CN104332818B - 可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，具体指一种包括至少四个局域体全息光栅和对应的位置控制器，起偏器，偏转旋转器，检偏器，脉冲测量仪器及总控计算机，涉及激光脉冲滤波整形技术领域。通过增加局域体全息光栅的数量或者精密调节环形腔内每个局域体全息光栅之间的距离，实现对激光脉冲的可调谐滤波整形。本发明具有结构简单、易于集成，为光脉冲滤波整形技术及其为超短激光脉冲丰富的频谱和较高的分辨率，提供坚实的技术物质基础，并在光通信和光学信号处理中的应用，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光脉冲滤波整形技术领域，具体指一种由四个或四个以上垂直记录结构的局域体全息光栅、一个偏振旋转器和一个检偏器组成闭合的可调谐环形腔，通过增加局域体全息光栅的数量或者精密调节环形腔内每个局域体全息光栅之间的距离，实现对激光脉冲的可调谐滤波整形。
背景技术
近年来，超短激光脉冲由于丰富的频谱以及较高的分辨率，目前已在光通信和光学信号处理中得到广泛应用，具有广阔的应用前景。光脉冲滤波整形技术是超短激光脉冲产生和调制的补充手段。另一方面，具有信息处理功能的全息器件是光学信息处理的主要器件之一。集成化和全光化是光学器件的发展方向。体全息光学元件作为一种全光化的衍射光学元件，将在三维光学系统的微小化集成方面发挥其独特的优势。
人们已经发展了一系列光波合成或激光脉冲整形的技术方法，其中，在激光脉冲滤波整形领域常用的是4f结构的零色散脉冲压缩技术。([1]D.E.Leaird,A.M.Weiner,“Femtosecond direct space-to-time pulse shaping in an integrated-opticconfiguration,”Opt.Lett.2004,29:1551-1553.)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，它将光栅的角色散转换成透镜后焦平面上的空间分离。具有空间分布的振幅和位相型模板被置于该平面处，对各Fourier分量进行调制，第二个透镜和光栅将经过“修饰”的各频率成分重新合成为单一准直光束，就获得了整形的输出脉冲。但是，当脉冲很窄时，透镜的色散很大，而且，固定空间掩膜板不能实现光学相位的连续调制。
2006年，C.Wang等人用光折变全息体光栅对超短脉冲进行脉冲整形。(ChunhuaWang,LirenLiu,et.al.,Pulse shaping properties of volume holographicgratings in anisotropic media,J.Opt.Soc.A.A,23(12):3191-3196(2006)，但是，文献中的体全息光栅是一维无限大的体光栅，在实际应用中激光束是有限尺寸的，而且单一固定的体全息光栅整形输出脉冲的带宽和波形是不可调谐的，如果需要的脉冲波形或带宽发生变化，要重新记录一块新的体光栅。因此，能自动控制的、可调谐的激光脉冲滤波整形技术成为新的技术攻关目标。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，通过增加局域体全息光栅的数量或者精密调节环形腔内每个局域体全息光栅之间的距离，实现对激光脉冲的可调谐滤波整形。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，包括至少四个局域体全息光栅和对应的位置控制器，起偏器，偏振旋转器，检偏器，脉冲测量仪器及总控计算机，入射激光脉冲经过起偏器后，垂直照射到第一局域体全息光栅上，其衍射光经过偏振旋转器后，垂直照射到第二局域体全息光栅上，其衍射光垂直照射到第三局域体全息光栅上，其衍射光垂直照射到第四局域体全息光栅上，其衍射光经过检偏器后，再垂直照射到第一局域体全息光栅上，输出的衍射光照射到脉冲测量仪器上显示出激光脉冲的波形，总控计算机根据整形需要由位置控制器移动相应的局域体全息光栅的位置，实现激光脉冲的滤波整形。
所述的可调谐环形腔内每个局域体全息光栅对应一个位置控制器，位置控制器根据整形需要移动对应的局域体全息光栅的相对位置，所有位置控制器由总控计算机控制。
所述的每个局域体全息光栅都由两束准直扩束且传播方向垂直的连续激光干涉产生正方体或长方体结构的局域体全息光栅，每个局域体全息光栅的读出光和衍射光的方向垂直。
进一步，所述的偏振旋转器将衍射光的偏振态旋转90度，可任意设置在第一局域体全息光栅和第二局域体全息光栅之间，第二局域体全息光栅和第三体全息光栅之间，第三局域体全息光栅和第四局域体全息之间，第四局域体全息光栅和检偏器之间。
