CN112666719A - 基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法及色散管理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法及色散管理装置，该方法和装置利用非周期光谱相位跃变提供精准的2阶、3阶及更高阶色散，色散值根据编程灵活可控且色散范围大，器件具有极大的工作带宽，将推动超快光学尤其是超快激光技术的发展。本发明色散管理方法包括：步骤一、将脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，同时使得各不同频率成分光平行出射；步骤二、平行出射的不同频率成分光入射至非周期相位跃变器件上，获得非周期光谱相位跃变，非周期光谱相位跃变形成相位光栅作用，得到两个具有相反群延时的±1级衍射脉冲，非周期光谱相位跃变对两个衍射脉冲中的不同频率成分光引入不同的相对延时，从而为衍射脉冲引入色散。

Description

基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法及色散管理装置
技术领域
本发明涉及超快激光领域，具体涉及到一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法及色散管理装置。
背景技术
对于超快光学，对超短脉冲的色散控制进而实现脉冲整形，对超快光谱学、相干控制以及高次谐波产生等应用具有关键作用。
在超短脉冲激光中，尤其是飞秒激光技术中，色散管理是主要的物理问题和关键技术。光学介质中的色散是光的相速度和群速度在透明介质中传播随频率变化的现象。色散特性对脉冲的传输有很重要的影响，因为脉冲具有一定的谱宽范围，因此会使频率组分以不同的速度传输。正常色散情况下，高频部分的群速度更小，因此产生正啁啾，而反常色散则产生负啁啾。与脉冲具有相反的色散量可以用来压缩脉冲，而与脉冲具有相同的色散量则可以用来展宽脉冲。因此，色散管理对实现超短脉冲激光，尤其是实现具有周期量级脉冲宽度的超短脉冲激光至关重要。
目前，传统色散管理主要通过以下方法实现：(1)采用具有频率相关折射率的材料，例如玻璃、气体、晶体等，通过材料色散特性实现色散管理。但这种方法会根据不同的材料引入不同阶次的色散，限制相关应用。(2)采用具有频率相关光程的光学器件，例如棱镜和光栅。棱镜主要用于补偿三阶色散，光栅则是超快激光中常见的色散管理器件。常用的光栅一般包括：(a)衍射光栅对，其原理为光脉冲入射到两个相互的平行光栅对的一个光栅上时，脉冲中不同频率分量发生衍射的角度不同，脉冲到达第二个光栅时，各频率分量受到不同的时间延迟，因此可以实现色散管理，这种色散器件空间占有率大，并会引入损耗大、结构复杂、难以调节等问题；(b)啁啾光纤光栅，光栅周期沿纤芯轴向均匀变化，不同栅格周期对应不同布拉格反射波长，短波长和长波长分量产生时延差，实现色散管理。但是，啁啾光纤光栅需要切趾技术整形，在环形腔光纤激光器中需配合环形器使用。另外，啁啾光纤光栅通常会引入过量的色散，无法实现小色散精密管理。(3)采用具有频率相关电场入射深度的啁啾镜，这类器件工作原理为通过多层膜的设计使不同频率光场在不同深度反射，进而对不同频率引入不同相位，实现色散控制，此种方式的主要问题是难于实现大带宽色散控制，且多层膜结构导致具有较低的损伤阈值。(4)采用可编程脉冲整形器，主要包括可编程声光色散滤波器以及空间光调制器。可编程声光调制器通过控制晶体内声波的强度、波形控制衍射光的光谱强度和相位，而空间光调制器则通过4f零色散压缩器中位于傅里叶平面处的器件(如液晶、MEMS、变形镜等)进行光谱分辨的光程调制。但是，可编程声光色散滤器无法应用在高重频的激光器中，而传统的空间光调制器结构较为复杂，且相位控制调校困难。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法及色散管理装置，该方法和装置利用非周期光谱相位跃变提供精准的2阶、3阶及更高阶色散，色散值根据编程灵活可控且色散范围大，非周期相位跃变器件具有极大的工作带宽，将推动超快光学尤其是超快激光技术的发展。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法，包括以下步骤：
步骤一、将脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，同时使得各不同频率成分光平行出射；
步骤二、平行出射的不同频率成分光入射至非周期相位跃变器件上，获得非周期光谱相位跃变，非周期光谱相位跃变形成相位光栅作用，得到两个具有相反群延时的±1级衍射脉冲，非周期光谱相位跃变对两个衍射脉冲中的不同频率成分光引入不同的相对延时，从而为衍射脉冲引入色散。
