CN103091858B - 频率线性啁啾脉冲分束与整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置，包括光折变晶体平板、复用体全息光栅以及整形体全息光栅，复用体全息光栅的光栅矢量方向不同，其他特征参数相同，整形体全息光栅的光栅间距不同，其他特征参数相同，它们分别放置在每路啁啾脉冲激光后面对脉冲进行整形。本发明将复用体全息光栅以及整形体全息光栅都集成于单块光折变晶体平板内，结构紧凑，稳定可靠，将全息光栅的波分解复用技术和整形技术有机结合，可对一般啁啾脉冲激光脉冲实现频移和整形，尤其适用于大能量高功率的啁啾脉冲系统。

Description

频率线性啁啾脉冲分束与整形装置

技术领域

本发明涉及体全息光栅的波分复用与整形技术，更具体地说，是涉及一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置。

背景技术

超短脉冲激光具有高时间分辨率和丰富的频谱等特点，在强场物理、超快成像和激光光谱学等领域得到广泛应用。由于宽光谱特性，人们可使用棱镜或光栅等光学色散元件对啁啾脉冲进行整形。体全息光栅是一种衍射光学元件，由于具有光学并行传输和处理、无干扰交叉传输、光束三维传播自由度以及空间和频率的多维复用等优点，具有高衍射效率和大的信息容量从而在光学存储和彩色全息倍受关注外，在脉冲激光滤波和整型方面成为近期的研究热点。

在D.E.Leaird,A.M.Weiner,Femtosecond direct space-to-timepulse shaping in an integrated-optic configuration,Opt.Lett.2004,29:1551-1553.的期刊中，Leaird等人提出时域Fourier变换进行整形的方法，将光栅与透镜共同组成零色散脉冲压缩4f系统，入射超短光脉冲的各频率成分由第一块光栅在空间被色散开，然后由透镜聚焦到其后焦平面上形成衍射极限光斑，空间光调制器对各Fourier分量进行调制，第二个透镜和光栅合成为单一准直光束，获得整形的输出脉冲。但是，现有技术中超短脉冲激光具有很宽的频谱，凸透镜会带来严重的色差，导致输出脉冲波形不理想。另外空间光调制器的损伤域值低，大功率的超短脉冲入射会损坏而不能进行光学相位调制，而且实验中用多个分离的光学元件，对光路调节精度要求高，稳定性不好，这些缺点限制了4F结构的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置,包括：一组复用体全息光栅，由多个记录在同一空间内的体全息光栅组成，其光栅矢量方向不同，光栅厚度和光栅间距相同，用于将入射啁啾脉冲分成多路不同方向和中心频率不同的啁啾脉冲；一组整形体全息光栅，由多个记录在不同空间位置的体全息光栅组成，其光栅间距不同，光栅矢量和光栅厚度相同，用于对分离的多路线性啁啾脉冲进行整形；以及一块光折变晶体平板，复用体全息光栅和整形体全息光栅都集成在该平板内，可为单掺杂铌酸锂晶体，双掺杂铌酸锂晶体；并且复用体全息光栅的光栅矢量与传播方向的夹角度线性递增，整形体全息光栅的光栅间距也线性递增。

与现有技术相比，采用本发明的频率线性啁啾脉冲分束与整形装置，包括一块光折变晶体平板和多个体全息光栅；所有的体全息光栅分为两组，都按照一定规律记录在光折变晶体平板内，一组为多路复用体全息光栅，其光栅矢量方向不同，其他特征参数相同，另一组为整形体全息光栅，其光栅间距不同，其他特征参数相同，分别放置在每路啁啾脉冲激光后面对脉冲进行整形。本发明将分束用和整形用的体全息光栅都集成于单块光折变晶体平板内，结构紧凑，稳定可靠，将体全息光栅的波分解复用技术和整形技术有机结合，可对一般啁啾脉冲激光脉冲实现频移和整形，尤其适用于大能量高功率的啁啾脉冲系统。

本发明的频率线性啁啾脉冲分束与整形装置通过复用体全息光栅将线性啁啾脉冲分束，同时利用体全息光栅的布拉格衍射特性，控制输出脉冲的波形及中心频率，实现了对频率线性啁啾激光脉冲的整形。所使用的光折变晶体平板将诸多体全息光栅有效集成，实现了两种功能器件优化组合的微小化光学集成系统，尤其适应于光通讯器件小型化和集成化发展的需要。

附图说明

图1是本发明的频率线性啁啾脉冲分束与整形装置的原理示意图；

图2是本发明实施例的频率线性啁啾脉冲分束与整形装置示意图；

图3是本发明的复用体全息光栅的衍射脉冲光谱强度分布图；

图4是本发明的整形体全息光栅的衍射脉冲光谱强度分布图；

其中，1为入射频率线性啁啾脉冲，2为光折变晶体平板，3为复用体全息光栅，4为整形体全息光栅，5为输出啁啾脉冲。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1、图2所示的一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置，包括入射频率线性啁啾脉冲1，一组复用体全息光栅3和一组整形体全息光栅4，都集成在光折变晶体平板2内，经过分束和整形后输出中心频率和光谱宽度不同的啁啾脉冲5。