所述的检偏器的透光轴和起偏器的透光轴垂直，禁止第一局域体全息光栅的透射光通过，而让第四局域体全息光栅的衍射光通过。
本发明的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置的特点在于包括预整形、环形腔结构优化、环形腔结构调整等程序，包括下列步骤：
A.输入待整形激光脉冲；
B.可调谐环形腔对待整形激光脉冲通过四个局域体全息光栅的衍射光互连进行初步整形；
C.通过激光脉冲测量仪器判断预输出的整形脉冲是否符合设定要求，如果符合则直接输出目标脉冲，如果不符合则进行可调谐环形腔的结构调整；
D.利用预先编制的计算程序，优化可调谐环形腔的结构参数，确定是否增加局域体全息光栅的数量，每个局域体全息光栅之间的距离如何调整；
E.根据优化计算的可调谐环形腔的结构参数，通过位置控制器调节每个局域体全息光栅的相对位置，形成新的可调谐环形腔，对入射脉冲继续整形，直至符合设定要求；
F.为输出的目标整形脉冲。
与背景技术相比，本发明的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置具有以下特点：
1)采用垂直记录结构的具有90度转向功能的局域体全息光栅，更容易实现激光脉冲传输方向的控制，有利于光学器件的集成化和微小化；
2)将多个局域体全息光栅集成在一个闭合的环形腔内，用计算机自动控制体全息光栅相对位置的方法，实现环形腔对激光脉冲滤波整形的实时可调谐功能。
附图说明
图1是本发明的一种可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置的原理示意图。
图中，11为第一局域体全息光栅，12为第二局域体全息光栅，13为第三局域体全息光栅，14为第四局域体全息光栅，21为第一位置控制器，22为第二位置控制器，23为第三位置控制器，24为第四位置控制器，3起偏器，4为偏振旋转器，5为检偏器，6为脉冲测量仪器，7为总控计算机。
图2是本发明所涉及的局域体全息光栅的全息记录和衍射过程示意图。
图中，R1为连续光激光器，R2为第一λ/2波片，R3为准直扩束系统，R4为偏振分光器，R5为第二λ/2波片，R6为第一反射镜，R7为第二反射镜，R8为可变口径光阑，R9为局域体全息光栅，R为入射脉冲，S为衍射脉冲。
图3是本发明可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置的工作流程框图。
图中,A为待整形脉冲，B为可调谐环形腔，C为预输出脉冲判断，D为可调谐环形腔的结构参数优化过程，E为可调谐环形腔的结构调整过程，F为目标整形脉冲。
图4是本发明可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置的光场传输过程示意图。
图中，11为第一局域体全息光栅，12为第二局域体全息光栅，13为第三局域体全息光栅，14为第四局域体全息光栅，A1为第一局域体全息光栅11的入射边界，A2为第一局域体全息光栅11的衍射边界，B1为第二局域体全息光栅12的入射边界，B2为第二局域体全息光栅12的衍射边界，C1为第三局域体全息光栅13的入射边界，C2为第三局域体全息光栅13的衍射边界，D1为第四局域体全息光栅14的入射边界，D2为第四局域体全息光栅14的衍射边界，E1为第一局域体全息光栅11第二次布拉格衍射的入射边界，E2为第一局域体全息光栅11第二次布拉格衍射的衍射边界。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述
一种可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置(如图1所示)，包括至少四个局域体全息光栅和对应的位置控制器，第一局域体全息光栅11和第一位置控制器21，第二局域体全息光栅12和第二位置控制器22，第三局域体全息光栅13和第三位置控制器23，第四局域体全息光栅14和第四位置控制器24，起偏器3，偏振旋转器4，检偏器5，脉冲测量仪器6及总控计算机7，由总控计算机7根据整形需要控制位置控制器移动对应的局域体全息光栅的相对位置。
一个实施例，可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其中，可调谐环形腔，由第一局域体全息光栅11，偏振旋转器4，第二局域体全息光栅12，第三局域体全息光栅13，第四局域体全息光栅14和检偏器5闭合构成。所述局域体全息光栅的数量可以根据脉冲整形的需要增加。
所述可调谐环形腔的每个局域体全息光栅对应一个位置控制器，第一局域体全息光栅11由第一位置控制器21控制移动的距离，第二局域体全息光栅12由第二位置控制器22控制移动的距离，第三局域体全息光栅13由第三位置控制器23控制移动的距离，第四局域体全息光栅14由第四位置控制器24控制移动的距离。
