CN116047782B - 一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置和调谐方法 - Google Patents

一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置和调谐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置和调谐方法，装置包括半波片、全反镜、第一衍射光栅、三维精密位移台、第二衍射光栅以及中空屋脊棱镜，所述三维精密位移台包括狭缝装置，所述半波片、第一衍射光栅、狭缝装置、第二衍射光栅和反射镜沿着入射光路的方向依次设置；所述中空屋脊棱镜、第二衍射光栅、狭缝装置、第一衍射光栅和全反镜沿着反射光路的方向依次设置；本发明通过使用中空屋脊棱镜反射激光，避免了在光栅滤波器系统中使用透射光学元器件，在不引入过多额外色散的条件下有效补偿了空间啁啾，同时利用三维精密位移台增加了一维的调节方向，从而有效提高了光栅滤波器调节脉冲光谱宽度的精度。

Description

一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置和调谐方法
技术领域
本发明涉及光栅滤波器领域，具体为一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置和调谐方法。
背景技术
可调谐的光栅滤波器一般是基于自由空间光傅里叶变换与衍射光栅设计而成。其中衍射光栅是常见的一类色散元件，利用衍射光栅对不同波长的光在空间上的展开，可以制作出光学滤波器。在入射光方向一定时，衍射光的方向依波长而改变。入射光与衍射光之间的关系可以由光栅方程表示为：
sin ρ+sin(ρ-θ)＝mλ/d (1)
式(1)中ρ为入射角，ρ-θ为衍射角，m为衍射级次，λ为入射光波长，d为光栅常数。激光由于衍射的原因，会形成空间啁啾，即入射光束会被横向拉伸，形成一个椭圆光斑且不同空间位置的光频率不同。
目前基于衍射光栅的机械(手动或电机)调谐滤波器方案有平顶型透射谱与高斯型可调谐滤波器。平顶型透射谱可调谐滤波器是在第一个透镜后方放置可调机械狭缝，通过移动光阑选择不同波长的光谱透过。高斯型可调谐滤波器是通过转动旋转镜选择不同波长耦合进输出准直器，这两种类型的滤波器可以承受相对较高的光功率。
目前现有的两种可调谐滤波器结构中都存在着空间啁啾，影响激光在空间中的继续传播。且使用的透射式光学元器件，会引入额外与不可控制的材料色散，从而影响超快激光脉冲的脉冲宽度，甚至引起脉冲形变。同时由于通常采用传统的调谐方法，光谱宽度的调谐精度有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置和调谐方法，通过使用中空屋脊棱镜反射激光，避免了在光栅滤波器系统中使用透射光学元器件，在不引入过多额外色散的条件下有效补偿了空间啁啾，同时利用三维精密位移台增加了一维的调节方向，从而有效提高了光栅滤波器调节脉冲光谱宽度的精度。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，包括半波片、全反镜、第一衍射光栅、三维精密位移台、第二衍射光栅以及中空屋脊棱镜，所述三维精密位移台包括狭缝装置，所述半波片、第一衍射光栅、狭缝装置、第二衍射光栅和反射镜沿着入射光路的方向依次设置；所述中空屋脊棱镜、第二衍射光栅、狭缝装置、第一衍射光栅和全反镜沿着反射光路的方向依次设置。所述中空屋脊棱镜用于将反射光与入射光分开一定距离，且使得反射光与入射光相互平行。
可选的，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅的入射角等于Littrow角，所述Littrow角满足下式：
式中，λ为入射光波长，d为光栅常数。
可选的，所述中空屋脊棱镜的两个相互垂直的反射镜面上镀有全反膜。
可选的，所述半波片上镀有增透膜。
可选的，所述三维精密位移台还包括安装座、第一微分头、线性位移台、第二微分头和旋转机械平台，所述线性位移台滑动安装于安装座上，所述第二微分头安装于安装座上，且与线性位移台相连，用于调节线性位移台沿直线移动；所述旋转机械平台转动安装在线性位移台上，所述第一微分头与旋转机械平台相连，用于转动旋转机械平台；所述旋转机械平台的中部垂直设置有调节柱，所述狭缝装置设置于调节柱上，所述调节柱可调节狭缝装置的高度位置。
