CN107991826A - 一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法，包括两个相同的双棱栅，双棱栅包括一个具有入口表面和光栅界面的入口棱镜、一个具有出口表面和光栅界面的出口棱镜、二个放置在棱镜底面的反射光栅，棱镜的出口表面不平行于反射光栅，光在该双棱栅中传输时，提供负群速度色散与负的三阶色散，提供高量值的色散值。

Description

一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及光脉冲的色散补偿技术领域，具体的是涉及一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法。
背景技术
许多工业和科学研究领域都需要运用超短超强脉冲，脉宽甚至低至几飞秒。在常用的超短超强脉冲产生技术中，比如啁啾脉冲放大(CPA)、光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术，系统通常由展宽器、放大介质、压缩器等组成。展宽器将光脉冲在时域上展宽，降低峰值能量，避免激光损伤，通常展宽系数可高达104；然后放大器对展宽后的脉冲进行放大，最后利用压缩器将放大后的光脉冲在时域上进行压缩。通常，脉冲越短，频谱越宽。同时，光脉冲中不同频率(波长)在光学系统中传输的光程不同，脉冲将在时域上展宽或者扭曲变形。为了实现压缩脉冲接近其初始宽度，则要求整个脉冲放大系统的色散为零。此时，压缩器要补偿展宽器、放大介质引入的色散。系统剩余色散将导致输出脉冲宽度加宽、对比度急剧下降。因此，在超快光学领域，色散补偿是至关重要的环节。
在展宽器和压缩器中所用的色散补偿元件有衍射光栅、棱镜、体光栅、光纤等，当然也可以组合使用上述元件。作为传统的色散元件，光栅和棱镜广泛用于超短脉冲系统以实现色散补偿。
光栅对则结构紧凑，可以提供高量值的群速度色散(GVD)，较材料体色散高三个数量级，可以方便地将飞秒脉冲展宽至纳秒级啁啾脉冲。光栅对不仅可以控制群速度色散量，通过改变工作角度还可以控制三阶色散(TOD)量。此外，特殊设计的光栅对结构甚至可以控制四阶色散(FOD)。光栅对常用作CPA系统的脉冲展宽和压缩器。由于光栅对压缩器可以提供负的GVD和正的TOD，当脉冲通过色散材料后再经过光栅对时，GVD可以完全抵消，但剩余的TOD会导致脉冲变宽，波形不对称且扭曲。另外，压缩器中光栅相对较小的传输效率会在一定程度上损失放大脉冲的能量。
在棱镜对中，不同频率光脉冲通过不同的光程与棱镜的玻璃材料有关。通过设计棱镜对间距以及调节插入位置可以方便地改变群速度色散量的大小和符号，控制范围在100fs2量级左右，适用于补偿1cm级的材料体色散以及>20fs的飞秒脉冲激光，常用于飞秒激光谐振腔。但要想获得较大的色散，棱镜所需的物理尺寸很大，在很多情况下并不适用。
为了解决上述问题，1987年，fork利用光栅和棱镜结合实现了光脉冲压缩至6fs。1993年,Tournois将透射光栅直接复制在棱镜上，谓之“棱栅”。1994年，Kane和Squier利用棱栅对产生负的GVD和负的TOD补偿了光纤以及放大系统的色散。显然，棱栅结合了光栅和棱镜的色散特征，可以同时提供负群速度色散、三阶色散，与材料的色散符号相反，并且TOD与GVD比值在数值上等于大多数色散材料。正因为Grism在高阶色散补偿方面有一定的优势，已经广泛运用于超短超强脉冲系统。然而，由于尺寸的限制，棱栅提供的色散量较小，目前主要用于补偿块材料、光纤等色散，如果既能同时补偿光学系统的群速度色散、三阶色散，又能提供高量值的色散，则可以提高超短超强脉冲的输出脉冲质量。
发明内容