设入射脉冲为垂直偏振的线性啁啾高斯脉冲，中心波长为1.06μm，线性啁啾系数C＝2，入射角为10.18°，复用体全息光栅3包含三个体全息光栅VG₀₁，VG₀₂，VG₀₃，它们的光栅矢量与z轴的夹角分别取为89.8°，90°，90.2°，光栅厚度都为d=1mm，光栅间距都为Λ=3μm。根据体光栅衍射的布拉格条件，体全息光栅VG₀₁，VG₀₂，VG₀₃分别对中心波长1.04μm、1.06μm、1.08μm的衍射效率最大，衍射角分别为9.98°、10.18°、10.38°，衍射光谱E₀₁，E₀₂，E₀₃的强度分布如图3所示。

整形体全息光栅4包括三个光栅间距不同体全息光栅VG₁₁，VG₁₂，VG₁₃，光栅厚度都为1mm，光栅矢量与z轴夹角90°，光栅间距分别为0.5μm，1μm，1.5μm，分别放置在啁啾脉冲E₀₁，E₀₂，E₀₃的后面，分别对其进行整形，整形后的出射光束分别为E₁₁，E₁₂，E₁₃，其衍射谱强度分布如图4所示，衍射谱宽发生变化，中心波长1.04μm的谱宽最窄，而中心波长1.08μm的最宽。

因此，一线性啁啾高斯脉冲光束经过本发明的频率线性啁啾脉冲分束与整形装置后，变成中心波长分别为1.04μm，1.06μm，1.08μm的三个脉冲，而且整形后的光谱宽度也发生相应的变化，实现啁啾脉冲激光的整形。

上述的一束任意线偏振方向的高斯型线性啁啾脉冲，其光场分布为：

$E(z,\mathrm{\ω})={\hat{e}}_{r}R(z,\mathrm{\ω})\exp (-\mathrm{j\ρ}\·r)+{\hat{e}}_{s}S(z,\mathrm{\ω})\exp (-\mathrm{j\σ}\·r),---\left(1\right)$

其中ω₀=2πc/λ₀为脉冲的中心频率，λ₀为中心波长，c为真空中的光速；Δτ为啁啾脉冲强度分布的脉冲半峰全宽，C为啁啾系数，其频谱分布为

$u_0\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{1-\mathrm{iC}}}\mathrm{Texp}\{-\frac{{\left[\mathrm{\πTc}(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0})\right]}^2}{1-\mathrm{iC}}\}---\left(2\right)$

由于激光的发散角很小，假设脉冲光的所有频率成分都以中心频率ω₀对应的布拉格角θ入射，体光栅内的总光场写为，

$E(z,\mathrm{\ω})={\hat{e}}_{r}R(z,\mathrm{\ω})\exp (-\mathrm{j\ρ}\·r)+{\hat{e}}_{s}S(z,\mathrm{\ω})\exp (-\mathrm{j\σ}\·r),---\left(3\right)$

其中ρ、σ，分别为透射光和衍射光的传播矢量和偏振矢量，且满足σ＝ρ-K。

将方程（3）代入标量波动方程，假设读出光和衍射光的振幅都为缓慢变化的函数，忽略二阶导数，只保留0级和-1级布拉格衍射项，得耦合波方程，

$c_R{R}^{\′}(z,\mathrm{\ω})+\mathrm{j\κ}({\hat{e}}_r\·{\hat{e}}_s)S(z,\mathrm{\ω})=0---\left(4\right)$

其中c_R＝cosθ，k＝πn₁/λ为耦合系数。代入边界条件，S(0,λ)=0，R(0,λ)=u₀(λ)解耦合波方程组，可得衍射和透射光频谱分布：

$S(d,\mathrm{\λ})=-{\mathrm{iu}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)\sqrt{\frac{c_R}{c_S}}\exp (-\mathrm{i\ξ})\frac{\sin ({\mathrm{\γ}}^2+{\mathrm{\ξ}}^2)}{{(1+{\mathrm{\ξ}}^2/{\mathrm{\γ}}^2)}^{1/2}},---\left(6\right)$

$R(d,\mathrm{\λ})=u_0\left(\mathrm{\λ}\right)\exp (-\mathrm{i\ξ})[\cos ({\mathrm{\γ}}^2+{\mathrm{\ξ}}^2)+\frac{i\sin ({\mathrm{\γ}}^2+{\mathrm{\ξ}}^2)}{{(1+{\mathrm{\ξ}}^2/{\mathrm{\γ}}^2)}^{1/2}}],---\left(7\right)$

其中 $\mathrm{\γ}=\mathrm{\κ}({\hat{e}}_r\·{\hat{e}}_s)d/\sqrt{c_R{c}_S}.$

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置，其特征在于，包括：

光折变晶体平板；

复用体全息光栅，设于光折变晶体平板内，由若干个记录在同一空间内的体全息光栅组成，其光栅矢量方向不同，光栅厚度和光栅间距相同，用于将入射啁啾脉冲分成多路不同方向和中心频率不同的啁啾脉冲；

整形体全息光栅，设于光折变晶体平板内，由若干个记录在不同空间位置的体全息光栅组成，其光栅间距不同，光栅矢量和光栅厚度相同，用于对经过复用体全息光栅分离后的多路线性啁啾脉冲进行整形；

所述复用体全息光栅的光栅矢量与传播方向的夹角度线性递增，所述整形体全息光栅的光栅间距线性递增。

2.根据权利要求1所述的频率线性啁啾脉冲分束与整形装置，其特征在于：

所述光折变晶体平板为单掺杂铌酸锂晶体或双掺杂铌酸锂晶体。