CN111796439B - 一种飞秒脉冲的整形压缩装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞秒脉冲的整形压缩装置及其使用方法，属于飞秒激光压缩技术领域。包括一个由光纤种子源与展宽放大单元构成的啁啾脉冲放大系统，一个由压缩单元、计算机、液晶空间光调制器、提升镜组成的整形压缩系统，一个D型镜。本发明解决了现有技术中飞秒脉冲压缩装置不能同时兼顾色散补偿和相位补偿的问题。

Description

一种飞秒脉冲的整形压缩装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光压缩技术领域，具体涉及一种飞秒脉冲的整形压缩装置及其使用方法。

背景技术

飞秒激光器是一种脉冲激光器，现有的脉冲整形方法，使用棱镜能补偿高阶材料色散，但棱镜无法补偿非线性效应。使用可编程声光调制器和液晶调制器的飞秒脉冲频谱相位补偿法可以一定程度补偿非线性效应引起的脉冲时域排布混乱，但可编程声光调制器和液晶调制器一般作为独立的高精度设备置于飞秒激光系统的脉冲展宽阶段或脉冲压缩器的前端，致使整个激光系统体积增加、器件增多、操作负责度加大，不利于激光器的商品化开发和应用。

发明内容

为此，本发明提供了一种飞秒脉冲的整形压缩装置及其使用方法，以解决现有技术中飞秒脉冲压缩装置不能同时兼顾色散补偿和相位补偿的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，包括：

一个啁啾脉冲放大系统，其包括：

一个光纤种子源，其具有一个激光脉冲输出端，激光脉冲输出端能够输出激光脉冲。和

一个展宽放大单元，其与光纤源之间形成一个第一光路，展宽放大单元具有一个展宽输入端和一个放大输出端，展宽输入端能够接收光纤种子源输出的激光脉冲。展宽放大单元能够将展宽输入端接收到的激光脉冲进行展宽和放大，放大输出端能够将展宽放大后的激光脉冲输出。

一个整形压缩系统，其包括：

一个压缩单元，其与展宽放大单元之间形成一个第二光路，放大后的激光脉冲经过第二光路传输到压缩单元，压缩单元能够压缩放大输出端输出的放大后的激光脉冲。和

一个计算机，其具有一个计算机输出端，计算机输出端能够输出写入信号。和

一个液晶空间光调制器，其具有一个信息输入端，液晶空间光调制器具有若干个第一光输入端和若干个第一光输出端，液晶空间光调制器具有若干个独立单元。液晶空间光调制器与压缩单元通过光路相对应设置，独立单元能够独立改变自身光学性质进而可以对通过的光信号进行调制，写入信号能够控制相位调制信号分布对穿过液晶空间光调制器的激光脉冲进行光谱相位整形，从而得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲。

信息输入端能够接收写入信号，第一光输入端能够接收放大输出端输出的放大后的激光脉冲，第一光输出端能够输出经液晶空间光调制器完成整形的激光脉冲。和

一个提升镜，其与液晶空间光调制器通过光路相对应设置，提升镜能够改变激光脉冲的高度，激光脉冲经光路进入提升镜后高度发生改变，改变高度后的激光脉冲经光路再次进入压缩单元，压缩单元能够再次压缩改变高度后的激光脉冲。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步地，压缩单元包括第一光栅和第二光栅，第一光栅与第二光栅通过光路相对应。

进一步地，展宽放大单元包括一个展宽器，其具有一个第一输入端和一个第一输出端，光纤种子源与展宽器之间通过第一光路相对应设置，第一输入端能够接收脉冲输出端输出的激光脉冲，展宽器能够将激光脉冲展宽，第一输出端能够输出展宽后的激光脉冲。

进一步地，展宽放大单元还包括一个激光放大器，其具有一个第二输入端和一个第二输出端，激光放大器与展宽器之间通过第一光路相对应设置，第二输入端能够接收展宽后的激光脉冲，激光放大器能够放大展宽后的激光脉冲，第二输出端能够输出放大后的激光脉冲。

进一步地，液晶空间光调制器还具有一个第二光输入端和一个第二光输出端，液晶空间光调制器与提升镜通过光路相对应设置，第二光输入端能够接收经提升镜改变高度后的激光脉冲，液晶空间光调制器能够对穿过液晶空间光调制器的激光脉冲进行光谱相位整形，第二光输出端能够输出经液晶空间光调制器完成光谱相位整形的激光脉冲。