本发明提供了一种用于光学系统色散补偿的装置及方法，以解决现有技术中棱栅提供的色散量较小的技术问题。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种用于光学系统色散补偿的装置，包括四块相同的第一等腰棱镜、第二等腰棱镜、第三等腰棱镜及第四等腰棱镜，在所述第一等腰棱镜的底面、第二等腰棱镜的底面、第三等腰棱镜底面及第四等腰棱镜底面分别设置有第一光栅、第二光栅、第三光栅及第四光栅，第一等腰棱镜、第二等腰棱镜、第三等腰棱镜及第四等腰棱镜与第一光栅、第二光栅、第三光栅及第四光栅的交接面分别为第一交接面、第二交接面、第三交接面及第四交接面，第一等腰棱镜和第二等腰棱镜在顶点位置处活动连接，第三等腰棱镜和第四等腰棱镜在顶点位置处活动连接，第一等腰棱镜、第一光栅、第二等腰棱镜及第二光栅组成第一双棱栅，第三等腰棱镜、第三光栅、第四等腰棱镜及第四光栅组成第二双棱栅；
第一等腰棱镜和第二等腰棱镜的左侧面分别为第一入射面和第二入射面，第一等腰棱镜和第二等腰棱镜右侧面分别为第一出射面和第二出射面，第三等腰棱镜和第四等腰棱镜的右侧面分别为第三入射面和第四入射面，第三等腰棱镜和第四等腰棱镜的的左侧面分别为第三出射面和第四入射面；
所述第二出射面与第三入射面平行且相对设置，且第二出射面与第三入射面之间相隔一定的距离。
优选地，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅及第四光栅为刻划光栅或全息制作光栅。
优选地，第一等腰棱镜的底面、第二等腰棱镜的底面、第三等腰棱镜底面及第四等腰棱镜底面与第一光栅、第二光栅、第三光栅及第四光栅采用粘合连接或采用固定装置使之保持0.5-2毫米的空气间隔。
优选地，所述第一等腰棱镜、第二等腰棱镜、第三等腰棱镜及第四等腰棱镜的底角为30°-60°。
该装置中，棱栅是将光栅结合到高折射率的等腰棱镜底边构成，结合方式可以利用透明的光学粘合剂将光栅附在棱镜底部，也可以用机械方式固定于棱镜底部，其交接面可用空气间隙代替，然后将两个棱栅的顶点活动连接在一起，保持一个大于0°并小于90°的角度，通过水平旋转棱栅可以改变两个棱栅顶点夹角，该装置包含两个棱栅，称为“双棱栅”；光在双棱栅中传输时，提供负群速度色散与负的三阶色散，在该装置中，能够实现光栅的入射角与光栅的衍射角大致相等(即在利特罗角附近)。
在色散元件中，不同波长的光所走的光程不同，从而产生色散。本发明中，入射光线从第一等腰棱镜的第一入射面垂直入射，透射到第一等腰棱镜和第一光栅的交接面，即第一等腰棱镜的底面上，经第一光栅衍射后通过第一等腰棱镜的第一出射面射出，为了保证出射光也刚好垂直入射到第二等腰棱镜的第二入射面上，棱栅的顶点的夹角需要满足
其中α是等腰棱镜的底角，n为等腰棱镜的材料折射率，λ为飞秒脉冲的中心波长，d为反射光栅的光栅常数，m是光栅衍射级数。
光线进入到第二等腰棱镜的第二入射面，再经第二光栅衍射后从该棱镜的第二出射面射出，棱镜的出射面与光栅不平行，可以实现光线通过双棱栅时其GVD和TOD均为负值，由于光线先后在棱镜和光栅中传输，光脉冲将受到棱镜和光栅色散特性的共同调制。
为了实现与该装置有关的目的，本发明提供一种对超短脉冲光学系统中的剩余色散进行补偿的装置，包括：两个完全相同的双棱栅装置，其中第一个双棱栅的第二出射面与第二个双棱栅的第二入射面平行，保证出射脉冲与入射脉冲平行，第一个双棱栅的第二出射面与第二个双棱栅的第二入射面之间形成一定的间隔距离；其中，双棱栅对的色散值作为待测的变量，受到棱镜、光栅的结构参数影响；当改变双棱栅对结构参数，比如光栅常数、棱镜角度以及材料、两个双棱栅的间距、棱栅顶点夹角等，将改变了光脉冲在双棱栅对中传输的光程，进而影响整个装置的色散。
一种用于光学系统色散补偿的方法，包括以下步骤：
a.根据色散控制需要，确定所需的群速度色散、三阶色散值以及相应的色散比率TOD/GVD；
b.选择能满足上述色散要求的光栅、棱镜；
c.根据市面上提供的元件类型，优化设计光栅常数和棱镜材料；
d.将光栅粘合或固定在棱镜的底部，调整棱栅对顶点之间的夹角，设计双棱栅对以满足设定的色散比率。
