CN112134126A - 光栅压缩器及其脉宽调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光栅压缩器，第一棱镜和第二棱镜间隔置于第一光栅和第二光栅之间的光路中，第一棱镜包括相互垂直交线于第一棱镜直角面交线的第一直角面和第二直角面，第一直角面和第二直角面相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置；其中第二棱镜包括相互垂直交线于第二棱镜直角面交线的第一侧边面和第二侧边面，第一侧边面和第二侧边面相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置，且第一棱镜的反射区域和第二棱镜的反射区域相对设置，第一棱镜直角面交线、第二棱镜直角面交线和光束两两正交设置，该光栅压缩器具有占地面积小、光学器件少、脉冲宽度易调节、脉宽调节效率高、调节激光稳定的优点。

Description

光栅压缩器及其脉宽调节方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种光栅压缩器及其脉宽调节方法。

背景技术

啁啾脉冲放大技术(CPA)广泛地应用于超短脉冲光纤激光器，其原理是先把超短光脉冲在时域上展宽，然后再放大到高能量，最后把脉冲宽度压缩回去，这种技术有效地降低了放大器中脉冲的峰值功率，并且避免了非线性效应的限制，从这种激光系统中可以获得高峰值功率的超短脉冲。

目前激光脉冲压缩普遍采用光栅对压缩器来实现，光栅对压缩器的工作原理是：正啁啾脉冲经过平行光栅时对不同光谱成分经历不同光程，长波长经历的光程大于短波长，引入与展宽器共轭的负色散补偿正啁啾实现脉冲压缩，压缩量的调节通过改变两块光栅相对间隔来调节引入的负色散量实现。

而由于光纤中的非线性效应都是依赖于脉冲峰值功率密度，所以要减小光纤中非线性效应的影响就要使脉冲宽度尽可能的宽，脉冲宽度越宽，则压缩器中光栅对的距离就要越长，目前的方案中为了得到高能量超短脉冲激光，光栅压缩器的光栅对距离会很长，要达到数米。如果在平面上布置光路需要多个反射镜多次折返光路，占用面积大，调节环节多，不利于激光器的产品化。

现有技术CN103427316B提供一种激光脉冲拉伸装置，这个方案中利用直角棱镜的相位延迟改变激光偏振方向，偏振光经过多次反射镜合束后实现脉冲展宽，但这种方案需要改变激光的偏振态，改变光路本身的结构容易导致最终的脉冲激光收到影响；现有技术CN1092286125A提供一种高效的啁啾脉冲放大系统，其提供了复杂的棱镜组合结构通过多次反射将激光多次经过啁啾体布拉格光栅实现多次压缩，但是这种方式存在脉宽压缩量不可调的缺陷，且结构复杂对装配提出了较高的要求。

也就是说，现有技术的方案如果要获取高能量超短脉冲激光，就需要设置很大的光栅对距离，使得光栅压缩器需要占用很大的面积，也不利于光栅压缩器的产品化；而如果是牺牲了光栅对距离就不能得到稳定性高的满足需求的高能量超短脉冲激光，当然也有些方案针对该问题作出改进，但是要么存在稳定性不高，要么存在不可调节等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光栅压缩器及其脉宽调节方法，该光栅压缩器具有占地面积小、光学器件少、脉冲宽度易调节、脉宽调节效率高、调节激光稳定的优点。

为实现以上目的，本技术方案提供一种光栅压缩器，包括：第一光栅、第一棱镜、第二棱镜、第二光栅以及第三棱镜；其中第一棱镜和第二棱镜间隔置于第一光栅和第二光栅之间的光路中，第一棱镜包括相互垂直交线于第一棱镜直角面交线的第一直角面和第二直角面，第一直角面和第二直角面相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置；其中第二棱镜包括相互垂直交线于第二棱镜直角面交线的第一侧边面和第二侧边面，第一侧边面和第二侧边面相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置，且第一棱镜的反射区域和第二棱镜的反射区域相对设置，第一棱镜直角面交线、第二棱镜直角面交线和中心波长光束两两正交设置。