可选的，所述线性位移台上设置有容置槽，所述旋转机械平台设置于容置槽中，所述线性位移台对应第一微分头的位置设置有通向容置槽的缺口结构，所述旋转机械平台的圆柱壁上沿其圆周方向设置有角度刻度。
可选的，所述狭缝装置上设置有第三微分头，所述第三微分头可用于调节狭缝装置的狭缝的大小。
可选的，所述狭缝装置包括壳体，所述壳体上设置有前后贯穿的通孔；所述壳体中设置有第一伞齿轮、第二伞齿轮、第一圆柱齿轮、复合齿条、第二圆柱齿轮、第一齿条、第二齿条、第一夹持板、第二夹持板以及两个狭缝板；所述第一伞齿轮、第二伞齿轮以及第二圆柱齿轮均转动设置于壳体中，所述第一伞齿轮与第三微分头相连，所述第二伞齿轮与第一伞齿轮相啮合，所述第二伞齿轮与第一圆柱齿轮共同安装于同一根轴上；所述复合齿条包括长方体形的基杆，所述基杆的前壁上设置有一号齿条部，侧壁上设置有二号齿条部，所述基杆滑动设置于壳体中，所述一号齿条部与第一圆柱齿轮相啮合，所述二号齿条部与第二圆柱齿轮相啮合；所述第二圆柱齿轮通过空心轴转动安装于壳体中，所述空心轴的中心孔完全覆盖前后贯穿壳体的所述通孔，所述第一齿条和第二齿条均滑动设置于壳体中，且第一齿条和第二齿条分别位于第二圆柱齿轮的上下两侧，所述第一齿条和第二齿条相互平行，且均与第二圆柱齿轮相啮合；所述第一夹持板和第二夹持板分别通过一个连接杆与第一齿条的左端和第二齿条的右端固定相连，两个所述的狭缝板分别可拆卸的夹持在第一夹持板和第二夹持板中。
可选的，所述第一夹持板的右侧壁上设置有矩形夹持口，所述第一夹持板的前壁上设置有通向其矩形夹持口的螺纹通孔，且此螺纹通孔中安装有固定螺栓；所述第二夹持板的左侧壁上设置有矩形夹持口，所述第二夹持板的前壁上设置有通向其矩形夹持口的螺纹通孔，且此螺纹通孔中安装有固定螺栓。
按照本发明的第二方面，提供一种光栅滤波器装置的调谐方法，具体包括以下步骤：
S100：确定第一衍射光栅和第二衍射光栅的入射角度，保证激光的衍射效率；
S200：所述狭缝装置中设置有可更换的狭缝板，根据所需激光的光谱形状，更换形状匹配的狭缝板，形成形状匹配的狭缝来对激光光谱进行整形；
S300：根据所需激光的中心波长，通过三维精密位移台移动狭缝的位置，调整滤波器输出激光的中心波长；
S400：调节狭缝的大小粗调输出激光的光谱宽度；
S500：转动调节狭缝板精细调节输出激光的光谱宽度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过使用中空屋脊棱镜反射激光，避免了在光栅滤波器系统中使用透射光学元器件，在不引入过多额外色散的条件下有效补偿了空间啁啾。
2、本发明利用三维精密位移台增加了一维的调节方向，从而有效提高了光栅滤波器调节脉冲光谱宽度的精度。
3、本发明可更换不同形状的狭缝板，可对存在空间啁啾的超快激光光谱进行整形，如此使得本发明可以产生矩形、高斯型等多种不同形状的频域光谱形状。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的三维精密位移台的结构示意图；
图3是本发明的狭缝装置的内部结构示意图；
图4是本发明狭缝装置的复合齿条的结构示意图；
图5是本发明的一种狭缝板的结构示意图；
图6是本发明的另一种狭缝板的结构示意图。
附图标记：1、半波片；2、三维精密位移台；2-1、第一微分头；2-2、线性位移台；2-3、第二微分头；2-4、旋转机械平台；2-5、第三微分头；2-6、狭缝装置；260、狭缝板；261、第一伞齿轮；262、第二伞齿轮；263、第一圆柱齿轮；264、复合齿条；2641、基杆；2642、一号齿条部；2643、二号齿条部；265、第二圆柱齿轮；266、第一齿条；267、第二齿条；268、第一夹持板；269、第二夹持板；3、第一衍射光栅；4、全反镜；5、第二衍射光栅；6、中空屋脊棱镜。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和具体实施例，做进一步的说明：
实施例1：
本实施例提供一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，如图1所示，包括半波片1、全反镜4、第一衍射光栅3、三维精密位移台2、第二衍射光栅5以及中空屋脊棱镜6，半波片1上镀有增透膜，用于增加光的透过率。中空屋脊棱镜6的两个相互垂直的反射镜面上也镀有全反膜。三维精密位移台2包括狭缝装置2-6，狭缝装置2-6可提供不同形状的狭缝。半波片1、第一衍射光栅3、狭缝装置2-6、第二衍射光栅5和中空屋脊棱镜6沿着入射光路的方向依次设置。中空屋脊棱镜6、第二衍射光栅5、狭缝装置2-6、第一衍射光栅3和全反镜4沿着反射光路的方向依次设置，激光最初由半波片1射入，由全反镜4输出。