本发明中，棱镜、光栅的结构以及排列方式变化范围很广，棱镜玻璃材料可以为SF、BK系列等，反射光栅刻线密度可以在600线/毫米和2000线/毫米范围变化，比如，在某些应用实例中，对于800nm中心波长，可选用光栅常数为900线/毫米的光栅，而对于1030nm的中心波长，可选择1480线/毫米的光栅。
根据本发明，使用传统的光线追迹方法，利用计算机对各种参数增量变化，光学特性的计算，评估各种设计方案，对系统参数进行选择和最佳匹配设计。比如，在超短脉冲光学系统中，根据需补偿的材料色散、展宽器或压缩器的色散等，首先确定GVD和TOD的数值及其比率。选择一个可能的入射角度，根据已知的玻璃材料和市场上能购买的光栅和棱镜，使用不同的棱镜、光栅的组合，利用光线追迹优化光路，评估、比较其系统性能，选择适合的光栅型号、棱镜角度以及材料；在综合考虑效率和紧凑性的前提下，优化设计装置结构。
本发明的有益效果如下：本发明是利用了棱栅序列的光学结构，色散值高，结构简单，排列容易，调节方便，适用于激光系统，尤其是脉冲激光系统中的色散补偿。
附图说明
图1是该发明中双棱栅结构及光线光路路线结构示意图；
图2是双棱栅对结构及脉冲光路路线结构示意图；
图中标记为：10、第一等腰棱镜,11、第一入射面,12、第一光栅,13、光学粘合剂,14、第一交接面,15、第一出射面,20、第二交接面,21、第二交接面，22、第二出射面，23、底角，24、夹角，25、入射角，30、入射光线，31、长波长，32、短波长，33、顶点，34、第二等腰棱镜，35、第二光栅，40、第一双棱栅，41、入射脉冲，42、出射脉冲，50、第二双棱栅，51、第三入射面，52、第三光栅，53、第三交接面，54、第三出射面，55、第三等腰棱镜，60、第四入射面，61、第四光栅，62、第四交接面，63、第四等腰棱镜，64、第四出射面。
具体实施方式
以下描述中的优选实施例只作为举例，但并不限于下述实施例，本实例用于揭示本发明以使本领域技术人员能够实现本发明，在以下描述中提出的本发明的基本原理可应用于其他实施方案、改进方案、变形方案；为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
图1展示了双棱栅结构及光线的光路路线，包括两块相同的第一等腰棱镜10、第二等腰棱镜34，在所述第一等腰棱镜10的底面、第二等腰棱镜34的底面分别设置有第一光栅12、第二光栅35，第一等腰棱镜10、第二等腰棱镜34与第一光栅12、第二光栅35的交接面分别为第一交接面14、第二交接面21，第一等腰棱镜10和第二等腰棱镜34在顶点33位置处活动连接，第一等腰棱镜10、第一光栅12、第二等腰棱镜34及第二光栅35组成第一双棱栅40；
第一等腰棱镜10和第二等腰棱镜34的左侧面分别为第一入射面11和第二入射面20，第一等腰棱镜10和第二等腰棱镜34右侧面分别为第一出射面15和第二出射面22；透明的光学粘合剂13用于第一等腰棱镜10、第二等腰棱镜34与第一光栅12、第二光栅35的粘合固定，两个棱栅的顶点33接触并用机械方式固定，且两个棱栅之间的夹角24可以根据需要调节。
光线30的路线为：入射光线30以一定的入射角25从第一等腰棱镜10的第一入射面11入射，透射到第一等腰棱镜10和第一光栅12的第一交接面14，经第一光栅12衍射后通过第一等腰棱镜10的第一出射面15射出，随即进入到第二等腰棱镜34的第二入射面20，再经第二光栅35衍射后从第二等腰棱镜34的第二出射面22射出。
光栅设置在第一等腰棱镜10和第二等腰棱镜34的底面，平面线性光栅的刻线密度范围很大，可以使其拥有更高的刻线密度，使衍射光发生更大的偏转；
该实施例中，利用光栅使输入光路和输出光路之间存在一个较大的角度，具体地，第一双棱栅40使用普通的第一等腰棱镜10作为光线输入棱镜，线性等距平面刻划光栅作为反射光栅即第一光栅12，大大提高了效率；一般来说，光栅可选用刻划光栅，也可用全息制作光栅，根据本发明的优选实施例，优选的是可复制的机械刻划光栅，价格合理，可应用于大多数光学系统。
