CN103604509A - 超短脉冲激光残余角色散的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲激光残余角色散的测量装置和测量方法，其测量装置构成为：光束行进方向依次为第一直角棱镜，第一平行平板，第二直角棱镜，第二平行平板，消色差透镜，1×2端口的分束器，入射光束经过1×2端口的分束器后分成两部分光，一部分光会聚到电荷耦合元件CCD上，另一部分光入射到光谱仪上。该发明利用直角棱镜与平行平板的组合作为光谱调制器从宽带激光中选择分立的波长，最终不同传播方向的光谱分量在CCD上呈现分立的点，通过分立光点的波长和相对位置即可计算宽带光束的残余角色散。它具有结构简单、可实现实时、单次、二维测量超短脉冲激光残余角色散的特点。

Description

超短脉冲激光残余角色散的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及高功率激光系统，提出一种超短脉冲激光残余角色散的测量装置和测量方法，主要应用于超短脉冲激光残余角色散的快速、二维测量。其优点是可对光束的残余角色散进行实时、单次、二维的高精度测量，该项技术特别适用于超短脉冲激光残余角色散的测量、啁啾脉冲放大（CPA）系统中光栅压缩器平行度的在线校准等。

背景技术

超短脉冲激光领域的探索是当前国际上激光高技术研究的热点，受到了广泛的关注。超短脉冲激光的产生过程包含了大量的时间、空间控制技术，故一般情况下超短脉冲激光不可避免地存在时空畸变，其中尤为严重的是残余角色散问题。

产生高功率超短脉冲激光常用的技术是啁啾脉冲放大（CPA），其实现过程如下：首先，将飞秒量级的种子脉冲通过展宽器在时间上展宽到纳秒量级的啁啾脉冲；然后对啁啾脉冲进行放大，不仅能够提高能量提取效率，同时也克服了非线性效应；最后，采用与展宽器共轭的平行光栅对压缩器对放大脉冲进行压缩从而获得高功率超短脉冲激光。该方法中所需的啁啾通过使用角色散元件产生，如光栅、棱镜等。啁啾脉冲放大系统中，若展宽器与压缩器失配或压缩器中的光栅表面不平行，将导致脉冲激光残余角色散的产生，从而引起光束的时空畸变，改变脉冲激光的传输特性。

超短啁啾脉冲放大激光系统中，残余角色散也存在其他诱因。如振荡器中棱镜对的细微顶角差异甚至折射面的非平行、光学元件（如输出耦合器、晶体、滤色片等）加工过程的小量楔形等。

当超短脉冲激光存在残余角色散，不同的谱分量将沿不同的方向传播，从而导致脉冲宽度增加、峰值功率降低、焦斑弥散等。

目前，人们提出了多种测量超短脉冲激光残余角色散的技术，如马赫泽德干涉仪法（G.Pretzler,A.Kasper,et al.,Appl.Phys.B70,1(2000)）、光谱分辨干涉法（SRI）（K.Varjú,A.P.Kovács,et al.,Appl.Phys.B74,S259(2002)）、频率分辨光学开关法(S.Akturk,M.Kimmel,et al.,Opt.Express11,491(2003))等。但这些方法大多仅仅针对超短脉冲激光残余角色散的一维测量，为了完整地描述超短脉冲激光的残余角色散，以上方法都必须对超短脉冲激光进行旋转后测量。尽管Divoky(M.Divoky,P.Straka,Rev.Sci.Instrum.79,123114(2008))提出的技术有效地避免了光束旋转，但仍需要对超短脉冲激光进行多次测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种超短脉冲激光束残余角色散的测量装置和测量方法，其最大的优点是可对超短脉冲激光的残余角色散进行实时、单次、二维的高精度测量，结构紧凑且效率高。

本发明的技术解决方案如下：

一种超短脉冲激光残余角色散的测量装置，特点在于其构成包括：沿光束行进方向依次的第一直角棱镜、第一平行平板、第二直角棱镜、第二平行平板、消色差透镜、分束器、电荷耦合元件（以下简称为CCD）、光谱仪，所述的分束器将光束分为两部分，一部分会聚到CCD上，另一部分入射到光谱仪上；所述的第一直角棱镜与第二直角棱镜相同；所述的第一平行平板与第二平行平板厚度不同，第一平行平板与第二平行平板垂直放置；所述的第一直角棱镜的较大的直角面与第一平行平板固定在一起，且所述的第一直角棱镜较小的直角面与所述的第一平行平板的端面对齐，所述的第二直角棱镜的较小的直角面与第二平行平板固定在一起，且所述的第二直角棱镜较大的直角面与所述的第二平行平板的端面对齐；所述的CCD放置在所述的消色差透镜的焦平面；所述的第一平行平板、第二平行平板与直角棱镜接触的两平行表面镀高反膜，但直角棱镜与第一平行平板、第二平行平板接触的区域不镀膜。