同时，本发明还提供一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置，包括分光光栅、球面镜和非周期相位跃变器件；脉冲经过分光光栅和球面镜后，脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，且各不同频率成分光平行出射；平行出射的不同频率成分光入射至非周期相位跃变器件上，获得非周期光谱相位跃变，非周期光谱相位跃变形成相位光栅作用，得到两个具有相反群延时的±1级衍射脉冲，非周期光谱相位跃变对两个衍射脉冲中的不同频率成分光引入不同的相对延时，从而为衍射脉冲引入色散。
进一步地，非周期光谱相位跃变的相位跃变差值为π。
进一步地，所述非周期相位跃变器件为液晶或位于傅里叶平面的MEMS。
进一步地，所述位于傅里叶平面的MEMS为微镜阵列或栅状式光阀。
进一步地，所述栅状式光阀包括基板、平板和N个带状薄反射片；所述平板设置在基板的上端作为共有电极，所述N个带状薄反射片设置在平板的上方，且与平板平行设置；所述带状薄反射片上设置有针对不同波长的镀膜，且N个带状薄反射片位于同一平面或错开位于不同平面。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1.相比于传统色散器件，本发明色散管理方法和色散管理装置具有多个优势：(a)可实现多种高阶色散，且色散值精确可控；(b)通过光栅和相位调制器的选择，覆盖不同的工作波长需求；(c)相比可编程声光色散滤波器，可应用在高重频条件下，且结构更简单可靠；(d)相比于其他基于空间光调制器的色散器件，其校准过程极大简化。
2.本发明色散管理方法和色散管理装置可实现宽带范围内，不同阶次的任意色散管理，多项指标优于传统色散器件，并可应用到超快光学尤其是超快激光器中。
3.本发明色散管理方法和色散管理装置可将一个脉冲变为两个具有相反色散值的脉冲，同时器件可对这两个脉冲引入任意色散量，这种双脉冲在泵浦探测实验等应用中具有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置示意图；
图2为本发明方法中非周期光谱相位跃变引入色散的示意图；
图3为本发明栅状式光阀的结构示意图。
附图标记：1-分光光栅，2-球面镜，3-非周期相位跃变器件，31-基板，32-平板，33-带状薄反射片。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法及色散管理装置，该方法和装置利用非周期光谱相位跃变实现任意色散管理，能够任意调节不同阶次的色散，从而有效提高色散器件的性能指标，可在超短脉冲激光器中应用并发挥重要作用，推动超快激光技术的发展。
本发明提供的基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法具体包括以下步骤：
步骤一、将脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，同时使得各不同频率成分光平行出射；
步骤二、平行出射的不同频率成分光入射至非周期相位跃变器件上，获得非周期光谱相位跃变，非周期光谱相位跃变形成相位光栅作用，得到两个具有相反群延时的±1级衍射脉冲，非周期光谱相位跃变对两个衍射脉冲中的不同频率成分光引入不同的相对延时，从而为衍射脉冲引入色散。
在本发明优选实施例中，非周期光谱相位跃变的相位跃变差值为π，可以消除0阶脉冲。
如图1所示，本发明基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置包括一个分光光栅1、一个球面镜2和非周期相位跃变器件3。脉冲经过分光光栅1和球面镜2后，脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，且各不同频率成分光平行出射。不同频率成分光入射在非周期相位跃变器件3上，根据非周期相位跃变的设计和调节可实现任意阶次的任意色散值，脉冲光在相位调制器件表面反射获得光程的频率分辨调制，经过球面镜2和分光光栅1反射后去除角色散，输出两个具有相反色散信息的主脉冲。在实际应用尤其是超快激光应用中，一般针对一个脉冲的色散进行优化和管理。另外，器件的效率和MEMS的频率分辨率以及单个频率成分的焦点大小有关。
本发明非周期光谱相位跃变通过基于MEMS(微电子机械系统)的空间光调制实现，只需要法向运动自由度而不需要倾斜，所以该空间光调制器件具有简单的和可靠的结构。空间光调制器件，即非周期相位跃变器件3具体可为位于傅里叶平面的MEMS或液晶，位于傅里叶平面的MEMS可以是微镜阵列或栅状式光阀。图3为栅状式光阀示意图，在基板31上附有一平板32作为共有电极，而上方有若干带状薄反射片33。带状薄反射片33可针对不同波长镀膜，并能够施加电压，从而在静电力的作用下靠近基板31，从而改变入射至该反射片的光程。
