CN111542975A - 用于使辐射的带宽变窄的光学系统 - Google Patents

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卡伊·陈
贾斯汀·马克·霍奇金
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Abstract

一种用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统，包括：被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束的光学混合单元。第一光束和第二光束被空间啁啾，且第一光束相对于第二光束被反转。所述光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，所述非线性光学介质用于将第一光束和第二光束混合成具有比所述入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束。

Description

用于使辐射的带宽变窄的光学系统
技术领域
本发明涉及用于使辐射的带宽变窄的光学系统。在一些实施例中，本发明涉及用于减小激光脉冲的光谱带宽的光学系统，例如将光谱上宽的飞秒激光脉冲转换成光谱上窄的皮秒脉冲。
背景技术
窄带激光脉冲(例如强窄带皮秒激光脉冲)的产生在需要高光谱分辨率的超快激光应用(诸如时间分辨的振动泵浦-探测光谱与和频产生(SFG)表面光谱等)中具有重要意义。由于可实现的带宽压缩通常是效率与实验的简易性之间的权衡，向飞秒宽带激光脉冲到皮秒窄带脉冲的转换提出了挑战。
带宽压缩的线性方法包含飞秒宽带激光源的光谱滤波，通常以折叠4f光栅滤波器的方式配置以生成皮秒窄带脉冲。在基本光谱带宽ΔωFF内可实现信号频率的微调谐性。虽然在设计上广泛可调且相对实验上简单化，但光谱滤波方法由于窄带宽选择与功率吞吐量成反比的性质而遭受固有的低功率转换效率，其中基本飞秒源的典型能量损失为约99.8％以产生光谱上足够窄的皮秒脉冲。
带宽压缩的替代方法利用和频产生(SFG)的非线性现象，凭借在中心频率ωFF处的两个飞秒脉冲，与时间啁啾参数±Δτ相等地且相反地进行时间啁啾，并在合适地相位匹配的非线性晶体中以非共线几何结构混合，以在二次谐波频率ωSH＝(ωFF+Δτ)+(ωFF-Δτ)＝2ωFF处生成窄带皮秒脉冲。窄带皮秒脉冲的相对高效的产生使得SFG方法经常在许多光谱的应用中作为带宽压缩技术受到喜爱。还提出并证明了对该方法的修改，包括混合了具有不同中心频率的两个正啁啾飞秒脉冲的差频产生。
虽然改善了功率转换效率，但是迄今为止，非线性带宽压缩技术本质上仍然在实验上是复杂的，需要昂贵的光学色散部件，这些部件通常具有大的物理空间并且难以调谐和优化。典型的实验布置包含两个4f光栅展宽器对，并使用八次通过色散元件来产生用于和频混合的相等且相反的时间啁啾的两个脉冲。此外，通过至少两个色散的元件的精确对准以及表征啁啾的时域方法来实现每个脉冲的啁啾参数的成比例匹配。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于改变电磁辐射(例如激光脉冲)的光谱特性的光学系统。可替代的，目的是提供一种用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统。可替代的，目的是提供一种包括窄带宽光束发生器的光谱仪。可替代的，目的是提供一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法。可替代的，本发明的目的是至少为公众提供有用的选择。
发明内容
本发明的各方面涉及用于改变电磁辐射(例如激光脉冲)的光谱特性的光学系统。
本发明的一个方面是一种光学系统，该光学系统用于减小激光脉冲的光谱带宽，例如，将光谱上宽的飞秒激光脉冲转换成光谱上窄的皮秒脉冲。
在本发明的一个方面，本发明包括一种用于对辐射的光束或辐射的脉冲进行空间啁啾或成角度地色散的和频混合的光学系统。
根据本发明的各方面的光学系统可以被用于例如光谱仪(例如拉曼光谱仪)、脉冲发生器、脉冲转换器和量子信息传输系统等光学设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统，该光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中第一光束和第二光束被空间啁啾，且第一光束相对于第二光束被反转；其中光学混合单元包括光学混合构件，该光学混合构件包括非线性光学介质，以将第一光束和第二光束混合成具有比入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束。
优选地，光学系统包括反转单元，所述反转单元被配置成在光束被光学混合单元接收之前使第一光束相对于第二光束反转。
优选地，光学系统包括至少一个空间啁啾单元，所述空间啁啾单元被配置成在第一光束相对于第二光束反转之前对入射辐射进行空间啁啾。
优选地，光学系统包括分束器单元，所述分束器单元被配置成将入射辐射分裂成第一光束和第二光束。
在一个实施例中，至少一个空间啁啾单元在入射辐射被分裂成第一光束和第二光束之前对入射辐射进行空间啁啾。在可替代实施例中，在入射辐射被分裂成第一光束和第二光束之后，至少一个空间啁啾单元对第一光束和第二光束进行空间啁啾。
优选地，至少一个空间啁啾单元包括色散光栅。可替代的，至少一个空间啁啾单元包括色散棱镜。
在优选实施例中，光学系统可以包括空间啁啾单元调节机构，该空间啁啾单元调节机构被配置成调节至少一个空间啁啾单元或至少一个空间啁啾单元的一部分的方向和/或位置。
优选地，分束器单元包括光束分束器。在可替代的形式中，分束器单元包括透射色散光栅。
优选地，反转单元包括一个或更多个反射构件。
优选地，光学系统包括反射构件调节机构，所述反射构件调节机构被配置成调节一个或更多个反射构件中的至少一个的方向和/或位置。
在一些实施例中，非线性光学介质包括非线性光学晶体。
优选地，光学系统包括相位匹配机构，所述相位匹配机构被配置成使第一光束、第二光束和输出光束大体相位匹配。将理解，在一些实施例中，该相位匹配机构允许发生用于诸如和频产生的非线性转换的相位匹配条件。更优选地，相位匹配机构包括光学混合单元调节机构，该光学混合单元调节机构被配置成调节光学混合单元或光学混合单元的一部分的方向和/或位置。例如，光学混合单元调节机构可适于调节非线性光学介质的方向和/或位置，以使第一光束、第二光束和输出光束大体相位匹配。和/或光学混合单元调节机构适于旋转非线性光学介质，以使第一光束、第二光束和输出光束大体相位匹配。
优选地，光学混合单元包括一个或更多个聚焦构件，所述一个或更多个聚焦构件被配置成聚焦由光学混合单元接收的第一分光束和第二分光束。
在本发明的优选实施例中，光学系统包括准直器，所述准直器被配置成使输出光束变窄。
在本发明的优选实施例中，光学系统包括偏振器，该偏振器被配置成使由光学系统接收的入射辐射的光束偏振。
在本发明的一些实施例中，入射辐射的光束、第一分光束和第二分光束以及输出光束大体都位于一个平面内。在一个实施例中，该平面是大体水平的，而在另一个实施例中，该平面是大体竖直的。