所述每个局域体全息光栅都由两束准直扩束且传播方向垂直的连续激光干涉产生正方体或长方体结构的局域体全息光栅，每个局域体全息光栅的读出光和衍射光的方向垂直。
所述偏振旋转器4将衍射光的偏振态旋转90度，可任意设置在第一局域体全息光栅11与第二局域体全息光栅12之间或第二局域体全息光栅12与第三体全息光栅13之间或第三局域体全息光栅13与第四局域体全息光栅14之间或第四局域体全息光栅14与检偏器5之间。
所述检偏器5的透光轴和起偏器3的透光轴垂直，禁止第一局域体全息光栅11的透射光通过，而让第四局域体全息光栅14的衍射光通过。
所述脉冲测量仪器6和第一局域体全息光栅11发生第二次布拉格衍射的衍射光相连接。
本发明的局域体全息光栅的全息记录光路(如图2所示)，从激光器R1发出的波长为λ0的连续激光，经第一λ/2波片R2后变为圆偏振光，经准直扩束系统R3后变为口径为d的准直平行光，再经偏振分光器R4后变为两束等强度平行光，其中一束经过第二λ/2波片R5和第一反射镜R6后垂直照射到光折变晶体上，另一束平行光经第二反射镜R7后，两束光传播方向垂直的光束照射到全息记录材料上产生正方体结构的局域体全息光栅R9，当其中一束平行光经过可变口径光阑R8调节后，可产生长方体结构的局域体全息光栅；在体全息光栅的读出阶段，入射脉冲R沿着记录光方向照射到局域体全息光栅R9上，经过布拉格衍射后，在垂直于入射脉冲R方向产生衍射脉冲S。
本发明的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置包括预整形、环形腔结构优化、环形腔结构调整等程序，包括下列步骤(如图3所示)：
A.输入待整形激光脉冲；
B.可调谐环形腔对待整形激光脉冲通过四个局域体全息光栅的衍射光互连进行初步整形；
C.通过激光脉冲测量仪器6判断预输出的整形脉冲是否符合设定要求，如果符合则直接输出目标脉冲，如果不符合则进行可调谐环形腔的结构调整；
D.利用预先编制的计算程序，优化可调谐环形腔的结构参数，确定是否增加局域体全息光栅的数量，每个局域体全息光栅之间的距离如何调整等；
E.根据优化计算的可调谐环形腔的结构参数，通过位置控制器调节每个局域体全息光栅的相对位置，形成新的可调谐环形腔，对入射脉冲继续整形，直至符合设定要求；
进一步，本发明实施例可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置光场传输流程(如图4所示)：
首先，将整形的激光脉冲入射到起偏器3上产生垂直偏振或平行偏振的线偏振光，入射到第一局域体全息光栅11的入射边界A1面上，经过第一局域体全息光栅11的布拉格衍射后，从衍射边界A2面输出衍射光，经过偏振旋转器4将偏振态旋转90度，再入射到第二局域体全息光栅12的入射边界B1面上，经第二局域体全息光栅12布拉格衍射后，从衍射边界B2面输出衍射光，再入射到第三局域体全息光栅13的入射边界C1面上，经第三局域体全息光栅13布拉格衍射后，从衍射边界C2面输出衍射光，再入射到第四局域体全息光栅14的入射边界D1面上，经第四局域体全息光栅14布拉格衍射后，从衍射边界D2面输出衍射光，透过检偏器5后，入射到第一局域体全息光栅12的入射边界E1面上，经第一局域体全息光栅12的衍射边界E2面输出整形后的激光脉冲。然后，输入到脉冲测量仪器6判断该激光脉冲参数是否符合整形要求，如果不符合设定要求，则利用预先编制的计算程序，优化可调谐环形腔的结构参数，确定是否增加局域体全息光栅的数量，每个局域体全息光栅之间的距离如何调整等，然后输入总控计算机7控制，进而通过位置控制器调节每个局域体全息光栅的相对位置，形成新的可调谐环形腔，对入射脉冲继续整形，直至得到符合设定要求的整形脉冲。
综上所述，本发明采用垂直记录结构的具有90度转向功能的局域体全息光栅，更容易实现激光脉冲传输方向的控制，有利于光学器件与系统的集成化和微小化。同时，将多个局域体全息光栅集成在一个闭合的环形腔内，用计算机自动控制体全息光栅相对位置的方法，实现环形腔对激光脉冲滤波整形的实时可调谐功能。基于本发明具有结构简单、易于集成，为光脉冲滤波整形技术及其为超短激光脉冲丰富的频谱和较高的分辨率，提供坚实的技术物质基础，并在光通信和光学信号处理中的应用，具有广阔的市场前景。
Claims (8)