在设计双棱栅时，选择普遍反射光栅(刻线密度在600线/mm至2000线/mm之间)，合理设计参数，使光栅工作在利特罗角附近。同时，入射角25大于第一等腰棱镜10玻璃材料对应的临界角，保证在棱镜、光栅界面上无全反射，此时界面处可以不粘合。棱镜分界面和光栅也可用一段空气间隙分隔，从而代替光学粘合剂，其优点在于：1、可用于高功率激光，避免粘合界面的燃烧；2、提高光栅衍射效率；3、可利用各种商用光栅，并根据需要设计空气间隙；但需注意棱栅的排列误差。
在该双棱栅装置中，入射光线30入射到第一等腰棱镜10上，穿过反射光栅，分离成长波长31和短波长32。
进一步地，图2显示了一种色散控制的双棱栅序列结构，包括：两个完全相同的双棱栅装置，即第一双棱栅40和第二双棱栅50，第二双棱栅50包括第三等腰棱镜55、第四等腰棱镜63、第三光栅52及第四光栅61；第三等腰棱镜55和第四等腰棱镜63的右侧面分别为第三入射面51和第四入射面60，第三等腰棱镜55和第四等腰棱镜63的的左侧面分别为第三出射面54和第四入射面64；其中第一双棱栅40的第二出射面22与第二双棱栅50的第三入射面51平行且相对，保证出射脉冲42与入射脉冲41平行。第一双棱栅40的第二出射面22与第二双棱栅50的第三入射面51之间形成一定的间隔距离70。光线41从第一双棱栅40的第一入射面11折射进入第一等腰棱镜10，然后入射到第一等腰棱镜10和第一光栅12的第一交接面14，由第一光栅12衍射后，从第一等腰棱镜10的第一出射面15出射后，入射到第二等腰棱镜34的第二入射面20，从第二等腰棱镜34和第二光栅35的第二交接面21衍射后从第二等腰棱镜34的第二出射面22出射；第一双棱栅40对光线传输造成的色散，可以利用第二双棱栅50消除，入射脉冲41在空气中传输一段距离后，进入第二双棱栅50，从第二双棱栅50的第三入射面51折射进入第三等腰棱镜55，然后入射到第三等腰棱镜55和第三光栅52的第三交接面53，由光栅界面衍射后，从第三等腰棱镜55的第三出射面54出射，同样，进入第四等腰棱镜63的第四入射面60，经由第四光栅61衍射后，最终从第四等腰棱镜63的第四出射面64出射。
由图2可见，入射脉冲中不同的波长成分通过双棱栅对所走光路不同，产生色散，若入射光的光程为P，则相应的位相为将位相对频率分别求导，得到相应的各阶色散双棱栅对可以提供负的GVD和TOD，且色散值高。
例如，选用底角为30o等腰棱镜，其玻璃材料为SF57，用透明的光粘合剂将反射光栅附着在棱镜的底面，光栅常数为1/900mm。双棱栅的顶点夹角为48o，两个双棱栅之间的垂直距离为15cm，对于中心波长为800nm的光脉冲，当其垂直入射到双棱栅上时，装置提供的群速度色散和三阶色散分别为-325520fs2和-333380fs3；微调棱栅顶点夹角、双棱栅的间距，可以提高群速度色散的数量级达到106fs2及更高，但相应的三阶色散的数量级将有所降低；根据超短脉冲系统的色散补偿需求，可以将参数进行优化设计。
双棱栅对的色散值作为待测的变量，受到棱镜、光栅的结构参数的影响，当改变双棱栅对的结构参数，比如光栅常数、棱镜角度以及材料、双棱栅对的间距、棱栅顶点夹角等，从而改变了光脉冲在双棱栅对中传输的光程，影响整个装置的色散。
实施例2
一种用于光学系统色散补偿的方法，包括以下步骤：
a.根据色散控制需要，确定所需的群速度色散、三阶色散值以及相应的色散比率TOD/GVD；
b.选择能满足上述所需的群速度色散、三阶色散值以及相应的色散比率TOD/GVD要求的光栅、棱镜；
c.根据市面上提供的元件类型，优化设计光栅常数和棱镜材料；
d.将光栅粘合或固定在棱镜的底部，调整棱栅对顶点之间的夹角，设计双棱栅对以满足设定的色散比率。
在超短超强光学系统中，根据需补偿的材料色散、展宽器或压缩器的色散等，首先在步骤a，确定GVD和TOD的具体数值以及其比率。然后如步骤b，利用光线追迹法，简单地优化光路，计算光栅、棱镜角度，以满足所需的比率。尽管有很多种光栅、棱镜及其角度的组合可以实现所需的TOD/GVD比率，但要根据市面上提供的元件类型及产品目录，选择可获得的光栅型号、棱镜材料等，如步骤c。确定了光栅和棱镜后，本发明的装置可以用粘合方式将光栅与棱镜组合起来，也可建造一个固定的装置使棱镜和光栅可以保持0.5到2毫米的空气间隔。最后，综合考虑效率和紧凑性的情况下，通过调整棱栅顶点的夹角、双棱栅对的间距，完善设计装置结构，以满足系统色散补偿的需要。