在可替代的实施例中，空间啁啾单元被配置成在第一平面内对入射辐射的光束进行空间啁啾，第一分光束和第二分光束在第二平面内形成一个角度，其中在该第二平面内，第一分光束和第二分光束入射到光学混合单元上，第一平面垂直于第二平面。更优选地，第一平面是大体水平的，而第二平面是大体垂直的。
优选地，光学系统被配置成接收激光辐射形式的入射辐射的光束，例如激光辐射脉冲。
根据本发明的另一方面，提供了一种光谱仪，该光谱仪包括：用于使入射辐射的光束的带宽变窄的窄带宽光束发生器，该窄带宽光束发生器包括光学混合单元，该光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中第一光束和第二光束被空间啁啾，且第一光束相对于第二光束被反转；其中光学混合单元包括光学混合构件，该光学混合构件包括非线性光学介质，以将第一光束和第二光束混合成具有比入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束。
优选地，光谱仪包括反转单元，所述反转单元被配置成在光束被光学混合单元接收之前使第一光束相对于第二光束被反转。
优选地，光谱仪包括至少一个空间啁啾单元，该空间啁啾单元被配置成在第一光束相对于第二光束反转之前对入射辐射进行空间啁啾。
优选地，光谱仪包括分束器单元，所述分束器单元被配置成将入射辐射分裂成第一光束和第二光束。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法，所述光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中，第一光束和第二光束被空间啁啾，且第一光束相对于第二光束被反转；其中光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，以将第一光束和第二光束混合成具有比入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束；其中所述方法包括：调节第一光束相对于第二光束的路径长度。
优选地，光学系统还包括一个或更多个反射构件，所述反射构件被配置成反射第一光束和第二光束中的一个；以及所述调节第一光束相对于第二光束的路径长度的步骤包括：控制反射构件中的任何一个或更多个的方向和/或位置。更优选地，所述调节第一光束相对于第二光束的路径长度的步骤包括：控制反射构件中的一个的位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法，所述光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中第一光束和第二光束被空间啁啾，且第一光束相对于第二光束被反转；其中光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，以将第一光束和第二光束混合成具有比入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束；以及其中所述方法包括：调节第一光束和第二光束的空间重叠量。
优选地，光学系统还包括一个或更多个反射构件，所述反射构件被配置成反射第一光束和第二光束中的一个；以及所述调节第一光束和第二光束的空间重叠量的步骤包括：控制反射构件中的任何一个或更多个的位置和/或方向。更优选地，所述调节第一光束和第二光束的空间重叠量的步骤包括：控制反射构件中的一个的方向。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法，所述光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中第一光束和第二光束被空间啁啾，且第一光束相对于第二光束被反转；其中光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，以将第一光束和第二光束混合成具有比入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束；以及其中所述方法包括：调节光学混合单元的方向以使第一光束、第二光束和输出光束大体相位匹配。
在阅读了提供本发明的实际应用的至少一个示例的以下说明之后，本发明的其他各方面(这些方面应当在其所有新颖的方面中被考虑)对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
下面将参照附图仅通过示例而非限制性的方式描述本发明的一个或更多个实施例，在附图中：
图1是具有关于中心频率ωFF的相等和相反能量±Δω的、光子组合的和频产生(SFG)以生成二次谐波2ωFF的图示；
图2是根据本发明的实施例的空间啁啾脉冲的和频混合的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统的功能图示；
图4是根据本发明的另一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统的平面示意图；
图5是图4的光学系统的光学布局的侧视示意图；
图6是根据本发明的另一个实施例的光学系统的示意图；
图7示出了使用根据图4和图6的实施例的光学系统产生的信号的光谱；
图8示出了使用根据图4和图6的实施例的光学系统产生的信号的时间轨迹；
图9示出了根据本发明的一个实施例的光学系统的微调谐能力；
图10示出了根据本发明的一个实施例的光学系统的宽调谐能力；
图11是根据本发明的另一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统的示意图；
图12是根据本发明的另一个实施例的用于光谱带宽压缩的光学系统的一部分的平面图；
图13是图12所示的光学系统的一部分的侧视图；
图14是根据本发明的另一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统的功能图；
图15是根据本发明的另一个实施例的用于光谱带宽压缩的光学系统的一部分的平面图；
图16是图15所示的光学系统的一部分的侧视图；
图17是根据本发明的实施例的利用用于光谱带宽压缩的光学系统的飞秒模拟拉曼光谱系统的示意图；以及
图18示出了使用图17所示FSRS系统产生的(a)甲醇和(b)丙酮液体的标准化的受激拉曼光谱。
具体实施方式
空间啁啾脉冲的和频混合
非线性频率转换是频率分别为ω1和ω2且波矢量分别为k1和k2的两个光子在合适配置的非线性介质中一起传播，并在该两个光子组合能量的和频ω3＝ω2+ω1处生成光子的现象。和频产生(SFG)相位匹配可以通过旋转非线性晶体来实现，使得满足条件k3＝k2+k1。图1是SFG的具体情况的图示，其中关于中心频率ωFF以±Δω量对称的不同能量的光子可以组合在一起以产生在恒定二次谐波频率ωSH＝(ωFF+Δω)+(ωFF-Δω)＝2ωFF处的信号光子。
图2是下面描述的本发明的实施例如何利用这种现象的示意图。空间啁啾激光脉冲或光束11在频域中与具有围绕中心频率ωFF相等且相反的空间啁啾的激光脉冲或光束12混合，以生成单色窄带脉冲或光束13。从中心频率起相等能量±Δω的光谱分量是单色的，并且在基频ωFF处与SFG是相位匹配的。
压缩信号带宽
Figure BDA0002523797270000071
与傅立叶平面处的基本脉冲的光谱分辨率δλFF成比例，该光谱分辨率δλFF由系统的几何配置、输入波长和色散构件的选择来确定，并且可以预测为：
