的斜边平行且相对的第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜，在所述的第一等腰直角棱镜的左侧平行于直角边设置第一光栅，在所述的第二等腰直角棱镜的右侧平行于直角边设置第二光栅，所述的第二光栅的线密度是第一光栅的线密度的两倍，带有啁啾的脉冲垂直于第一等腰直角棱镜的另一直角边入射，经斜边全反射并平行于第一光栅的直角边的折射后，垂直入射在第一光栅上并发生衍射，再次进入第一等腰直角棱镜中，从第一等腰直角棱镜斜边出射后从第二等腰直角棱镜斜边入射，经第二等腰直角棱镜折射后入射到第二光栅，光脉冲经第二光栅一级衍射后返回，由第一等腰直角棱镜的另一直角边输出。

所述的第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的材料为重火石玻璃。

所述第一光栅和第一等腰直角棱镜的距离，第二光栅和第二等腰直角棱镜的距离d1相等，且满足d1<5mm。

所述的第一光栅（2）的线密度l满足关系式：

$\frac{n\sin [\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \left(\frac{1}{n}\right)]}{\mathrm{\&lambda;}\&times;{10}^3}<l<\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}\&times;{10}^3},$

式中：n为第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的材料折射率，λ为飞秒脉冲的中心波长。

所述的第二光栅放置在可使其以底边为轴旋转的一维角度调节结构上，旋转的角度α满足-2°<α<2°。

所述的第二等腰直角棱镜和第二光栅固定在同一移动平台上，且第一等腰直角棱镜和第一光栅固定在同一移动平台上以调节第一等腰直角棱镜与第二等腰直角棱镜的垂直距离或水平距离，第二棱镜和第二光栅均位于第一棱镜的出射光的光路上。第二光栅的线密度是第一光栅的两倍，第一光栅的光栅常数为d，第二光栅的光栅常数为d/2。

带有啁啾的脉冲从第一等腰直角棱镜的无光栅的直角边垂直入射，经斜边全反射后经第一光栅的衍射，一级衍射角θ₁满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}$

其中，θ₁为衍射角，λ为入射光波长。光线从第一等腰直角棱镜斜边出射后从第二等腰直角棱镜斜边边上入射，经折射后入射到第二光栅上，光脉冲经第二光栅一级衍射后返回，由第一等腰直角棱镜的另一直角边输出。

由于第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜斜边平行且是完全相同的等腰直角棱镜，则第二光栅的入射角的水平分量与第一光栅的衍射角相等。第二光栅的线密度是第一光栅的线密度的两倍，则第二光栅的一级衍射角在水平面内分量θ₂满足：

$\sin {\mathrm{\&theta;}}_1+\sin {\mathrm{\&theta;}}_2=\frac{2\mathrm{\&lambda;}}{d}$

由上两个式子可得θ₁=θ₂。

为了使出射光和入射光分开，第二光栅以底边为轴顺时针旋转角度α，该α满足-2°<α<2°。衍射光线在水平面上投影与入射光线重合、在竖直面上偏移角度α，最后并从第一等腰直角棱镜的无光栅的直角边出射，出射光在入射光的上方（α>0°）或者下方（α<0°）。

所述的第一等腰直角棱镜和第一光栅固定在第一水平移动平台上，第二等腰直角棱镜和第二光栅固定在第二水平移动平台上，第二水平移动平台固定在第一水平移动平台上，以调节第一等腰直角棱镜与第二等腰直角棱镜的水平和垂直距离，产生不同大小的二阶色散和三阶色散以补偿输入脉冲所带的色散。且第二棱镜和第二光栅均位于第一棱镜的出射光的光路上。

本发明的技术效果如下：

本发明装置通过光栅和棱镜的结合，产生负的二阶色散补偿展宽器和材料中引起的负群速色散，同时可产生负的三阶色散以补偿三阶色散，去除了三阶色散带来的脉冲畸变，使输出飞秒脉冲接近傅里叶极限。同时其第二光栅的线密度是第一光栅的双倍，使光脉冲几乎原路返回，减免了反射镜的使用，结构紧凑，效率更高。

附图说明

图1是本发明色散补偿装置的俯视结构示意图

图2是本发明中棱镜对的与二维手动平移台的结构示意图

图3是本发明中棱镜与光栅组合结构与一维手动平移台结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明装置进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明飞秒脉冲色散补偿装置，包括第一等腰直角第一等腰直角棱镜1、第二等腰直角棱镜3、第一光栅2和第二光栅4。所述第二光栅线密度是第一光栅的2倍。所述第一光栅2是垂直入射下对输入中心波长的闪耀光栅，第二光栅4是自准直条件下对中心波长的闪耀光栅。通过计算得到的入射脉冲的二阶色散和三阶色散的比例，通过调节第一等腰直角棱镜1和第二等腰直角棱镜3之间的位置、第一等腰直角棱镜1与第一光栅2之间距离以及第二等腰直角棱镜3与第二光栅4之间距离（即光栅和棱镜间距），通过使用不同线密度的光栅，可以完全补偿入射脉冲的二阶及三阶色散，使输出脉冲宽度接近傅里叶极限。

本发明的工作过程是：

带啁啾的飞秒脉冲垂直入射到第一等腰直角棱镜的直角边上，在棱镜中发生折射和全反射再折射后，入射到第一光栅上发生衍射，脉冲中的不同波长成分在光栅2的衍射面上一级衍射展开，入射到第一等腰直角棱镜1直角边11上，从斜边出射，即脉冲经过了第一等腰直角棱镜1棱镜的色散分光，接着从第二等腰直角棱镜3斜边边上入射，再一次经过第二等腰直角棱镜3的色散分光后入射到第二光栅4上，经第二光栅4一级衍射后返回，并从第一等腰直角棱镜1的直角边11出射，光脉冲在光栅和棱镜对中经过两次，使压缩比提高了一倍，在不需要全反射镜的情况下使整个装置同样达到了紧凑和高效的目的。