所述的第一直角棱镜、第一平行平板、第二直角棱镜、第二平行平板的材料为玻璃或者石英。

所述的第一直角棱镜、第二直角棱镜中与空气接触的直角面镀增透膜。

利用所述的超短脉冲激光残余角色散的测量装置进行超短脉冲激光残余角色散的测量方法，该方法包括以下步骤：

①将待测的超短脉冲激光垂直或接近垂直地入射到第一直角棱镜的直角面上；

②所述的CCD记录分立光点的位置，所述的光谱仪对光点的波长进行测量；

③对所述的CCD记录的分立光点的位置进行测量，取任意两个光点的坐标分别为（x₁,y₁）、（x₂,y₂），相应的波长分别为λ₁、λ₂，所述的消色差透镜的焦距为f，则残余角色散C的分量为：

$C_x=\frac{\arctan [(x_2-x_1)/f]}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1},$

$C_y=\frac{\arctan [(y_2-y_1)/f]}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1},$

则残余角色散为

该发明利用直角棱镜与平行平板的组合作为光谱调制器从宽带激光中选择分立的波长，其余的波长分量被滤掉。最终不同传播方向的光谱分量在CCD上呈现分立的点，光谱仪对光束的波长进行测量。通过分立光点的波长和相对位置即可计算宽带光束的残余角色散。

本发明的优点在于：

1、结构简单、可实现超短脉冲激光残余角色散的实时、单次、二维、快速测量；

2、测量精度高；

3、采用消色差透镜，排除色差对CCD上光点位置的影响。

附图说明

图1是本发明超短脉冲激光残余角色散的测量装置的结构示意图。

图2是本发明超短脉冲激光残余角色散的测量装置的光谱调制器的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明超短脉冲激光残余角色散的测量装置的结构示意图。由图可见，本发明超短脉冲激光残余角色散的测量装置，其构成为：沿入射光束方向依次是第一直角棱镜1、第一平行平板2、第二直角棱镜3、第二平行平板4、消色差透镜5，1×2端口的分束器6，入射光束经过1×2端口的分束器后分成两部分光，一部分光会聚到CCD7上，另一部分光入射到光谱仪8上。

第一直角棱镜1的较大直角面与第一平行平板2固定在一起。第二直角棱镜3的较小直角面与第二平行平板4固定在一起；第一直角棱镜1与第二直角棱镜3相同；第一平行平板2与第二平行平板4的厚度不同，第一平行平板2与第二平行平板4垂直放置；CCD7放置在消色差透镜5的焦平面处。

第一直角棱镜1、第一平行平板2、第二直角棱镜3、第二平行平板4的材料相同，为玻璃或者石英。对应于不同的超短脉冲激光波长范围、残余角色散大小，所述的第一平行平板2、第二平行平板4选取合适的材料、厚度和大小。

对于不同带宽范围的超短脉冲激光，第一直角棱镜1、第二直角棱镜3中与空气接触的直角面相应地镀有增透膜，以减少入射到该面上的光束反射；第一平行平板2、第二平行平板4不与直角棱镜接触的表面相应地镀上高反膜。第一直角棱镜1、第一平行平板2、第二直角棱镜3、第二平行平板4表面所镀的增透膜或高反膜皆为介质膜。

超短脉冲激光垂直或接近垂直地入射到第一直角棱镜1的直角面上。

请见图2，图2是本发明超短脉冲激光残余角色散的测量装置的光谱调制器的原理图。如图2所示，考虑一单色光波长为λ，以θ₁角入射到第一直角棱镜1的直角面上，图中箭头代表光束的传播方向。入射光经第一直角棱镜的斜面反射后在第一平行平板2内不断分解，最终形成一组透射光，光束在第一平行平板2内的倾角为θ。相邻两束透射光之间的相位差为

式中，n是第一平行平板的折射率，h是第一平行平板的厚度。只有满足相位差δ＝2mπ(m为整数)的特定波长和入射角的光才能通过第一平行平板2，其它波长的光干涉相消。故第一直角棱镜1和第一平行平板2组成光谱调制器，只有特定数目的波长和入射角的光能通过该调制器。

同理，所述的第二直角棱镜3和第二平行平板4组成光谱调制器。由于第二平行平板4与第一平行平板2的厚度不同，且入射到第二平行平板4上的光束入射角与入射到第一平行平板2上的光束入射角不同，则第二平行平板4对通过第一平行平板2的特定数目波长的光束进一步调制，使得其中只有特定几个波长通过该调制器。