Figure BDA0002523797270000072
其中δλFP是由聚焦高斯光束束腰Δx0确定的傅立叶平面中每种颜色的光谱分辨率，以及焦平面中的线性色散
Figure BDA0002523797270000073
其中：
Figure BDA0002523797270000074
并且δλD是由于在长度为L的非线性晶体中输入光束角α的非共线交叉几何结构引起的颜色的不完美混合而导致的失真因子，其中：
Figure BDA0002523797270000075
可以看出，本发明一些实施例的带宽压缩取决于输入波长λFF、输入光谱带宽ΔλFF、选择的色散元件的角度色散
Figure BDA0002523797270000076
透镜焦距f、输入光束直径D和非线性晶体输入角α，它们都是容易表征的因子。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，将理解的是，光辐射的“空间啁啾”光束是辐射的频率随空间坐标单调变化的光束。光辐射的“有角度地色散的”光束是辐射的频率随角度坐标单调变化的光束。光的角度色散可以用于产生空间啁啾光束，尽管不是所有的空间啁啾光束都是有角度地色散的，例如，如果透镜等被应用于有角度地色散的光束以产生平行光线，则所得到的光束将是空间啁啾的，而不是有角度地色散的。
带宽压缩器-第一实施例
在描述根据特定实施例的带宽压缩器的特定配置之前，首先将以宽泛的功能术语来描述带宽变窄的原理。
图3是根据本发明的一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统30的功能图示。
光学系统30和根据本发明其它实施例的光学系统包括多个单元。每个单元可以由单个部件或构件形成，或者每个单元可以由一起操作以执行功能的多个部件或构件形成。每个单元的部件可以耦合在一起或者它们可以是分离的。例如，如果任何给定的部件执行或贡献多个功能，则该部件可以形成不只一个单元的一部分。
光学系统30接收入射辐射的光束31或脉冲。光束31可以是任何形式的电磁辐射，但是在本发明的典型实施方式中，光束31将采取激光脉冲的形式。在本发明的一个实施例中，光束31包括宽带飞秒激光脉冲。下面讨论具体的示例，但是在本发明的实施例的其它示例中，脉冲宽度可以小于1ps，例如大约50-100fs。
光束31由空间啁啾单元32接收。空间啁啾单元32被配置成接收光束31和并对光束31进行空间啁啾，以生成空间啁啾光束33。空间啁啾光束31可以包括有角度地色散光束。在一些实施例中，空间啁啾单元包括色散光栅，例如透射光栅、凹面光栅(其也可以用作聚焦构件)、闪耀反射光栅或其他类型的反射光栅。在其它实施例中，空间啁啾单元包括色散棱镜，例如，致密火石棱镜或其它类型的棱镜。在其他实施例中，空间啁啾单元包括对入射辐射施加空间啁啾或角度色散的任何光学构件。空间啁啾单元32可以包括多个色散构件，包括不同类型的色散构件。
空间啁啾光束33由分束器单元34接收。分束器单元34被配置成将光束33分成第一分光束35a和第二分光束35b。每个分光束35a和35b是空间啁啾的。在本发明的一个实施例中，分束器单元34包括光束分束器。在另一实施例中，分束器单元34包括色散光栅，所述色散光栅被配置成将入射辐射的光束分裂。在一个实施例中，色散光栅既空间啁啾又分裂入射辐射的光束，在这种情况下，应当理解，该色散光栅形成空间啁啾单元32和分束器单元34两者的一部分。应当理解，在这种实施例中，光束33可以不以图3所示的方式作为单独的辐射光束存在。
在本发明的一些实施例中，在图3所示的功能布局中，可以交换分束器单元34和空间啁啾单元32的位置，即，首先由分束器单元34接收光束31，其生成分光束，然后由空间啁啾单元32对每个分光束进行空间啁啾。
分光束35a和35b由反转单元36接收，该反转单元36被配置成使光束中的一个相对于另一光束反转，以生成分光束37a和反转分光束37b。反转单元36可包括作用于分光束35a和35b中的一个或两个的光学构件，但是反转单元36的总体效果是使一个光束相对于另一个光束反转。反转单元36可以包括在光束37a或光束37b的路径中的光束分束器和/或一个或更多个反射构件(例如反射镜)。在一个实施例中，色散光栅执行以下所有功能：空间啁啾光束、分裂光束和反转光束中的一个，在这种情况下，可以理解，该色散光栅形成空间啁啾单元32、分束器单元34和反转单元36的一部分。可以理解，在这种实施例中，光束33、35a和35b可以不以图3所示的方式作为单独的辐射光束存在。
分光束37a和37b由光学混合单元38接收，该光学混合单元38被配置成混合光束并生成输出光束39。光学混合单元38包括一个或更多个光学混合构件。光学混合构件可以包括非线性光学介质，例如非线性光学晶体。在一个实施例中，光学混合构件是β-硼酸钡(BBO)晶体。光学混合构件可以替换地(或附加地)包括另一个二阶非线性晶体，例如硼酸铋(BiBO)、三硼酸锂(LBO)、铌酸锂(LiNbO3)、磷酸二氢钾(KDP)或磷酸氧钛钾(KTP)晶体。
光学混合单元38还可以包括一个或更多个聚焦构件或变换构件，该聚焦构件或变换构件被配置成聚焦分光束37a和37b。例如，一个或更多个透镜可以被配置和布置成将分光束37a和37b聚焦到非线性光学晶体上。在本发明的不同实施例中可以单独或组合使用的聚焦构件包括：凸透镜(消色差双胶合透镜)、非消色差透镜、凹面镜和凹面光栅(其也可以用作空间缺口单元)。消色差透镜在本发明的一些实施例中可以呈现优点，因为与非消色差透镜相比，这改善了在给定波长范围中颜色在相同焦平面上的聚焦。可替代的，可以包括一个或更多个聚焦构件作为空间啁啾单元32的一部分。
与输入光束31相比，由于分光束与输出光束39的和频发生相位匹配，输出光束39在光谱上被压缩，或更加窄带。在一个示例中，窄带皮秒激光脉冲是从宽带飞秒激光脉冲生成的。
应当理解，尽管在以上说明和附图中已经为辐射光束的不同段分配了不同的附图标记，但是在一些上下文中，这些光束中的一些可以被认为是在每部分之间操纵的相同的光束。例如，光束37b可以被认为是与光束35b相同的光束，只是该光束的反转形式。
如稍后将关于本发明的特定实施例更详细描述的，可以通过调节光学系统30的零部件的方向和/或位置来实现光学系统30的调谐，例如调谐输出光束39的频率。为了实现这一点，光学系统30可以包括一个或更多个调节机构和相关联的控制系统，例如被配置成调节空间啁啾单元或其一部分的方向和/或位置的空间啁啾单元调节机构301、被配置成调节一个或更多个反射构件的方向和/或位置的反射构件调节机构302以及被配置成调节光学混合单元或其一部分的方向和/或位置的光学混合单元调节机构303。在一些实施例中，光学系统中的一个或更多个部件的调节使得分光束35a、35b、37a或37b中的一个的光学路径长度相对于另一个分光束被调节(即缩短或延长)，从而能够通过允许路径长度调节(例如路径长度匹配)来调谐光学系统30，以增强分光束的时间重叠。调节机构以允许手动或自动调节其方向和/或位置的方式可操作地连接到相应的部件。