为了使输出脉冲与输入脉冲分开，可使第一光栅2以光栅的底边为轴，顺时针或逆时针偏转0~2°，从而使第一等腰直角棱镜1的入射直角面11上的输出光斑在入射光斑的垂直下方或者上方，如图1所示。

棱镜与光栅的距离调节是为了达到色散补偿的目的，调节步骤如下：

1）根据补偿量确定系统需要提供的二阶色散量，选择合适线密度的光栅和棱镜尺寸，然后调节第二等腰直角棱镜3和第二光栅4的位置，如图2所示。将第二等腰直角棱镜3和第二光栅4固定在同一移动平台上，且第一等腰直角棱镜1和第一光栅2固定在同一移动平台上，以调节第一等腰直角棱镜与第二等腰直角棱镜的垂直距离或水平距离。第一等腰直角棱镜1的棱镜面12和第二等腰直角棱镜3的棱镜面32的距离为两棱镜的水平距离，棱镜面11和棱镜面31的距离为两棱镜的垂直距离，调节水平距离和垂直距离以改变二阶色散量。固定其中一个不变，另一个距离越大，可提供的色散量也越大。同时确保第二等腰直角棱镜3和第二光栅4均位于第一等腰直角棱镜1的出射光的光路上。

2）根据输入脉冲三阶色散与二阶色散的比例调整光栅和棱镜之间距，如图3所示。将第一光栅2置于移动方向与第一等腰直角棱镜1的直角边11平行的手动平移台6上，调节光栅面21和第一等腰直角棱镜的棱镜面12之间的距离。保持棱镜面12和光栅面21距离不变，根据此间距以同样方式调节第二等腰直角棱镜3和第二光栅4的距离。光栅和棱镜间距越大，三阶色散和二阶色散的比例越大。由于光栅与棱镜之间的距离相对棱镜尺寸很小，故此调整只对二阶色散产生极其微量的影响，此影响可通过反复微调棱镜间相对位置和光栅棱镜间距来弥补。为了使输出脉冲与输入脉冲分开，使第一光栅2以光栅的底边为轴，顺时针或逆时针偏转0~2°。

当带有正二阶和三阶色散的脉冲光输入到本发明装置中，本发明飞秒脉冲色散补偿装置被调整到其提供的负二阶色散与入射脉冲中的正二阶色散相等且负三阶色散和负的二阶色散的比例与入射脉冲中的比例相等时，即可同时补偿二阶和三阶色散，输出接近傅里叶极限的脉冲。

Claims (6)

1.一种飞秒脉冲色散补偿装置，特征在于其构成包括置于平台上的两块大小相同的斜边平行且相对的第一等腰直角棱镜（1）和第二等腰直角棱镜（3），在所述的第一等腰直角棱镜（1）的左侧平行于直角边设置第一光栅（2），在所述的第二等腰直角棱镜（3）的右侧平行于直角边设置第二光栅（4），所述的第二光栅（4）的线密度是第一光栅（2）的线密度的两倍，带有啁啾的脉冲垂直于第一等腰直角棱镜（1）的另一直角边（11）入射，经斜边全反射并平行于第一光栅的直角边的折射后，垂直入射在第一光栅（2）上并发生衍射，再次进入第一等腰直角棱镜（1）中，从第一等腰直角棱镜（1）斜边出射后从第二等腰直角棱镜（3）斜边入射，经第二等腰直角棱镜（3）折射后入射到第二光栅（4），光脉冲经第二光栅（4）一级衍射后返回，由第一等腰直角棱镜（1）的另一直角边（11）输出。

2.根据权利要求1所述的飞秒脉冲色散补偿装置，其特征在于所述的第一等腰直角棱镜（1）和第二等腰直角棱镜（3）的材料为重火石玻璃。

3.根据权利要求1所述的飞秒脉冲色散补偿装置，其特征在于所述第一光栅（2）和第一等腰直角棱镜（1）的距离，第二光栅（4）和第二等腰直角棱镜（3）的距离d1相等且满足d1<5mm。

4.根据权利要求1所述的飞秒脉冲色散补偿装置，其特征在于所述的第一光栅（2）的线密度l满足关系式：

$\frac{n\sin [\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\arcsin \left(\frac{1}{n}\right)]}{\mathrm{\&lambda;}\&times;{10}^3}<l<\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}\&times;{10}^3},$

式中：n为第一等腰直角棱镜（1）和第二等腰直角棱镜（3）的材料折射率，λ为飞秒脉冲的中心波长。

5.根据权利要求1所述的飞秒脉冲色散补偿装置，其特征在于所述的第二光栅（4）放置在可使以其底边为轴旋转的的一维角度调节结构上，该旋转角度α满足-2°<α<2°。

6.根据权利要求1至5任一项所述的飞秒脉冲色散补偿装置，其特征在于所述的第二等腰直角棱镜（3）和第二光栅（4）固定在同一移动平台上，且第一等腰直角棱镜（1）和第一光栅（2）固定在同一移动平台上以调节第一等腰直角棱镜（1）与第二等腰直角棱镜（3）的垂直距离或水平距离，第二等腰直角棱镜（3）和第二光栅（4）均位于第一等腰直角棱镜（1）的出射光的光路上。

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