半波片1用于旋转入射激光的偏振态，调节其偏振角度，使其与各衍射光栅相匹配，可以提高衍射光栅的衍射效率。第一衍射光栅3与第二衍射光栅5作为本装置的核心分光器件，应选用合适的入射角度以提高衍射效率。入射角越接近Littrow角，光栅衍射效率越高。所谓Li ttrow角即中心波长的衍射角与入射角相等时的入射角度，其大小可以表示为
式中，λ为入射光波长，d为光栅常数。对于反射式衍射光栅，Littrow角为其衍射光沿入射光方向返回时的入射角，对于透射式衍射光栅，Littrow角为其衍射光与入射光对称分布于光栅两侧时的入射角。中空屋脊棱镜6用于反射第二衍射光栅5入射的光，并且可使得反射光与入射光相互平行且方向相反同时，使反射光与入射光分开一定距离，不发生相互干涉。通过使用中空屋脊棱镜6反射激光，避免了在光栅滤波器系统中使用透射光学元器件，在不引入过多额外色散的条件下有效补偿空间啁啾。
如图2所示，三维精密位移台2除了包含狭缝装置2-6外，还包括安装座、第一微分头2-1、线性位移台2-2、第二微分头2-3和旋转机械平台2-4，线性位移台2-2滑动安装于安装座上，第二微分头2-3安装于安装座上，且与线性位移台2-2相连，用于调节线性位移台2-2沿直线移动。旋转机械平台2-4转动安装在线性位移台2-2上，第一微分头2-1与旋转机械平台2-4相连，用于转动旋转机械平台2-4。旋转机械平台2-4的中部垂直设置有调节柱，狭缝装置2-6设置于调节柱上，调节柱可调节狭缝装置2-6的高度位置。线性位移台2-2上设置有容置槽，旋转机械平台2-4设置于容置槽中，线性位移台2-2对应第一微分头2-1的位置设置有通向容置槽的缺口结构，旋转机械平台2-4的圆柱壁上沿其圆周方向设置有角度刻度，如此可实现旋转机械平台2-4旋转角度的精确调节，即是实现狭缝装置2-6旋转角度的精确调节。所以，第二微分头2-3可调节狭缝装置2-6沿着水平方向运动，第一微分头2-1可调节狭缝装置2-6在水平面内转动，调节柱可带动狭缝装置2-6沿着高度方向运动。调节柱为可伸缩调节结构，还可替换为电动缸等具有同样功能的结构。
如图2、图3和图4所示，狭缝装置2-6上设置有第三微分头2-5。狭缝装置2-6包括壳体，壳体上设置有前后贯穿的通孔。壳体中设置有第一伞齿轮261、第二伞齿轮262、第一圆柱齿轮263、复合齿条264、第二圆柱齿轮265、第一齿条266、第二齿条267、第一夹持板268、第二夹持板269以及两个狭缝板260。第一伞齿轮261、第二伞齿轮262以及第二圆柱齿轮265均转动设置于壳体中，第一伞齿轮261与第三微分头2-5相连，第三微分头2-5可转动第一伞齿轮261。第二伞齿轮262与第一伞齿轮261相啮合，第二伞齿轮262与第一圆柱齿轮263共同安装于同一根轴上。复合齿条264包括长方体形的基杆2641，基杆2641的前壁上设置有一号齿条部2642，侧壁上设置有二号齿条部2643，基杆2641滑动设置于壳体中，一号齿条部2642与第一圆柱齿轮263相啮合，二号齿条部2643与第二圆柱齿轮265相啮合。第二圆柱齿轮265通过空心轴转动安装于壳体中，空心轴的中心孔完全覆盖前后贯穿壳体的通孔，如此，当激光由贯穿壳体的通孔中穿过时，空心轴不会造成阻碍。第一齿条266和第二齿条267均滑动设置于壳体中，且第一齿条266和第二齿条267分别位于第二圆柱齿轮265的上下两侧，第一齿条266和第二齿条267相互平行，且均与第二圆柱齿轮265相啮合。第一夹持板268和第二夹持板269分别通过一个连接杆与第一齿条266的左端和第二齿条267的右端固定相连，两个狭缝板260分别可拆卸的夹持在第一夹持板268和第二夹持板269中。