根据本发明的特征，双棱栅对的设计是多样化的。比如棱镜材料可以选用BK7、F2、SF10、N-BAK4等常见玻璃材料，棱镜底角可以为30°-60°等，而光栅的刻线密度可以选择600lines/mm、900lines/mm、1200lines/mm、1480lines/mm、1740lines/mm等型号，棱镜和光栅交接面可以是直接粘合、或者空气间隔。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于光学系统色散补偿的装置，其特征在于：包括四块相同的第一等腰棱镜(10)、第二等腰棱镜(34)、第三等腰棱镜(55)及第四等腰棱镜(63)，在所述第一等腰棱镜(10)的底面、第二等腰棱镜(34)的底面、第三等腰棱镜(55)底面及第四等腰棱镜(63)底面分别设置有第一光栅(12)、第二光栅(35)、第三光栅(52)及第四光栅(61)，第一等腰棱镜(10)、第二等腰棱镜(34)、第三等腰棱镜(55)及第四等腰棱镜(63)与第一光栅(12)、第二光栅(35)、第三光栅(52)及第四光栅(61)的交接面分别为第一交接面(14)、第二交接面(21)、第三交接面(53)及第四交接面(62)，第一等腰棱镜(10)和第二等腰棱镜(34)在顶点(33)位置处活动连接，第三等腰棱镜(55)和第四等腰棱镜(63)在顶点位置处活动连接，第一等腰棱镜(10)、第一光栅(12)、第二等腰棱镜(34)及第二光栅(35)组成第一双棱栅(40)，第三等腰棱镜(55)、第三光栅(52)、第四等腰棱镜(63)及第四光栅(61)组成第二双棱栅(50)；
第一等腰棱镜(10)和第二等腰棱镜(34)的左侧面分别为第一入射面(11)和第二入射面(20)，第一等腰棱镜(10)和第二等腰棱镜(34)右侧面分别为第一出射面(15)和第二出射面(22)，第三等腰棱镜(55)和第四等腰棱镜(63)的右侧面分别为第三入射面(51)和第四入射面(60)，第三等腰棱镜(55)和第四等腰棱镜(63)的的左侧面分别为第三出射面(54)和第四入射面(64)；
所述第二出射面(22)与第三入射面(51)平行且相对设置，且第二出射面(22)与第三入射面(51)之间相隔一定的距离(70)。
2.根据权利要求1所述的一种用于光学系统色散补偿的装置，其特征在于：所述第一光栅(12)、第二光栅(35)、第三光栅(52)及第四光栅(61)为刻划光栅或全息制作光栅。
3.根据权利要求1所述的一种用于光学系统色散补偿的装置，其特征在于：第一等腰棱镜(10)的底面、第二等腰棱镜(34)的底面、第三等腰棱镜(55)底面及第四等腰棱镜(63)底面与第一光栅(12)、第二光栅(35)、第三光栅(52)及第四光栅(61)采用粘合连接或采用固定装置使之保持0.5-2毫米的空气间隔。
4.根据权利要求1所述的一种用于光学系统色散补偿的装置，其特征在于：所述第一等腰棱镜(10)、第二等腰棱镜(34)、第三等腰棱镜(55)及第四等腰棱镜(63)的底角(23)为30°-60°。
5.一种用于光学系统色散补偿的装置的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.根据色散控制需要，确定所需的群速度色散、三阶色散值以及相应的色散比率TOD/GVD；
b.选择能满足上述所需的群速度色散、三阶色散值以及相应的色散比率TOD/GVD要求的光栅、棱镜；
c.根据市面上提供的元件类型，优化设计光栅常数和棱镜材料；
d.将光栅粘合或固定在棱镜的底部，调整棱栅对顶点之间的夹角，设计双棱栅对以满足设定的色散比率。
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