以上两个组合光谱调制器的特性是：从第二平行平板4右表面出射光的出射角与第一直角棱镜1直角面上的入射角相等。

不同的光谱分量从第二平行平板4出射，经消色差透镜5、1×2端口的分束器6后会聚到CCD7上。若超短脉冲激光不存在残余角色散，则CCD7上只有一个孤立的光点。若超短脉冲激光存在残余角色散，则不同波长的光谱分量沿不同的方向传播，经消色差透镜5会聚后在CCD7上呈现分立的光点。光谱仪8对1×2端口的分束器6反射的光束进行波长测量。由分立光点的波长和相对位置即可计算出超短脉冲激光的残余角色散。

本发明测量超短脉冲激光残余角色散的方法，该方法包括以下步骤：

1、超短脉冲激光垂直或接近垂直地入射到第一直角棱镜1的直角面上。

2、电荷耦合元件CCD7记录分立光点的位置，光谱仪8对光点的波长进行测量。

3、对CCD7面上的分立光点建立相应的坐标系，取任意两个光点，坐标分别为（x₁,y₁）、（x₂,y₂），波长分别为λ₁、λ₂，消色差透镜5的焦距为f，则残余角色散C的分量分别为： $C_y=\frac{\arctan [(y_2-y_1)/f]}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1},$ 残余角色散 $C=\sqrt{C_x^2+C_y^2}.$

若超短脉冲激光的残余角色散较小以至CCD7上的光点几乎重叠而不能分辨，可在该装置前放置一已知角色散值的棱镜以对超短脉冲激光的残余角色散提供固定的偏置，从而促进焦面上光点的分离，最终的测量结果扣除掉该棱镜的影响即可得到超短脉冲激光的残余角色散。

本发明超短脉冲激光残余角色散的测量装置实施例，如图1所示。第一直角棱镜1、第二直角棱镜3、第一平行平板2、第二平行平板4的材料均为N-BK7玻璃。第一平行平板2、第二平行平板4的表面所镀高反膜的反射率为99%。第一直角棱镜1、第二直角棱镜3的锐角皆分别为60°、30°。第一平行平板2的厚度为0.16mm，第二平行平板4的厚度为0.52mm。消色差透镜5的焦距为1m。对于30fs的拍瓦级钛宝石激光系统，光束品质因子M²≤1.1，带宽范围为60nm，光束束腰大小为50mm，该装置测量超短脉冲激光残余角色散的探测极限接近0.1μrad/nm。

Claims (4)

1.一种超短脉冲激光残余角色散的测量装置，特征在于其构成包括：沿光束行进方向依次的第一直角棱镜（1）、第一平行平板（2）、第二直角棱镜（3）、第二平行平板（4）、消色差透镜（5）、分束器（6）、CCD（7）、光谱仪（8），所述的分束器（6）将光束分为两部分，一部分会聚到CCD（7）上，另一部分入射到光谱仪（8）上；所述的第一直角棱镜（1）与第二直角棱镜（3）相同；所述的第一平行平板（2）与第二平行平板（4）厚度不同，第一平行平板（2）与第二平行平板（4）垂直放置；所述的第一直角棱镜（1）的较大的直角面与第一平行平板（2）固定在一起，且所述的第一直角棱镜（1）较小的直角面与所述的第一平行平板（2）的端面对齐，所述的第二直角棱镜（3）的较小的直角面与第二平行平板（4）固定在一起，且所述的第二直角棱镜（3）较大的直角面与所述的第二平行平板（4）的端面对齐；所述的CCD（7）放置在所述的消色差透镜（5）的焦平面；所述的第一平行平板（2）、第二平行平板（4）与直角棱镜接触的两平行表面镀高反膜，但直角棱镜与第一平行平板（2）、第二平行平板（4）接触的区域不镀膜。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光残余角色散的测量装置，其特征在于所述的第一直角棱镜（1）、第一平行平板（2）、第二直角棱镜（3）、第二平行平板（4）的材料为玻璃或者石英。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲激光残余角色散的测量装置，其特征在于所述的第一直角棱镜（1）、第二直角棱镜（3）中与空气接触的直角面镀增透膜。

4.利用权利要求1所述的超短脉冲激光残余角色散的测量装置进行超短脉冲激光残余角色散的测量方法，该方法包括以下步骤：

①将待测的超短脉冲激光垂直或接近垂直地入射到第一直角棱镜（1）的直角面上；

②所述的CCD（7）记录分立光点的位置，所述的光谱仪（8）对光点的波长进行测量；

③对所述的CCD（7）记录的分立光点的位置进行测量，取任意两个光点的坐标分别为（x₁,y₁）、（x₂,y₂），相应的波长分别为λ₁、λ₂，所述的消色差透镜（5）的焦距为f，则残余角色散C的分量为：

$C_x=\frac{\arctan [(x_2-x_1)/f]}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1},$

$C_y=\frac{\arctan [(y_2-y_1)/f]}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1},$

则残余角色散为

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