转动第三微分头2-5，第三微分头2-5带动第一伞齿轮261转动，由于第一伞齿轮261和第二伞齿轮262相互啮合，第一伞齿轮261转动时带动第二伞齿轮262转动，由于第二伞齿轮262和第一圆柱齿轮263共同安装于同一根轴上，第二伞齿轮262转动时，第一圆柱齿轮263同步转动。第一圆柱齿轮263与复合齿条264的一号齿条部2642相啮合，所以第一圆柱齿轮263转动时带动复合齿条264沿直线运动。复合齿条264的二号齿条部2643与第二圆柱齿轮265相啮合，复合齿条264沿直线运动时，带动第二圆柱齿轮265转动。第二圆柱齿轮265转动时，同时带动与其相啮合的第一齿条266和第二齿条267沿着直线运动，进而同时带动分别与第一齿条266和第二齿条267相连的第一夹持板268和第二夹持板269相互靠近或者相互远离，即是带动两个狭缝板260相互靠近或者相互远离，如此即可实现狭缝大小的调节。所以，第三微分头2-5可用于调节狭缝装置2-6的狭缝的大小。
如图3所示，第一夹持板268的右侧壁上设置有矩形夹持口，第一夹持板268的前壁上设置有通向其矩形夹持口的螺纹通孔，且此螺纹通孔中安装有固定螺栓。第二夹持板269的左侧壁上设置有矩形夹持口，第二夹持板269的前壁上设置有通向其矩形夹持口的螺纹通孔，且此螺纹通孔中安装有固定螺栓。再将壳体的前壁设置为可拆卸的结构，打开壳体的前壁后，可在第一夹持板268和第二夹持板269上更换不同形状的狭缝板260。如图5和图6分别提供了两种不同形状的狭缝板260，狭缝板260的形状不局限于图5和图6所示的结构。通过更换不同形状的狭缝板260，对存在空间啁啾的超快激光光谱进行整形，使本发明可以产生矩形、高斯型等多种不同形状的频域光谱形状。
本发明的工作原理：通过使用中空屋脊棱镜6反射激光，避免了在光栅滤波器系统中使用透射光学元器件，在不引入过多额外色散的条件下有效补偿空间啁啾。通过调整可调狭缝大小，即粗略调整可以通过狭缝的激光的宽度后，再通过转动调节旋转机械平台2-4可以精密调节通过狭缝的激光的宽度。旋转机械平台2-4旋转的角度与可以透过狭缝的激光的宽度的变化量的关系为：
Δx＝d-dcosθ (2)
其中Δx为透过狭缝的激光的宽度的变化量，d为精密调整前透过狭缝的激光的宽度，dcosθ为旋转机械平台变化的角度。从式(2)中可以看出，当时旋转机械平台旋转的角度较小时，透过狭缝的激光的宽度的变化量很小。因此利用调节线性位移台2-2和调节旋转机械平台2-4结合的方法，可以精密调节输出激光的光谱宽度。
实施例2
本实施例提供一种光栅滤波器装置的调谐方法，应用于实施例1提供的用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置。调谐方法具体包括以下步骤：
S100：确定第一衍射光栅3和第二衍射光栅5的入射角度，保证激光的衍射效率。
S200：根据所需激光的光谱形状，选择形状匹配的狭缝板260，将选定的狭缝板260安装至狭缝装置2-6中，用于形成形状匹配的狭缝来对激光光谱进行整形。
S300：根据所需激光的中心波长，通过第二微分头2-3调节线性位移台2-2，使得线性位移台2-2带动狭缝装置2-6移动，及时移动狭缝的位置，调整滤波器输出激光的中心波长。
S400：转动第三微分头2-5，调节狭缝装置2-6中两个狭缝板260之间狭缝的大小，粗调输出激光的光谱宽度。
S500：转动第一微分头2-1，使得旋转机械平台2-4转动，旋转机械平台2-4转动时带动狭缝装置2-6转动，即是带动狭缝板260转动，精细调节输出激光的光谱宽度。
以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，包括半波片(1)、全反镜(4)、第一衍射光栅(3)、三维精密位移台(2)、第二衍射光栅(5)以及中空屋脊棱镜(6)，所述三维精密位移台(2)包括狭缝装置(2-6)、安装座、第一微分头(2-1)、线性位移台(2-2)、第二微分头(2-3)和旋转机械平台(2-4)，所述线性位移台(2-2)滑动安装于安装座上，所述第二微分头(2-3)安装于安装座上，且与线性位移台(2-2)相连，用于调节线性位移台(2-2)沿直线移动；所述旋转机械平台(2-4)转动安装在线性位移台(2-2)上，所述第一微分头(2-1)与旋转机械平台(2-4)相连，用于转动旋转机械平台(2-4)；所述旋转机械平台(2-4)的中部垂直设置有调节柱，所述狭缝装置(2-6)设置于调节柱上，所述调节柱可调节狭缝装置(2-6)的高度位置，所述半波片(1)、第一衍射光栅(3)、狭缝装置(2-6)、第二衍射光栅(5)和中空屋脊棱镜(6)沿着入射光路的方向依次设置；所述中空屋脊棱镜(6)、第二衍射光栅(5)、狭缝装置(2-6)、第一衍射光栅(3)和全反镜(4)沿着反射光路的方向依次设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述第一衍射光栅(3)和第二衍射光栅(5)的入射角等于Littrow角，所述Littrow角满足下式：