第二方面，提供一种光栅压缩器的脉宽调节方法，采用如上所述光栅压缩器，平移调节第一棱镜和第二棱镜之间的距离。

相较现有技术，本技术方案具有以下的特点和有益效果：

1.占地面积小。本方案采用两个特定位置设置的直角棱镜对两个光栅之间的光路进行多次反射，且采用了上下分层反射的空间光路，在两个方向上来回折叠光路，通过立体光路的思路在极小占地面积的情况下实现了光栅对之间的长距离光路折叠。

2.光学器件少。本方案提供的光栅压缩器的完成仅仅需要两个光栅和三个直角棱镜即可完成光栅压缩和脉宽调节

3.脉冲宽度易调节。本方案首先调节第一个光栅平面法线与入射光的夹角，达到最佳衍射效率，然后调节第二个光栅平面法线与入射光的夹角，达到最佳衍射效率，再调节棱镜三的偏摆使光路平行返回，最后平移第二棱镜20调节出射光脉宽即可，本方案移动直角棱镜改变两个光栅间光程即可以实现脉宽调节。

4.调节激光稳定性高。整个光栅压缩光路中的反射器件都是直角棱镜，光路受环境温度影响小，利用直角棱镜自身的原方向回返特性确保了光路传播方向的稳定性，两个棱镜的直角面交线互相垂直，在两个方向上提高了光束指向稳定性；利用两个直角棱镜实现压缩光路折叠，使压缩器的出射光和入射光基本平行，移动第一棱镜调节脉宽时，压缩器的出射光位置和角度变化很小，方便监测，降低了脉宽调节难度，且两个直角棱镜的直角棱边相互垂直，一个棱镜对俯仰不敏感，另一个棱镜对偏摆不敏感，移动直角棱镜改变光栅间光程时，直角棱镜发生俯仰和偏摆变化时压缩后的光束指向始终不变，保证了指向稳定性。激光加工对光束指向稳定性要求较高。

5.脉宽调节效率高。利用直角棱镜把光程折返了两次，移动直角棱镜调节脉宽，光栅间光程变化量是直角棱镜移动量的四倍，光程调节范围更宽，也就是说，棱镜距离稍有变化，光栅之间的光程就会成倍的改变。

附图说明

图1是透射式光栅压缩器的原理示意图。

图2是本方案的光栅压缩器的光程调节示意图。

图3是本方案的第二棱镜的结构示意图。

图4是本方案的第一棱镜的结构示意图。

图5是本方案的光栅压缩器的光栅衍射光传输示意图。

图中：10-第一光栅，20-第二棱镜，21-第二棱镜入射面，22-第一侧边面，23-第二侧边面，24-第二棱镜直角面交线，30-第一棱镜，31-第一直角面，32-第二直角面，33-第一棱镜入射面，34-第一棱镜直角面交线，40-第二光栅，50-第三棱镜。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图1所示，图1展示了透视式光栅对压缩器的压缩原理，平行入射光经过第一个光栅衍射后将长波长的光和短波长的光分开，再经过第二个光栅衍射后到达提升镜，光平行返回，由于两个光栅平行，返回回来的不同波长的光又汇聚成平行光由第一个光栅出射，通过改变两个光栅之间的光程可以改变压缩器出射光的脉宽。而正如背景技术所述，若需要得到高能量超短脉冲激光，就需要使得两个光栅之间的光程尽可能地长，则就会增大整个光栅对压缩器的设备占地面积，且不利于光栅对压缩器的产品化。

为了能够在得到高能量超短脉冲激光的同时降低设备的占地面积，本方案利用上下分层反射的空间光路布局的设计思路，在相同占地面积的情况延长光程距离，发明得到一种光栅压缩器，且该光栅压缩器的光路设计也非常容易调节激光的脉宽。

该光栅压缩器包括第一光栅10、第一棱镜30、第二棱镜20、第二光栅40以及第三棱镜50，平行光经过第一光栅10衍射后水平入射第一棱镜30，在第一棱镜30中被反射至不同水平面后进入第二棱镜20，在第二棱镜20中经过反射至同一水平面的不同位置后再反射进入第一棱镜30，在第一棱镜30中被反射至初始水平面后朝向第二光栅40射出，经过第二光栅40的衍射后抵达第三棱镜50反射后返回。本方案通过第一棱镜30和第二棱镜20实现光路折叠和脉宽调节，第一棱镜30和第二棱镜20将第一光栅10和第二光栅20之间分为上下分层的空间光路，极大程度地加大了光栅对光程，且第一棱镜30和第二棱镜20位置进行调节即可调节第一光栅10和第二光栅20之间的光程距离，进而方便调节激光的脉宽。