光学系统30可以包括相位匹配机构，该相位匹配机构被配置成使第一分光束和第二分光束与输出光束基本相位匹配，以便于和频混合。相位匹配机构可以允许发生用于非线性转换(诸如和频产生)的相位匹配条件。在一个实施例中，相位匹配机构包括光学混合单元调节机构303。例如，相位匹配可以通过旋转非线性光学晶体来实现，在该非线性光学晶体中混合了分光束。在一个实施例中，为了实现相位匹配，可以使晶体围绕与入射到空间啁啾单元上的光的角度可以围绕其变化的轴正交的轴旋转。可替代的，相位匹配机构可以包括被配置成调节施加到一个或更多个分光束的场参数的机构，例如该机构可以被配置成调节一个或更多个分光束的电场、温度或压力，或者调节被施加到一个或更多个分光束的电场、温度或压力。
光学系统30实现光谱带宽压缩，从而允许以具有相对高的效率的部件的相对简单的配置实现微调谐性和宽调谐性。本发明的特定实施例的附加或替代优点将在随后的说明中描述。
在一个实施例中，本发明包括配置成接收两个空间啁啾光束的光学系统或光学装置，两个空间啁啾光束中一个光束相对于另一个光束反转。也就是说，入射辐射的空间啁啾、分裂和反转可以在单独的系统中发生。在其他实施例中，光学系统可选地包括反转单元、空间啁啾单元和分束器单元中的任何一个或更多个，同时其他单元被并入在由本发明实施例的光学系统接收之前作用于辐射的装置中。
带宽压缩器-第二实施例
图14是根据本发明的另一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统140的功能图。
光学系统140包括光学混合单元148，所述光学混合单元148被配置成以与上述关于光学混合单元38类似的方式混合辐射光束147a和147b以生成输出光束149。对光束147a和147b进行空间啁啾，并且光束147a相对于光束147b被反转，使得光学混合单元148和频混合这些光束。
通过作用于光束143a以使光束相对于光束143b反转以生成反转光束147a的反转单元146a，可以从相对于彼此未反转的光束143a和143b生成光束147a和147b。同时，光束143b可以通过“非反转”单元146b。非反转单元146b可以包括一个或更多个光学构件，该光学构件不反转光束143b，但是呈现与反转单元146a基本上相同的光学路径长度。在一些实施例中，不存在非反转单元146b。在一个实施例中，反转单元146a和非反转单元146b表示通过单个装置或子组件的不同路径。
通过空间啁啾单元142a和142b对来自入射辐射的光束143a和143b进行空间啁啾。空间啁啾单元142a和142b可以是生成空间啁啾的单独部件，例如色散光栅，或者它们可以是生成空间啁啾的单个部件的不同部分，其中入射光束141a和141b入射到所述部件的不同部分上。
在一些实施例中，从单独的光源接收入射光束141a和141b。在其他实施例中，通过例如使用如关于图3所解释的分束器单元分裂来自单个源的光来生成入射光束141a和141b。
带宽压缩器-第三实施例
现在将描述根据本发明实施例的带宽压缩系统的具体配置。应当理解，在关于一个实施例描述部件的情况下，即使没有明确地陈述，该部件也可以用例如如本文关于本发明的另一实施例描述的具有等同或类似功能的另一部件来替换。
图4是根据本发明的另一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统40的平面示意图。
在光学系统40中，输入光束由被配置成使输入光束偏振的偏振器41接收。偏振器41可包括半波片或任何其它偏振构件或偏振构件的组件。偏振器41不存在于所有实施例中，尽管在偏振器41存在的情况下可以提高系统的效率，例如，如果通过/反射离开空间啁啾单元的透射率取决于偏振。
偏振光束被反射镜42导向色散光栅43。反射镜调节机构允许调节反射镜42的方向以广泛地调谐光学系统40。在图4所示的配置中，光束以近似垂直于光束在偏振器41与反射镜42之间行进的方向的方向且以斜角入射到色散光栅43上。色散光栅调节机构允许调节色散光栅43的方向。例如，可以基于输入光束的频率的变化来进行这种调节，因为色散光栅43的光的色散角取决于光的频率。
色散光栅43对光束进行空间啁啾/有角度地色散。空间啁啾光束倾斜地入射到光束分束器44上，这产生空间啁啾辐射的两个分光束(通过入射辐射的反射部分来产生一个光束，以及通过入射辐射的透射部分来产生另一个光束)。光学系统40包括位于光束分束器44两侧的两个反射镜45a和45b，使得从光束分束器44中反射的分光束倾斜地入射到反射镜45a上，从通过光束分束器44透射的分光束倾斜地入射到反射镜45b上。反射镜45a和45b中的每一个反射分光束中的一个，并且是成角度的，使得分光束被引导在近似平行的方向上。在图4的实施例所示的配置中，该方向近似平行于光从反射镜42行进到色散光栅43的方向。光束分束器44和反射镜45a、45b的总体效果是产生空间啁啾光的两个近似平行的分光束，其中一个光束相对于另一个光束反转，即两个光束相反地啁啾—一个光束负啁啾，另一个光束正啁啾。
反射镜调节机构允许调节反射镜45b的方向和/或位置。在可替代实施例中，提供了允许调节反射镜45a的方向和/或位置的反射镜调节机构。在图4所示的实施例中，可以旋转反射镜45b，以在垂直于聚焦透镜46的光轴的晶体47的轴上调节聚焦的空间啁啾分光束的空间重叠程度。还可以使用延迟台(delay stage)沿着聚焦透镜46的光轴向前和向后移动反射镜45b以允许分光束之间的路径长度匹配，从而增强时间重叠。
聚焦透镜46位于空间啁啾光的分光束的路径中。诸如BBO晶体的非线性光学晶体47位于聚焦透镜46的焦平面上。分光束在晶体47中混合以产生光谱压缩的输出光束。晶体调节机构允许调节晶体47的方向和/或位置。在所示的实施例中，晶体调节机构使晶体47围绕光轴旋转，以在宽调谐光学系统40时进行相位匹配，从而适应不同的输入波长。在一个实施例中，结合对反射镜42的角度进行的调节或作为对反射镜42的角度进行的调节的结果来调节晶体47的角度，以便确保相位匹配。在图4和5的实验配置中，晶体47围绕与反射镜42旋转的方向正交的轴旋转，以实现相位匹配。
输出光束可以通过使输出光束变窄的光圈48和准直器49。在本发明的一些实施例中可存在光圈48。如果光圈48存在，则它阻挡继续在非共线方向上传播的两个残余基本光束，而信号由于动量守恒而沿着光轴直线传播。这是非共线几何结构的优点，(与在共线几何结构中使用滤波器相比)这使得在空间上阻挡残差更方便。
图5是图4的光学系统40的光学布局的说明性侧视图。图5示出了色散光栅43、聚焦透镜46和晶体47的“2f”配置，即色散光栅43和晶体47在聚焦透镜46的焦平面中并在聚焦透镜46任一侧上，例如色散光栅43和晶体47沿着透镜46的光轴在远离聚焦透镜46的焦距处并且在透镜46的任一侧上定位。准直器49可以是具有基本上等于聚焦透镜46的焦距的焦距的透镜并且定位成使得其定位在晶体47的远离聚焦透镜46的另一侧上，其中晶体47在准直器49的焦平面中。
图6是根据本发明的另一实施例的光学系统60的示意图。光学系统60类似于图4所示的光学系统40，但是用色散棱镜61代替色散光栅43。色散棱镜61被配置成通过合适的调节机构调节其方向和/或位置。
在使用如图4、5和6中所示的配置的实验测试中，使用在波长λFF＝800nm处切割用于二次谐波产生(SHG)的、厚度L＝0.5mm的1型BBO晶体，产生自3kHz钛：蓝宝石(Ti:Sapphire)再生放大器，生成具有光谱带宽
Figure BDA0002523797270000131
的脉冲。