1.一种可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，包括至少四个局域体全息光栅和对应的位置控制器，第一局域体全息光栅(11)和第一位置控制器(21)，第二局域体全息光栅(12)和第二位置控制器(22)，第三局域体全息光栅(13)和第三位置控制器(23)，第四局域体全息光栅(14)和第四位置控制器(24)，起偏器(3)，偏振旋转器(4)，检偏器(5)，脉冲测量仪器(6)和总控计算机(7)，入射激光脉冲经过起偏器(3)后，垂直照射到第一局域体全息光栅(11)上，其衍射光经过偏振旋转器(4)后，垂直照射到第二局域体全息光栅(12)上，其衍射光垂直照射到第三局域体全息光栅(13)上，其衍射光垂直照射到第四局域体全息光栅(14)上，其衍射光经过检偏器(5)后，再垂直照射到第一局域体全息光栅(11)上，输出的衍射光照射到脉冲测量仪器(6)上显示出激光脉冲的波形，总控计算机(7)根据整形需要由位置控制器移动相应的局域体全息光栅的位置，实现激光脉冲的滤波整形。
2.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，所述局域体全息光栅包括第一局域体全息光栅(11)，第二局域体全息光栅(12)，第三局域体全息光栅(13)，第四局域体全息光栅(14)，并与偏振旋转器(4)检偏器(5)构成闭合的可调谐环形腔。
3.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，所述可调谐环形腔的每个局域体全息光栅对应一个位置控制器，第一局域体全息光栅(11)由第一位置控制器(21)控制移动的距离，第二局域体全息光栅(12)由第二位置控制器(22)控制移动的距离，第三局域体全息光栅(13)由第三位置控制器(23)控制移动的距离，第四局域体全息光栅(14)由第四位置控制器(24)控制移动的距离。
4.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，所述每个局域体全息光栅都由两束准直扩束且传播方向垂直的连续激光干涉产生正方体或长方体结构的局域体全息光栅，每个局域体全息光栅的读出光和衍射光的方向垂直。
5.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，所述偏振旋转器(4)将衍射光的偏振态旋转90度，可任意设置在第一局域体全息光栅(11)与第二局域体全息光栅(12)之间或第二局域体全息光栅(12)与第三体全息光栅(13)之间或第三局域体全息光栅(13)与第四局域体全息光栅(14)之间或第四局域体全息光栅(14)与检偏器(5)之间。
6.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，所述检偏器(5)的透光轴和起偏器(3)的透光轴垂直，禁止第一局域体全息光栅(11)的透射光通过，而让第四局域体全息光栅(14)的衍射光通过。
7.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，所述的脉冲测量仪器(6)和第一局域体全息光栅(11)发生第二次布拉格衍射的衍射光相连接。
8.如权利要求1所述的可调谐环形腔激光脉冲滤波整形装置，其特征在于，还包括预整形、环形腔结构优化、环形腔结构调整程序其步骤如下：
A.输入待整形激光脉冲；
B.可调谐环形腔对待整形激光脉冲通过四个局域体光栅的衍射光互连进行初步整形；
C.通过激光脉冲测量仪器判断预输出的整形脉冲是否符合审定要求，如果符合则直接输出目标脉冲，如果不符合则进行可调谐环形腔的结构调整；
D.利用预先编制的计算程序，优化可调谐环形腔的结构参数，确定是否增加局域体全息光栅的数量，每个局域体全息光栅之间的距离如何调整；
E.根据优化计算的可调谐环形腔的结构参数，通过位置控制器调节每个局域体全息光栅的相对位置，形成新的可调谐环形腔，对入射脉冲继续整形，直至符合设定的要求；
F.为输出的目标整形脉冲。
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| CN101738739A (zh) * | 2009-12-24 | 2010-06-16 | 谭吉春 | 高功率激光衍射型空间滤波器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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| 局域体全息光栅的衍射特性;闫爱民等;《光学学报》;20040930;第24卷(第9期);第1203-1208页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN104332818A (zh) | 2015-02-04 |
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