进一步地，飞秒脉冲的整形装置还包括一个D型镜，D型镜与压缩单元之间形成第三光路。激光脉冲能够沿第三光路进入压缩单元进行二次压缩，经压缩单元二次压缩后的的激光脉冲经D型镜改变光路输出。的飞秒脉冲整形及压缩装置的使用方法，其特征是，包括：S1、S2、S3、S4、S5和S6。

S1：将光纤种子源、展宽放大单元、压缩单元、计算机、液晶空间光调制器、提升镜和D型镜布置于一个操作台。

S2：根据已经布置好的啁啾脉冲放大系统各个器件的参数，以及信号光源的参数，采用广义投影算法，计算光栅对放大脉冲进行展宽压缩过程中的理想光谱相位分布轨迹图。

S3：在已经布置好的啁啾脉冲放大系统中放置超短脉冲测量仪，测量出经过光栅对展宽压缩后的放大脉冲的光谱相位波形图。

S4：先将液晶空间光调制器与计算机相连，再将液晶空间光调制器插入第二光栅与提升镜之间的光路组成飞秒脉冲的整形压缩装置。

S5：将计算出来的理想光谱相位分布图与实际测得的光谱相位测试波形图进行相减计算，得出差值分布图，将该差值分布图作为光谱相位分布数据组输入到计算机中，并以该光谱相位分布数据组作为液晶空间光调制器的写入信号，控制液晶空间光调制器中各个像素的电或光信号，在液晶空间光调制器中形成与差值相位分布图一致的相位调制信息分布，由写入信息控制相位调制信息分布对穿过液晶空间调制器的激光脉冲进行光谱相位整形调制，得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲。

S6：经过光谱相位整形调制后的脉冲激光经过提升镜反射，回到第一光栅与第二光栅，经过第一光栅与第二光栅压缩后，由D型镜输出，从而得到更窄脉冲宽度的激光。

本发明具有如下优点：

本发明的飞秒脉冲的整形压缩装置，通过计算机为液晶空间光调制器提供写入信息，写入信息可以控制液晶空间光调制器相位调制信息分布，使得穿过液晶空间光调制器的激光脉冲能够实现光谱相位整形，整形后的脉冲激光再次进入压缩单元再次压缩，既能完成对激光脉冲的色散补偿又能完成激光脉冲的相位补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的整体流程示意图。

图3为本发明实施例的啁啾放大系统的整体结构示意图。

图4为本发明实施例的啁啾放大系统的整体流程示意图。

标号说明

光纤种子源1，第一光路11，展宽放大单元2，展宽器21，激光放大器22，第二光路23，压缩单元3，第一光栅31，第二光栅32，计算机4，液晶空间光调制器5，提升镜6，D型镜7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置及其使用方法，将光纤种子源1、展宽器21、激光放大器22、第一光栅31、第二光栅32、提升镜6和D型镜7组成一个啁啾放大系统布置于一个操作台。用以根据布置好的啁啾放大系统计算出理想光谱相位分布轨迹图和实际的光谱相位波形图。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，光纤种子源1的型号包括但不限于FPLNB-03UFF，光纤种子源1具有一个激光脉冲输出端，激光脉冲输出端能够输出激光脉冲。用以通过光纤种子源1输出高重复频率窄脉冲宽度低能量脉冲激光。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，展宽器21的型号包括但不限于FH4-015，展宽器21具有一个第一输入端和一个第一输出端，光纤种子源1与展宽器21之间通过第一光路11相对应设置，第一输入端能够接收脉冲输出端输出的激光脉冲，展宽器21能够将激光脉冲展宽，第一输出端能够输出展宽后的激光脉冲。用以通过展宽器21将脉冲激光展宽为宽脉冲低能量脉冲激光。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，激光放大器22的型号包括但不限于E3X-NA11，其具有一个第二输入端和一个第二输出端，激光放大器22与展宽器21之间通过第一光路11相对应设置，第二输入端能够接收展宽后的激光脉冲，激光放大器22能够放大展宽后的激光脉冲，第二输出端能够输出放大后的激光脉冲。用以通过激光放大器22对脉冲激光进行能量放大。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，展宽器21与激光放大器共同组成展宽放大单元2。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，第一光栅31和第二光栅32的型号包括但不限于SGY400-A2016N，第一光栅31与第二光栅32通过光路相对应。第一光栅31与展宽器21通过第二光路23对应设置。用以通过第一光栅31和第二光栅32对脉冲激光进行压缩。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，提升镜6，其与液晶空间光调制器5通过光路相对应设置，提升镜6能够改变激光脉冲的高度，激光脉冲经光路进入提升镜6后高度发生改变，改变高度后的激光脉冲经光路再次进入压缩单元3，压缩单元3能够再次压缩改变高度后的激光脉冲。用以通过提升镜6改变脉冲激光的高度。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，D型镜7的型号包括但不限于PFD10-03-F01，其与压缩单元3之间形成第三光路。D型镜7能够将沿第三光路进入的经二次压缩的激光脉冲输出。用以通过D型镜7改变脉冲激光的光路然后将改变光路的脉冲激光输出。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，根据已经布置好的啁啾脉冲放大系统各个器件的参数，以及信号光源的参数，采用广义投影算法，计算光栅对放大脉冲进行展宽压缩过程中的理想光谱相位分布轨迹图。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，在已经布置好的啁啾脉冲放大系统中放置超短脉冲测量仪，测量出经过光栅对展宽压缩后的放大脉冲的光谱相位波形图。