在第一组实验中，选择(以布儒斯特角输入的)具有6.7nm/mrad的角度色散的致密火石H-ZF62棱镜作为图6所示配置中的色散棱镜61，而在第二组实验中，使用具有0.82nm/mrad的较高角度色散(对于输入角0.95rad计算)的750nm闪耀的1200gr/mm衍射光栅作为图4所示配置中的色散光栅43。输入的基本脉冲能量衰减到12.7μJ，且输入光束的偏振用半波片调谐，以便在色散构件处使效率最大化。在色散之后，用光束分束器将基本脉冲分成两个副本，两个反射镜使一个脉冲相对于另一个脉冲反转，生成具有相等且相反的空间啁啾的两个脉冲。焦距f＝250mm的消色差双合透镜(光电探测器AC508-250-A-ML)用作聚焦透镜46，以将两个啁啾脉冲聚焦到傅立叶平面作为长度X＝2f·tanξ的重叠带，其中ξ是色散锥角，其中，根据色散元件的输入角α对于色散棱镜61和色散光栅43分别使用斯涅尔(Snell)定律n1sinα＝n2sinβ和光栅方程sinα+sinβ＝10-6kgλ计算该色散锥角。。
两个光束在BBO晶体47中以非共线几何结构混合，两个光束之间的输入角为0.07rad，允许信号和基本光束与在BBO晶体47之后一定距离放置的光圈48分离。增加SFG转换的相位匹配，同时单个脉冲的SHG转换通过旋转BBO晶体47而减小。
通过单个光学元件(反射镜45b)的微调谐，实现在傅立叶平面中的啁啾脉冲的空间和时间重叠的增强。如上所述，反射镜45b的旋转在空间上重叠BBO晶体47的垂直轴上的聚焦分光束，而使用延迟台沿着透镜46的光轴平移反射镜45b允许路径长度匹配以改善时间重叠。
焦距f＝250mm的柱面透镜49被放置在距离BBO晶体47为f处，以准直信号光束。
为了在实验测试中表征信号脉冲的光谱，高分辨率(OR＝0.2nm)光纤耦合光谱仪(布罗利特(Brolight)BIM-6602-02)记录了脉冲光谱。图7示出了使用H-ZF64棱镜作为图6的配置中的色散棱镜61产生的信号的光谱(图7中的实线)，以及测量该信号具有0.32nm(20.0cm-1)的光谱带宽ΔλFWHM，证明与基本输入的400nm脉冲(图7中的虚线)相比，显著的压缩因子约为9，测量的ΔλFWHM为11nm(171.9cm-1)。该结果接近于由等式(1)确定的ΔλFWHM≈0.38nm(23.8cm-1)的预测光谱带宽。作为带宽压缩的有用测量，与使用相同BBO但不使用压缩器产生的二次谐波脉冲的比较在相同光谱仪上记录为2.73nm(170.6cm-1)的ΔλFWHM。
用更高色散的1200gr/mm衍射光栅代替棱镜用于图4配置中的色散光栅43，进一步实现了大约为12的光谱压缩因子，具有在光谱仪的光学分辨率(OR)极限处记录的带宽ΔλFWHM＜0.22nm(13.8cm-1)(图7中的点划线)。
使用瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)(J.N.Sweetser,D.N.Fittinghoffand R.Trebino,Opt.Lett.22No.8,(1996)和K.Chen,J.Gallaher,A.Barker and J,Hodgkiss,J.Phys.Chem.Lett.,5(10)(2014))来表征信号的时间分布。图8中的结果示出了高斯形分布，具有使用图6的棱镜色散构件61的时间包络ΔτFWHM＝0.77ps对应于大约8的时间膨胀因子(图8中的实线)和使用图4的色散光栅的时间包络ΔτFWHM＝10.34ps产生大约129的膨胀因子(图8中的点划线)。假设变换受脉冲限制，预测的光谱带宽可以从高斯分布的时间带宽积(TBP)ΔνΔτ＝0.44推导。将此应用于使用色散光栅43的400nm谐波脉冲的未分辨光谱带宽，发明人预测大约0.02nm(1.25cm-1)的实际光谱带宽，该实际光谱带宽也与由等式(1)预测的光谱带宽一致。信号光束的空间分布沿一个轴(垂直)发散，并沿另一个轴(平行)准直，准直宽度与聚焦的带宽X成比例。选择放置在光圈48之后的具有合适的光焦度的柱面透镜49，光束可以被准直或叠缩成用于应用的可用光束。
为了将由光学系统40和60获得的光谱带宽与在不同中心频率处产生脉冲的其它时域带宽压缩器进行比较，使用波数的中心波长独立单元是有用的。在实验中由光学系统40和60生成的皮秒脉冲在所使用的光谱仪的OR极限处具有13.8cm-1的最佳测量带宽，以及基于等式(1)和测量的时间脉冲宽度的1.25cm-1的预测带宽。该带宽与现有系统相当或比现有系统更好，现有系统具有8.5cm-1至93cm-1的报告的带宽(M.Marangoui,D.Brida,M,Quintavalle,G.Cirmi,F.M.Pigozzo,C.Manzoni,F.Baranio,A.D Capobianco andG.Cerullo,Opt.Exp.Vol(15),No 14,8884(2007)；F.Raoult,A.C.L.Boscheron,D.Husson,and C.Sauteret,Opt.Lett.Vol 23No.14(1998)；H.Luo,L.Qian,P.Yuan,and H.Zhu,Opt.Exp.Vol 14No.22,10631(2006))。
在光学系统输入处、在BBO晶体47之前和在BBO晶体47之后立即测量功率吞吐量。首先在系统输入处使用可变中性密度滤波器将基本输入光束衰减到12.7μJ的脉冲能量，在BBO晶体47的输入处、在BBO晶体47之前立即测量两个脉冲的组合能量为10.1μJ，具有1.9μJ功率的窄带信号输出证明SFG过程的18.8％的转换效率和14％的总系统效率。与时域带宽压缩器的比较示出了该转换效率是可接受的，其它压缩器报告的效率在0.5％-40％范围内(G.Xu,L.Qian,T.Wang,H.Zhu,C.Zhu and D.F,IEEE J.Quant.Elect.(10)(2004)；F.Raoult,A.C.L.Boscheron,D.Husson,and C.Sauteret,Opt.Lett.Vol 23No.14(1998)；S.A.Kovalenko,A.L Dobryakov,N.P.Ernsting,Rev Sci Instrum.Vol(6),82(6):063102(2011))。由于通过棱镜的透射损失和在反射镜处的反射损失，在整个光学系统40和60中可能发生接近20％的能量损失。使用色散光栅43没有获得SFG效率饱和，这应归因于在掠入角几何结构中使用用于利特罗几何结构的光栅闪耀的较高功率损失，以及归因于由较高的角度色散造成的较宽的带长度导致的在BBO晶体47处的显著较低的功率密度。
与光谱应用的相关性是在宽的光谱范围上生成可调谐的窄带皮秒脉冲的能力。时域压缩器系统通常使用各种系统调节来报告宽可调谐性，其中调谐范围受限于取决于激光源的关于具有720nm到890nm以及1000nm到1090nm的调谐范围的基本系统输出(M.Marangoui,D.Brida,M,Quintavalle,G.Cirmi,F.M.Pigozzo,C.Manzoni,F.Baranio,A.D Capobianco and G.Cerullo,Opt.Exp.Vol(15),No 14,8884(2007)；H.Luo,L.Qian,P.Yuan,and H.Zhu,Opt.Exp.Vol 14No.22,10631(2006))。在光学系统40和60中，通过在BBO晶体47的平面中相对于啁啾带中的另一个平移啁啾带中的一个，以便通过旋转反射镜45b来调节中心混频频率λFF，从而方便地实现输出信号频率λSH的微调谐。图9示出了在400nm的中心频率附近的大约2.5nm的调谐范围，虽然信号强度朝向调谐范围的边缘减小。在本发明的一些实施例中，可以通过调谐色散光栅43的角度和/或通过定位反射镜45b重新配置路径长度匹配来补偿该信号损失，以保持高转换效率。