非周期相位跃变器件3基本原理为：周期的光谱相位跃变对脉冲形成相位光栅作用，可获得2个具有相反群时延的±1级衍射脉冲，两个脉冲具有相同色散。非周期的相位跃变则会改变不同频率成分的延时，从而给这些脉冲引入色散，且-1阶和+1阶脉冲的色散是相反的。例如，通过模拟可以得出一种情况下非周期相位跃变引入的色散，如图2所示，群延迟色散为200fs2，三阶色散为2000fs3，四阶色散为200000fs4。
相比于传统色散器件，本发明色散管理方法和色散管理装置具有多个优势：(a)可实现多种高阶色散，且色散值精确可控；(b)通过光栅和相位调制器的选择，覆盖不同的工作波长需求；(c)相比可编程声光色散滤波器，本发明色散管理器件可应用在高重频条件下，且结构更简单可靠；(d)相比于其他基于空间光调制器的色散器件，其校准过程极大简化。
相比周期相位跃变无法获得色散量，本发明色散管理方法和色散管理装置利用非周期光谱相位跃变实现任意色散管理，能够任意调节不同阶次的色散，从而有效提高色散器件的性能指标。
本发明色散管理方法和色散管理装置可将一个脉冲变为两个具有相反色散值的脉冲，同时可对这两个脉冲引入任意色散量，这种双脉冲在泵浦探测系统等应用中具有重要应用价值。

Claims (10)

1.一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，同时使得各不同频率成分光平行出射；
步骤二、平行出射的不同频率成分光入射至非周期相位跃变器件上，获得非周期光谱相位跃变，非周期光谱相位跃变形成相位光栅作用，得到两个具有相反群延时的±1级衍射脉冲，非周期光谱相位跃变对两个衍射脉冲中的不同频率成分光引入不同的相对延时，从而为衍射脉冲引入色散。
2.根据权利要求1所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法，其特征在于：步骤二中，非周期光谱相位跃变的相位跃变差值为π。
3.根据权利要求1或2所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法，其特征在于：步骤二中，所述非周期相位跃变器件为液晶或位于傅里叶平面的MEMS。
4.根据权利要求3所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法，其特征在于：所述位于傅里叶平面的MEMS为微镜阵列、栅状式光阀。
5.根据权利要求4所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理方法，其特征在于：所述栅状式光阀包括基板、平板和N个带状薄反射片；所述平板设置在基板的上端作为共有电极，所述N个带状薄反射片设置在平板的上方，且与平板平行设置；所述带状薄反射片上设置有针对不同波长的镀膜，且N个带状薄反射片位于同一平面或错开位于不同平面。
6.一种基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置，其特征在于：包括分光光栅(1)、球面镜(2)和非周期相位跃变器件(3)；
脉冲经过分光光栅(1)和球面镜(2)后，脉冲的不同频率成分光在空间上进行分离，且各不同频率成分光平行出射；平行出射的不同频率成分光入射至非周期相位跃变器件(3)上，获得非周期光谱相位跃变，非周期光谱相位跃变形成相位光栅作用，得到两个具有相反群延时的±1级衍射脉冲，非周期光谱相位跃变对两个衍射脉冲中的不同频率成分光引入不同的相对延时，从而为衍射脉冲引入色散。
7.根据权利要求6所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置，其特征在于：非周期光谱相位跃变的相位跃变差值为π。
8.根据权利要求6或7所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置，其特征在于：所述非周期相位跃变器件(3)为液晶或位于傅里叶平面的MEMS。
9.根据权利要求8所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置，其特征在于：所述位于傅里叶平面的MEMS为微镜阵列或栅状式光阀。
10.根据权利要求9所述的基于非周期光谱相位跃变的色散管理装置，其特征在于：所述栅状式光阀包括基板(31)、平板(32)和N个带状薄反射片(33)；所述平板(32)设置在基板(31)的上端作为共有电极，所述N个带状薄反射片(33)设置在平板(32)的上方，且与平板(32)平行设置；所述带状薄反射片(33)上设置有针对不同波长的镀膜，且N个带状薄反射片(33)位于同一平面或错开位于不同平面。
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