如图3-4所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，将计算出来的理想光谱相位分布图与实际测得的光谱相位测试波形图进行相减计算，得出差值分布图。

如图1-2所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，计算机4的型号包括但不限于I54590，其具有一个计算机4输出端，计算机4输出端能够输出写入信号。用以通过计算机4输入计算所得的差值。

如图1-2所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，液晶空间光调制器5的型号包括但不限于THORLABS，其具有一个信息输入端，液晶空间光调制器5具有若干个独立单元。液晶空间光调制器5与压缩单元3通过光路相对应设置，液晶空间光调制器5与计算机4电或无线连接，液晶空间光调制器5具有若干个第一光输入端和若干个第一光输出端，独立单元能够独立改变自身光学性质进而可以对通过的光信号进行调制。

如图1-2所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，写入信号能够控制相位调制信号分布对穿过液晶空间光调制器5的激光脉冲进行光谱相位整形，从而得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲。信息输入端能够接收计算机4输出端输出的写入信号，第一光输入端能够接收放大输出端输出的放大后的激光脉冲，第一光输出端能够输出经液晶空间光调制器5完成整形的激光脉冲。

用以通过液晶空间光调制器5对脉冲激光进行光谱相位整形调制，得到具有均匀相位关系的输出激光脉冲。

如图1-2所示，本发明提供一种飞秒脉冲的整形压缩装置，经过光谱相位整形调制后的脉冲激光经过提升镜6反射，回到第一光栅31与第二光栅32，经过第一光栅31与第二光栅32压缩后，由D型镜7输出，从而得到更窄脉冲宽度的激光。

具体实现相位调制的理论依据如下：

根据液晶连续弹性体理论，电场作用下，对于平行排列液晶的Cibbs自由能可表示为：

式中K11、K33分别是液晶分子的展曲弹性常数，ε0是真空介电常量，ε⊥、ε∥分别是垂直和平行方向的介电常量，z轴是液晶层的法线方向，Dz是z轴方向的电位移矢量，d为液晶层厚度，θ是液晶分子的倾角。

由公式(1)可以得到沿z轴方向上某一位置与该位置液晶倾角的关系为：

式中：K＝(K₃₃-K₁₁)/K₁₁

r＝(ε_//-ε_⊥)/ε_⊥

θm是液晶分子的最大倾角。

根据各向异性介质的折射率椭球公式：

从而可以得到有效光程差为：

则对于各个独立单元的像素，其相位：

在液晶空间光调制器5的两段施加电场，液晶分子发生偏转，不同的电场使液晶分子偏转角度不同，通过液晶两边界层的边界条件解方程(2)便可得到给定电压下液晶和内部分子倾角的分布关系式，将给定电压时得出的关系式带入公式(5)，便可得到波长为λ的入射光穿过液晶层后，任意一点z处，光波的相位变化量为：

由此可见通过液晶空间光调制器5是完全可以对展宽后的光谱进行相位调制，且需要整形调制的指令信号可以根据上述公式推导计算得出，也可通过专业的计算软件分析得出。

在本发明的一种优选实施方式中，如图1-2所示，液晶空间光调制器5还具有一个第二光输入端和一个第二光输出端，液晶空间光调制器5与提升镜6通过光路相对应设置，第二光输入端能够接收经提升镜6改变高度后的激光脉冲，液晶空间光调制器5能够对穿过液晶空间光调制器5的激光脉冲进行光谱相位整形，第二光输出端能够输出经液晶空间光调制器5完成光谱相位整形的激光脉冲。