对于宽调谐，本发明的一些实施例的优点是使用薄BBO晶体47，其允许通过晶体47关于焦平面垂直地旋转，在输入波长的宽光谱上满足SFG的相位匹配条件。这是使用从800nm基本脉冲经由在商业的光学参数放大器(OPA)(光转换TOPAS)中的转换而产生的两个不同输入波长来证明的。图10示出了通过色散光栅43的输入角的调节而产生的、通过反射镜42的旋转和BBO晶体47的旋转来获得的不同SFG信号波长，以与基本输入频率匹配，该基本输入频率根据1200nm输入产生在中心频率600nm处、具有ΔλFWHM<0.41nm(11.4cm-1)的窄带脉冲，不同SFG信号波长使用光纤耦合光谱仪(海洋光学HR4000)记录。类似地，根据1400nm基本输入脉冲产生中心频率700nm处、具有ΔλFWHM<1.3nm(26.5cm-1)的窄带脉冲，在所使用的低分辨率USB光谱仪的极限(OR 1.3nm)处测量。
带宽压缩器-第四实施例
图11是根据本发明的另一个实施例的带宽压缩器或用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统110的示意图。光学系统110包括偏振器111、反射镜112、聚焦透镜116、非线性光学晶体117和光圈118，它们与光学系统40和60的等效部件相似。这里将不对这些部件进行更详细的描述，但是应当理解，关于光学系统40和60中的这些部件所描述的任何变化或修改也适用于光学系统110中的部件。
光学系统110以不同于光学系统40和60的方式实现入射光束的空间啁啾、分裂和反转。在光学系统110中，透射光栅113位于入射光束的路径中、在光轴上且在聚焦透镜116的焦平面中。透射光栅113被配置成对入射光束进行空间啁啾(例如，通过有角度地色散)并将入射光束分裂成一阶模式m＝±1下的两个分光束。两个分光束被对称地空间啁啾使得一个光束与另一个光束镜像。也就是说，透射光栅113也使一个光束相对于另一个光束反转。根据图3所示的光学系统的功能布局，透射光栅113包括空间啁啾单元32、分束器单元34和反转单元36。
反射镜115a和115b位于空间啁啾分光束的路径中，且定向为将分光束朝向棱镜反射镜114反射。棱镜反射镜114被配置和定位成将光束导向聚焦透镜116。在可替代实施例中，可以使用两个或更多个反射镜代替棱镜反射镜114。
光学系统110的调谐可以通过调节反射镜115a或115b的位置和/或方向来实现。例如，使用延迟台沿透镜116的光轴平移反射镜115b，可以使路径长度匹配以改善时间重叠，以及通过在晶体117平面内相对于啁啾带中的一个平移啁啾带中的另一个来旋转反射镜115b、微调谐输出信号频率，以调节中心混合频率λFF。光学系统110包括一个或更多个反射镜调节机构和控制系统，以达到反射镜115a或115b的位置和/或方向的调节的目的。
分别与图4和6的光学系统40和60相比，光学系统110提高了在高色散下的效率，允许产生更窄和/或更强的皮秒脉冲。
带宽压缩器-第五实施例
图12和13分别是根据本发明的另一个实施例的用于光谱带宽压缩的光学系统120的一部分的平面图和侧视图。在本发明的另一个实施例中，光学系统120可以处于与图12和13所示的不同的方向，例如光学系统120可以旋转90°，使得图12是光学系统的侧视图图示，及图13是光学系统的平面图图示。
光学系统120包括光束分束器124、聚焦透镜126、非线性光学晶体127和光圈128，它们与光学系统40、60和110的等效部件类似。这里将不对这些部件进行更详细的描述，但是应当理解，关于光学系统40、60和110中的这些部件所描述的任何变化或修改也适用于光学系统120中的部件。
图12和13中没有示出偏振器、可选的反射镜和空间啁啾构件，它们可以在被图12和13中所示的部件接收之前作用于入射光束。也就是，光束分束器124接收入射辐射的空间啁啾光束。空间啁啾构件对光束进行空间啁啾，使得图12和13中的入射光束在水平面中是空间啁啾的。
空间啁啾光束倾斜入射到光束分束器124上，并生成两个分光束。光学系统120被配置成使得反射的分光束入射到第一平面外反射组件131a上。平面外反射组件131a具有将反射的分光束从入射光束的平面引导到不同平面的作用，例如，如图13中可以看到的平行但更高的平面。平面外反射组件131a可以采取多个反射镜和/或棱镜的形式，这些反射镜和/或棱镜被定位成实现这种作用，例如，屋脊型反射镜。
反射镜132a被定位成使得来自平面外反射组件131a的反射的分光束在反射镜132a中被反射并被导向反射镜133a。反射镜133a被定位成使得该分光束被反射向聚焦透镜126。
光学系统120被配置成使得由通过光束分束器124的辐射的透射生成的分光束被入射到第二平面外反射组件131b上。平面外反射组件131b具有将反射的分光束从入射光束的平面引导到另一不同平面的作用，例如，如图13中可以看到的平行但较低的平面。平面外反射组件131b可以采取多个反射镜和/或棱镜的形式，这些反射镜和/或棱镜被定位成实现这种作用，例如屋脊型反射镜或两个反射镜垂直定位的其它组件。
反射镜132b被定位成使得来自平面外反射组件131b的反射的分光束在反射镜132b中被反射并被导向反射镜133b。反射镜133b被定位成使得该分光束被反射向聚焦透镜126。
可以理解，尽管在图12和13的实施例中使用了两个平面外反射镜组件131a和131b，但是在可替代实施例中，可以使用单个平面外反射镜组件来将分光束中的一个转移到不同的平面。这种实施例的光学系统可能需要被配置成使得每个分光束的光路具有相同的长度。
反射镜的组件的效果已经在关于图12和13中描述，该效果是两个分光束在不同于空间啁啾平面的平面中入射到晶体127上。例如，在说明的实施例中，入射光束最初在水平面中空间啁啾，而入射到晶体127上的分光束位于垂直面中，并在垂直面中相对于彼此形成交叉角θ。这种配置可以消除潜在的压缩带宽限制，由于对晶体127的大的非共线入射角引起的几何结构拖尾效应，这种压缩带宽限制发生在当空间啁啾和交叉角在同一平面中时。
带宽压缩器-第六实施例
图15和16分别是根据本发明的另一个实施例的用于光谱带宽压缩的光学系统150的一部分的平面图和侧视图。在本发明的另一个实施例中，光学系统150可以处于与图15和16所示的不同的方向，例如光学系统150可以旋转90°使得图15是光学系统的侧视图图示，图16是光学系统的平面图图示。
在图15和16的实施例中，从两个不同的光源(未示出)接收光(例如激光脉冲)，色散光栅151a和151b每个都位于来自光源的光束中的一个的路径中。在所示的实施例中，色散光栅151a和151b在水平平面中以相同的方向和位置定位，但是在垂直平面中具有不同的位置。
反射镜152位于空间啁啾光束中的一个的路径中，即在图15和16所示的实施例中，色散光栅151a对顶部光束进行空间啁啾。底部光束允许在反射镜152下通过。反射镜152相对于非反射光束反转反射光束。