具体的，第一棱镜30、第二棱镜20在结构上的特点在于：

第一棱镜30和第二棱镜20间隔置于第一光栅10和第二光栅40之间的光路中，第一棱镜30包括相互垂直交线于第一棱镜直角面交线34的第一直角面31和第二直角面32，且第一直角面31和第二直角面32相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置；第二棱镜20包括相互垂直交线于第二棱镜直角面交线24的第一侧边面22和第二侧边面23，第一侧边面22和第二侧边面23相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置，且第一棱镜30的反射区域和第二棱镜20的反射区域相对设置，第一棱镜直角面交线34、第二棱镜直角面交线24和中心波长光束两两正交设置。

为了更好地理解第一棱镜直角面交线34、第二棱镜直角面交线24和中心波长光束两两正交设置的概念，以中心波长光束入射第一棱镜30的方向为X轴，则第一棱镜直角交线34平行于Y轴，第二棱镜直角面交线24平行于Z轴，以构成三维光路空间。

另，为了更好地实现本方案的光栅压缩器的光路折叠效果，优选地，第一棱镜30和第二棱镜20置于不同的高度，以确保入射光可不经过第二棱镜20直接抵达第二棱镜30的入射面，且第二棱镜20的位置设置在第二棱镜20可获取第一棱镜30反射的光束为准。示例性地，若入射光束入射于第一棱镜30中靠近上侧的直角面，则第二棱镜20低于第一棱镜30设置。

第一棱镜30包括连接第一直角面31和第二直角面32的第一棱镜入射面33，第一棱镜入射面33垂直于中心波长光束入射方向设置。在本方案中，第一棱镜30为三面相接的直角三角形棱镜。如图3所示，第一棱镜30包括头尾相接的第一直角面31、第二直角面32以及第一棱镜入射面33，其中第一棱镜入射面33垂直于中心波长光束入射方向设置。

第二棱镜20包括连接第一侧边面22和第二侧边面23的第二棱镜入射面21，其中第二棱镜入射面21垂直于中心波长光束入射方向，为了进一步地减小本方案提供的光栅压缩器的尺寸，本方案的第二棱镜20为等边梯形棱镜。如图4所示，第二棱镜20包括第一侧边面22和第二侧边面23，第一侧边面22和第二侧边面23的一侧连接第二棱镜入射面21，且第一侧边面22和第二侧边面33相对第二棱镜入射面21相向45°倾斜。其中第一棱镜入射面33和第二棱镜入射面21平行设置。

另外，在本方案中为了进一步地减少光栅压缩器的尺寸。第一光栅10和第二光栅40位于第一棱镜30和第二棱镜20的同一侧，控制光路在第一光栅10和第二光栅40之间空间折返。且第二棱镜20相对第一棱镜10靠近第一光栅10和第二光栅40。

具体的，第一光栅10置于第二棱镜20的边侧，且第一光栅10相对第一棱镜入射面33倾斜设置，光路经过第一光栅10的衍射后水平入射第一棱镜入射面33。在本方案中，为了最大程度的节约空间，第二光栅40也置于第二棱镜20的边侧，且第二光栅40相对第一光栅10平行放置。

在本方案中，第一光栅10和第二光栅40为透射式衍射光栅。

值得一提的是，入射光路在第一棱镜30中反射4次，在第二棱镜20中反射2次，且在上下两层的空间中折叠，极大程度地保证了光栅对光程。

另外，本方案提供的光栅压缩器不仅仅可以增加光栅对光程，同时本方案提供一种简便的调节脉宽的方式，即，本方案提供一种应用其上光栅压缩器的脉宽调节方法：调节第一棱镜30和第二棱镜20之间的距离，调节的方式可以通过平移第一棱镜30和/或第二棱镜20之间的任一位置来实现。

且本方案提供的脉宽调节方法造成的脉宽的变化量是棱镜距离变化量的4倍，以此方式提高脉宽调节效率，也提高了脉宽调节范围。且利用第一棱镜30和第二棱镜20实现压缩光路折叠，使压缩器的出射光和入射光基本平行，移动第一棱镜30调节脉宽时，压缩器的出射光位置和角度变化很小，方便监测，也降低了脉宽调节难度。