在本发明的一种优选实施方式中，如图1-2所示，一种飞秒脉冲整形及压缩装置的使用方法，其特征是，包括：S1、S2、S3、S4和S5。

S1：将光纤种子源1、展宽器21、激光放大器22、第一光栅31、第二光栅32、提升镜6和D型镜7组成一个啁啾放大系统布置于一个操作台。

S2：根据已经布置好的啁啾脉冲放大系统各个器件的参数，以及信号光源的参数，采用广义投影算法，计算光栅对放大脉冲进行展宽压缩过程中的理想光谱相位分布轨迹图。

S3：在已经布置好的啁啾脉冲放大系统中放置超短脉冲测量仪，测量出经过光栅对展宽压缩后的放大脉冲的光谱相位波形图。

S4：先将液晶空间光调制器5与计算机4相连，再将液晶空间光调制器5插入第二光栅32与提升镜6之间的光路组成飞秒脉冲的整形压缩装置。

S5：将计算出来的理想光谱相位分布图与实际测得的光谱相位测试波形图进行相减计算，得出差值分布图，将该差值分布图作为光谱相位分布数据组输入到计算机4中，并以该光谱相位分布数据组作为液晶空间光调制器5的写入信号，控制液晶空间光调制器5中各个像素的电或光信号，在液晶空间光调制器5中形成与差值相位分布图一致的相位调制信息分布，由写入信息控制相位调制信息分布对穿过液晶空间调制器的激光脉冲进行光谱相位整形调制，得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲。

S6：经过光谱相位整形调制后的脉冲激光经过提升镜6反射，回到第一光栅31与第二光栅32，经过第一光栅31与第二光栅32压缩后，由D型镜7输出，从而得到更窄脉冲宽度的激光。

该飞秒脉冲的整形压缩装置的使用过程如下：

使用时，操作人员首先将光纤种子源1、展宽器21、激光放大器22、第一光栅31、第二光栅32和提升镜6在放置台上依次设置。

操作人员根据已经布置好的啁啾脉冲放大系统各个器件的参数，以及信号光源的参数，采用广义投影算法，计算光栅对放大脉冲进行展宽压缩过程中的理想光谱相位分布轨迹图。

操作人员根据已经布置好的啁啾脉冲放大系统测量出经过第一光栅31和第二光栅32展宽压缩后的放大脉冲的光谱相位波形图。

操作人员将计算出来的理想光谱相位分布图与实际测得的光谱相位测试波形图进行相减计算，得出差值分布图。

然后操作人员将液晶空间光调制器5与计算机4相连，将液晶空间光调制器5插在第二光栅32与提升镜6之间的光路上，操作人员将差值分布图作为光谱相位分布数据组输入到计算机4中，液晶空间光调制器5通过写入信息控制相位调制信息分布对穿过液晶空间调制器的激光脉冲进行光谱相位整形调制，得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲。

经过光谱相位整形调制后的脉冲激光经过提升镜6反射，回到第一光栅31与第二光栅32，经过第一光栅31与第二光栅32压缩后，从而得到更窄脉冲宽度的激光，脉冲激光经D型镜7改变光路输出，输出的脉冲激光为更窄脉冲宽度的激光。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种飞秒脉冲的整形压缩装置，其特征在于，包括：

一个啁啾脉冲放大系统，其包括：

一个光纤种子源，其具有一个激光脉冲输出端，所述激光脉冲输出端能够输出激光脉冲；和

一个展宽放大单元，其与所述光纤种子源之间形成一个第一光路，所述展宽放大单元具有一个展宽输入端和一个放大输出端，所述展宽输入端能够接收所述光纤种子源输出的激光脉冲；所述展宽放大单元能够将展宽输入端接收到的激光脉冲进行展宽和放大，所述放大输出端能够将所述展宽放大后的激光脉冲输出；

一个整形压缩系统，其包括：

一个压缩单元，其与所述展宽放大单元之间形成一个第二光路，所述放大后的激光脉冲经过第二光路传输到所述压缩单元，所述压缩单元能够压缩放大输出端输出的放大后的激光脉冲；和

一个计算机，其具有一个计算机输出端，所述计算机输出端能够输出写入信号；和

一个液晶空间光调制器，其具有一个信息输入端，所述液晶空间光调制器具有若干个独立单元；所述液晶空间光调制器与所述压缩单元通过光路相对应设置，所述液晶空间光调制器与所述计算机电或无线连接，所述液晶空间光调制器具有若干个第一光输入端和若干个第一光输出端，所述独立单元能够独立改变自身光学性质进而可以对通过的光信号进行调制；