反射镜153a和154a定位在顶部光束的路径中，以将顶部光束导向聚焦透镜155。反射镜153b和154b类似地定位在底部光束的路径中，以将底部光束导向聚焦透镜155。反射镜们被配置成使得每个光束具有基本上相同的光学路径长度。
聚焦透镜155以与关于本发明的其它实施例描述的方式类似的方式将两个光束聚焦在晶体156上，使得两个光束在晶体156中混合以生成输出光束。还可提供光圈157。
在图15和16的实施例中，光束在水平面中进行空间啁啾，入射到晶体156上的分光束位于垂直面中，并在垂直面中相对于彼此形成交叉角θ。
潜在的应用
根据本发明的实施例的光学系统的潜在应用包括其中使用窄带激光脉冲(例如强窄带皮秒激光脉冲)的任何系统。示例包括诸如时间分辨振动泵浦-探测光谱与和频产生(SFG)表面光谱、拉曼光谱仪、脉冲发生器、脉冲转换器和量子信息传输系统等需要高光谱分辨率的超快激光应用。这样的系统可以包括本发明的任何实施例形式的窄带光束发生器。
例如，图17示出了在稳态下在飞秒受激拉曼光谱(FSRS)中使用本发明的实施例。在所示的FSRS系统160中，锁模钛：蓝宝石放大器161以3kHz的重复率在800nm的中心波长处传递3W 100fs的脉冲。光束分束器162发送用于超连续谱发生器163的小部分脉冲以产生宽带探测。根据本发明的实施例，剩余的功率被衰减并被发送到带宽压缩器30、40、60、110、120、140、150，用于窄带拉曼泵浦的产生。探测和泵浦脉冲被偏振器164水平偏振。每个偏振器可包括半波片164a或任何其它偏振构件或偏振构件的组件。使用反射镜165将两个偏振脉冲聚焦，以在非共线几何结构中在1mm比色皿166的中心处重叠。探测脉冲被在用于数据收集的自制的切尔尼特纳(Czerny Turner)透射光栅光谱仪167上分散并收集。该光谱仪在3100cm-1的光谱范围内具有20cm-1的OP。在CMOS探测器阵列(Lightwise LW-ELIS-1024a-1394)上以3kHz的读出速率收集光谱，以捕获每个拉曼泵浦开关发射。使用在拉曼泵浦线中以1.5kHz运行的机械斩光盘(mechanical chopper)168产生拉曼泵浦开启和拉曼泵浦关闭的发射序列，允许通过泵浦关闭探测光谱的划分来提取和标准化拉曼增益光谱。
使用图17中所示的设置，以3.3μJ的拉曼泵浦能量获得丙酮和甲醇的受激拉曼光谱。数据平均超过60,000次发射以获得每个光谱。图18示出了每种液体的标准化平均光谱，与从自发的拉曼光谱数据(LabRAM HR800)获得的预期拉曼峰值位置表现出良好的一致。使用多项式拟合和差值计算，消除了由于泵浦和探测光束的交叉相位调制引起的基线伪影。测量的光谱的FWHM带宽分辨率约为30cm-1，与其他稳态FSRS系统相比，证明了拉曼泵浦的良好性能。
其它应用对于本领域技术人员将是显而易见的，且本发明的实施例不限于本文指定的那些应用。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应被解释为包含性的意义，而不是排他性或穷举性的意义，也就是说，在“包括但不限于”的意义上。
如果有的话，上文和下文引用的所有申请、专利和出版物的全部公开内容通过引用并入本文。
在本说明书中对任何现有技术的参考不是且不应该被认为是承认或以任何形式暗示该现有技术形成世界上任何国家所致力的领域中的公知常识的一部分。
本发明还可以广义地说成是由在本申请的说明书中单独地或共同地提及或指出的部分、元件和特征，两个或更多个所述部分、元件或特征的任何或所有组合构成。
在上述说明中，已经参考了具有其已知等同物的整体或部件，这些整体被结合于此，如同单独阐述一样。
应当注意，对在此描述的目前优选的实施例的各种改变和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。可以在不背离本发明的精神和范围并且不减少其伴随的优点的情况下进行这样的改变和修改。因此，这些变化和修改都包括在本发明的范围内。

Claims (38)

1.一种用于使入射辐射的光束的带宽变窄的光学系统，所述光学系统包括：光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中所述第一光束和所述第二光束被空间啁啾，且所述第一光束相对于所述第二光束被反转；其中所述光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，所述非线性光学介质用于将所述第一光束和所述第二光束混合成具有比所述入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统包括反转单元，所述反转单元被配置成在所述光束被所述光学混合单元接收之前，使所述第一光束相对于所述第二光束反转。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学系统包括至少一个空间啁啾单元，所述至少一个空间啁啾单元被配置成在所述第一光束相对于所述第二光束反转之前对所述入射辐射进行空间啁啾。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统包括分束器单元，所述分束器单元被配置成将所述入射辐射分裂成所述第一光束和所述第二光束。
5.根据从属于权利要求3时的权利要求4所述的光学系统，其中，所述至少一个空间啁啾单元在所述入射辐射被分裂成所述第一光束和所述第二光束之前对所述入射辐射进行空间啁啾。
6.根据从属于权利要求3时的权利要求4所述的光学系统，其中，所述至少一个空间啁啾单元在所述入射辐射被分裂成所述第一光束和所述第二光束之后对所述第一光束和所述第二光束进行空间啁啾。
7.根据从属于权利要求3时的权利要求3-6中任一项所述的光学系统，其中，所述空间啁啾单元包括色散光栅。
8.根据从属于权利要求3时的权利要求3-6中任一项所述的光学系统，其中，所述空间啁啾单元包括色散棱镜。
9.根据从属于权利要求3时的权利要求3-8中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统包括空间啁啾单元调节机构，所述空间啁啾单元调节机构被配置成调节所述空间啁啾单元或所述空间啁啾单元的一部分的方向和/或位置。
10.根据从属于权利要求4时的权利要求4-9中任一项所述的光学系统，其中，所述分束器单元包括光束分束器。
11.根据从属于权利要求4时的权利要求4-9中任一项所述的光学系统，其中，所述分束器单元包括色散光栅。
12.根据从属于权利要求2时的权利要求2-11中任一项所述的光学系统，其中，所述反转单元包括一个或更多个反射构件。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，所述光学系统包括反射构件调节机构，所述反射构件调节机构被配置成调节所述一个或更多个反射构件中的至少一个的方向和/或位置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述非线性光学介质包括非线性光学晶体。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统包括相位匹配机构，所述相位匹配机构被配置成使所述第一光束、所述第二光束和所述输出光束大体相位匹配。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述相位匹配机构包括光学混合单元调节机构，所述光学混合单元调节机构被配置成调节所述光学混合单元或所述光学混合单元的一部分的方向和/或位置。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述光学混合单元调节机构适于调节所述非线性光学介质的方向和/或位置，以使所述第一光束、所述第二光束和所述输出光束大体相位匹配。