另外，本方案提供的光栅压缩器的调节装配方案也十分简单：在本方案中通过调节第一光栅10的三维角度，改变第一光栅10和入射光的角度，达到最佳衍射效率，衍射光平行入射于第一棱镜30，且控制衍射光中心波长的光基本垂直入射在第一棱镜入射面33上。再调节第二光栅40的三维角度，改变第二光栅40和入射光的角度，达到最佳衍射效率，然后调节第三棱镜50的偏摆使得光路平行返回，最后由第一棱镜30调节出需求的脉宽。

另外，值得一提的是，本方案提供的光栅压缩器还具备稳定性高的特点，整个光栅压缩光路中的反射器件都是直角棱镜，棱镜结构稳定性好，受环境温度影响小。利用直角棱镜自身的原方向回返特性确保了光路传播方向的稳定性，两个棱镜的直角面交线互相垂直，第一棱镜30的俯仰方向为非敏感方向，第二棱镜20的偏摆方向为非敏感方向，在两个方向上提高了光束指向稳定性。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光栅压缩器，其特征在于，包括：

第一光栅(10)、第一棱镜(30)、第二棱镜(20)、第二光栅(40)以及第三棱镜(50)；

平行光经过第一光栅(10)衍射后水平入射第一棱镜(30)，在第一棱镜(30)中被反射至不同水平面后进入第二棱镜(20)，在第二棱镜(20)中经过反射至同一水平面的不同位置后再反射进入第一棱镜(30)，在第一棱镜(30)中被反射至初始水平面后朝向第二光栅(40)射出，经过第二光栅(40)的衍射后抵达第三棱镜(50)反射后返回。

2.一种光栅压缩器，其特征在于：包括：

第一光栅(10)、第一棱镜(30)、第二棱镜(20)、第二光栅(40)以及第三棱镜(50)；

其中第一棱镜(30)和第二棱镜(20)间隔置于第一光栅(10)和第二光栅(40)之间的光路中，第一棱镜(30)包括相互垂直交线于第一棱镜直角面交线(34)的第一直角面(31)和第二直角面(32)，第一直角面(31)和第二直角面(32)相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置；其中第二棱镜(20)包括相互垂直交线于第二棱镜直角面交线(24)的第一侧边面(22)和第二侧边面(23)，第一侧边面(22)和第二侧边面(23)相对中心波长光束的入射方向倾斜45°角设置，且第一棱镜(30)的反射区域和第二棱镜(20)的反射区域相对设置，第一棱镜直角面交线(34)、第二棱镜直角面交线(24)和中心波长光束两两正交设置。

3.根据权利要求2所述的光栅压缩器，其特征在于，第一棱镜(30)和第二棱镜(20)置于不同的高度。

4.根据权利要求2所述的光栅压缩器，其特征在于，第一棱镜(30)包括连接第一直角面(31)和第二直角面(32)的第一棱镜入射面(33)，第一棱镜入射面(33)垂直于中心波长光束入射方向设置。

5.根据权利要求2所述的光栅压缩器，其特征在于，第二棱镜(20)包括连接第一侧边面(22)和第二侧边面(23)的第二棱镜入射面(21)，其中第二棱镜入射面(21)垂直于中心波长光束入射方向。

6.根据权利要求2所述的光栅压缩器，其特征在于，第一光栅(10)和第二光栅(40)位于第一棱镜(30)和第二棱镜(20)的同一侧。

7.根据权利要求2所述的光栅压缩器，其特征在于，第一光栅(10)和第二光栅(40)为透射式衍射光栅。

8.根据权利要求4所述的光栅压缩器，其特征在于，经过第一光栅(10)衍射后的衍射光中心波长的光垂直入射在第一棱镜入射面(33)。

9.根据权利要求2所述的光栅压缩器，其特征在于，第一棱镜(30)的俯仰方向为非敏感方向，第二棱镜(20)的偏摆方向为非敏感方向。

10.一种光栅压缩器的脉宽调节方法，其特征在于，采用如上权利要求2到8任一所述光栅压缩器，平移调节第一棱镜(30)和第二棱镜(20)之间的距离。

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