式中，λ为入射光波长，d为光栅常数。
3.根据权利要求1所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述中空屋脊棱镜(6)的两个相互垂直的反射镜面上镀有全反膜。
4.根据权利要求1所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述半波片(1)上镀有增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述线性位移台(2-2)上设置有容置槽，所述旋转机械平台(2-4)设置于容置槽中，所述线性位移台(2-2)对应第一微分头(2-1)的位置设置有通向容置槽的缺口结构，所述旋转机械平台(2-4)的圆柱壁上沿其圆周方向设置有角度刻度。
6.根据权利要求1所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述狭缝装置(2-6)上设置有第三微分头(2-5)，所述第三微分头(2-5)可用于调节狭缝装置(2-6)的狭缝的大小。
7.根据权利要求6所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述狭缝装置(2-6)包括壳体，所述壳体上设置有前后贯穿的通孔；所述壳体中设置有第一伞齿轮(261)、第二伞齿轮(262)、第一圆柱齿轮(263)、复合齿条(264)、第二圆柱齿轮(265)、第一齿条(266)、第二齿条(267)、第一夹持板(268)、第二夹持板(269)以及两个狭缝板(260)；所述第一伞齿轮(261)、第二伞齿轮(262)以及第二圆柱齿轮(265)均转动设置于壳体中，所述第一伞齿轮(261)与第三微分头(2-5)相连，所述第二伞齿轮(262)与第一伞齿轮(261)相啮合，所述第二伞齿轮(262)与第一圆柱齿轮(263)共同安装于同一根轴上；所述复合齿条(264)包括长方体形的基杆(2641)，所述基杆(2641)的前壁上设置有一号齿条部(2642)，侧壁上设置有二号齿条部(2643)，所述基杆(2641)滑动设置于壳体中，所述一号齿条部(2642)与第一圆柱齿轮(263)相啮合，所述二号齿条部(2643)与第二圆柱齿轮(265)相啮合；所述第二圆柱齿轮(265)通过空心轴转动安装于壳体中，所述空心轴的中心孔完全覆盖前后贯穿壳体的所述通孔，所述第一齿条(266)和第二齿条(267)均滑动设置于壳体中，且第一齿条(266)和第二齿条(267)分别位于第二圆柱齿轮(265)的上下两侧，所述第一齿条(266)和第二齿条(267)相互平行，且均与第二圆柱齿轮(265)相啮合；所述第一夹持板(268)和第二夹持板(269)分别通过一个连接杆与第一齿条(266)的左端和第二齿条(267)的右端固定相连，两个所述的狭缝板(260)分别可拆卸的夹持在第一夹持板(268)和第二夹持板(269)中。
8.根据权利要求7所述的一种用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，所述第一夹持板(268)的右侧壁上设置有矩形夹持口，所述第一夹持板(268)的前壁上设置有通向其矩形夹持口的螺纹通孔，且此螺纹通孔中安装有固定螺栓；所述第二夹持板(269)的左侧壁上设置有矩形夹持口，所述第二夹持板(269)的前壁上设置有通向其矩形夹持口的螺纹通孔，且此螺纹通孔中安装有固定螺栓。
9.一种光栅滤波器装置的调谐方法，应用如权利要求1-8中任一项所述的用于超快激光的精密调谐光栅滤波器装置，其特征在于，具体包括以下步骤：
S100：确定第一衍射光栅(3)和第二衍射光栅(5)的入射角度，保证激光的衍射效率；
S200：所述狭缝装置(2-6)中设置有可更换的狭缝板(260)，根据所需激光的光谱形状，更换形状匹配的狭缝板(260)，形成形状匹配的狭缝来对激光光谱进行整形；
S300：根据所需激光的中心波长，通过三维精密位移台(2)移动狭缝的位置，调整滤波器输出激光的中心波长；
S400：调节狭缝的大小粗调输出激光的光谱宽度；
S500：转动调节狭缝板(260)精细调节输出激光的光谱宽度。
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