18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述光学混合单元调节机构适于旋转所述非线性光学介质以使所述第一光束、所述第二光束和所述输出光束大体相位匹配。
19.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学混合单元包括一个或更多个聚焦构件，所述一个或更多个聚焦构件被配置成聚焦由所述光学混合单元接收的所述第一光束和所述第二光束。
20.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统包括准直器，所述准直器被配置成使所述输出光束变窄。
21.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统包括偏振器，所述偏振器被配置成使由所述光学系统接收的所述入射辐射的光束偏振。
22.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述第一光束、所述第二光束以及所述输出光束大体都位于一个平面内。
23.根据权利要求22所述的光学系统，其中，所述平面是大体水平的。
24.根据权利要求22所述的光学系统，其中，所述平面是大体垂直的。
25.根据从属于权利要求3时的权利要求3-21中任一项所述的光学系统，其中，所述至少一个空间啁啾单元被配置成在第一平面内对所述入射辐射的光束进行空间啁啾，并且所述第一光束和所述第二光束在第二平面内形成一个角度；其中在所述第二平面内，所述第一光束和所述第二光束入射到所述光学混合单元上，所述第一平面垂直于所述第二平面。
26.根据权利要求25所述的光学系统，其中，所述第一平面是大体水平的，并且所述第二平面是大体垂直的。
27.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统被配置成接收激光辐射形式的入射辐射的光束，例如激光辐射脉冲。
28.一种光谱仪，包括：窄带宽光束发生器，所述窄带宽光束发生器用于使入射辐射的光束的带宽变窄；所述窄带宽光束发生器包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中所述第一光束和所述第二光束被空间啁啾，且所述第一光束相对于所述第二光束被反转；其中，所述光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，所述非线性光学介质用于将所述第一光束和所述第二光束混合成具有比所述入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束。
29.根据权利要求28所述的光谱仪，其中，所述光谱仪包括反转单元，所述反转单元被配置成在所述光束被所述光学混合单元接收之前，使所述第一光束相对于所述第二光束反转。
30.根据权利要求29所述的光谱仪，其中，所述光谱仪包括至少一个空间啁啾单元，所述至少一个空间啁啾单元被配置成在所述第一光束相对于所述第二光束反转之前对所述入射辐射进行空间啁啾。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的光谱仪，其中，所述光谱仪包括分束器单元，所述分束器单元被配置成将所述入射辐射分裂成所述第一光束和所述第二光束。
32.一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法，所述光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中所述第一光束和所述第二光束被空间啁啾，且所述第一光束相对于所述第二光束被反转；其中所述光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，所述非线性光学介质用于将所述第一光束和所述第二光束混合成具有比所述入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束；其中所述方法包括：调节所述第一光束相对于所述第二光束的路径长度。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述光学系统还包括一个或更多个反射构件，所述一个或更多个反射构件被配置成反射所述第一光束和所述第二光束中的一个；以及所述调节所述第一光束相对于所述第二光束的路径长度的步骤包括：控制所述反射构件中的任何一个或更多个的位置和/或方向。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述调节所述第一光束相对于所述第二光束的所述路径长度的步骤包括：控制反射构件中的一个的位置。
35.一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法，所述光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中所述第一光束和所述第二光束被空间啁啾，且所述第一光束相对于所述第二光束被反转；其中所述光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，所述非线性光学介质用于将所述第一光束和所述第二光束混合成具有比所述入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束；其中所述方法包括：调节所述第一光束和所述第二光束的空间重叠量。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述光学系统还包括一个或更多个反射构件，所述一个或更多个反射构件被配置成反射所述第一光束和所述第二光束中的一个；以及所述调节所述第一光束和所述第二光束的空间重叠量的步骤包括：控制所述反射构件中的任何一个或更多个的位置和/或方向。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述调节所述第一光束和所述第二光束的空间重叠量的步骤包括：控制所述反射构件中的一个的方向。
38.一种控制光学系统中的入射辐射的光束的带宽变窄的方法，所述光学系统包括光学混合单元，所述光学混合单元被配置成接收辐射的第一光束和辐射的第二光束，其中所述第一光束和所述第二光束被空间啁啾，且所述第一光束相对于所述第二光束被反转；其中所述光学混合单元包括光学混合构件，所述光学混合构件包括非线性光学介质，所述非线性光学介质用于将所述第一光束和所述第二光束混合成具有比所述入射辐射的光束更窄的带宽的输出光束；其中所述方法包括：调节所述光学混合单元的方向以使所述第一光束、所述第二光束和所述输出光束大体相位匹配。
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