所述写入信号能够控制相位调制信号分布对穿过液晶空间光调制器的激光脉冲进行光谱相位整形，从而得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲；所述信息输入端能够接收所述计算机输出端输出的写入信号，所述第一光输入端能够接收所述放大输出端输出的放大后的激光脉冲，所述第一光输出端能够输出经所述液晶空间光调制器完成整形的激光脉冲；和

一个提升镜，其与所述液晶空间光调制器通过光路相对应设置，所述提升镜能够改变激光脉冲的高度，激光脉冲经光路进入所述提升镜后高度发生改变，改变高度后的激光脉冲经光路再次进入所述压缩单元，所述压缩单元能够再次压缩所述改变高度后的激光脉冲。

2.如权利要求1所述的飞秒脉冲的整形压缩装置，其特征是，所述压缩单元包括第一光栅和第二光栅，所述第一光栅与所述第二光栅通过光路相对应；

所述第一光栅与所述展宽放大单元通过第二光路对应设置，所述第二光栅与所述液晶空间光调制器通过光路对应设置。

3.如权利要求1所述的飞秒脉冲的整形压缩装置，其特征是，所述展宽放大单元包括一个展宽器，其具有一个第一输入端和一个第一输出端，所述光纤种子源与所述展宽器之间通过所述第一光路相对应设置，所述第一输入端能够接收所述脉冲输出端输出的激光脉冲，所述展宽器能够将激光脉冲展宽，所述第一输出端能够输出展宽后的激光脉冲。

4.如权利要求1所述的飞秒脉冲的整形压缩装置，其特征是，所述展宽放大单元还包括一个激光放大器，其具有一个第二输入端和一个第二输出端，所述激光放大器与展宽器之间通过所述第一光路相对应设置，所述第二输入端能够接收所述展宽后的激光脉冲，所述激光放大器能够放大展宽后的激光脉冲，所述第二输出端能够输出所述放大后的激光脉冲。

5.如权利要求4所述的飞秒脉冲的整形压缩装置，其特征是，所述液晶空间光调制器还具有一个第二光输入端和一个第二光输出端，所述液晶空间光调制器与所述提升镜通过光路相对应设置，所述第二光输入端能够接收经所述提升镜改变高度后的激光脉冲，所述液晶空间光调制器能够对穿过液晶空间光调制器的激光脉冲进行光谱相位整形，所述第二光输出端能够输出经所述液晶空间光调制器完成光谱相位整形的激光脉冲。

6.如权利要求1所述的飞秒脉冲的整形压缩装置，其特征是，所述飞秒脉冲的整形装置还包括一个D型镜，D型镜与所述压缩单元之间形成第三光路；所述激光脉冲能够沿所述第三光路进入压缩单元进行二次压缩，经所述压缩单元二次压缩后的激光脉冲经所述D型镜改变光路输出。

7.如权利要求1-6任一项所述的飞秒脉冲的整形压缩装置的使用方法，其特征是，包括：S1、S2、S3、S4、S5和S6；

S1：将光纤种子源、展宽器、激光放大器、第一光栅、第二光栅、提升镜和D型镜组成一个啁啾放大系统布置于一个操作台；

S2：根据已经布置好的啁啾脉冲放大系统各个器件的参数，以及信号光源的参数，采用广义投影算法，计算光栅对放大脉冲进行展宽压缩过程中的理想光谱相位分布轨迹图；

S3：在已经布置好的啁啾脉冲放大系统中放置超短脉冲测量仪，测量出经过光栅对展宽压缩后的放大脉冲的光谱相位波形图；

S4：先将液晶空间光调制器与计算机相连，再将液晶空间光调制器插入第二光栅与提升镜之间的光路组成飞秒脉冲的整形压缩装置；

S5：将计算出来的理想光谱相位分布图与实际测得的光谱相位测试波形图进行相减计算，得出差值分布图，将该差值分布图作为光谱相位分布数据组输入到计算机中，并以该光谱相位分布数据组作为液晶空间光调制器的写入信号，控制液晶空间光调制器中各个像素的电或光信号，在液晶空间光调制器中形成与差值相位分布图一致的相位调制信息分布，由写入信息控制相位调制信息分布对穿过液晶空间调制器的激光脉冲进行光谱相位整形调制，得到具有均匀的光谱相位关系的输出激光脉冲；

S6：经过光谱相位整形调制后的脉冲激光经过提升镜反射，回到第一光栅与第二光栅，经过第一光栅与第二光栅压缩后，由D型镜输出，从而得到更窄脉冲宽度的激光。

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