CN1661416A - 一种脉冲整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种脉冲整形装置，包括两个光栅，用于将不同频率的激光在角度上分开或者合并；两个凹面镜，用于对激光脉冲进行时域和频域的转换；以及光调制器，位于该第一凹面镜和第二凹面镜的中央位置，用于对激光脉冲的幅度或者相位进行调制；并且各光学器件两两之间的距离均为相同的固定值，以得到经该凹面镜的反射光的准确傅立叶变换。该光调制器为液晶的空间光调制器，通过加在液晶上的电压的变化来控制液晶分子的排列，以改变介质的折射率，从而调整激光脉冲的幅度和相位。由于本发明用凹面镜代替了凸透镜，从而避免了凸透镜带来的色差。另外，通过使用液晶的空间光调制器，可以进行光学相位的连续调制。

Description

一种脉冲整形装置

                                技术领域

本发明涉及一种脉冲整形装置，尤其涉及一种超快激光脉冲的整形装置。

                                背景技术

激光脉冲整形技术是通过控制脉冲的幅度、相位和频率以产生人们需要的脉冲波形。目前，在激光脉冲整形技术领域普遍采用的是一种4F结构的零色散脉冲整形装置。图1是现有的4F结构的零色散脉冲整形装置，该装置包括一个第一光栅和一个第二光栅10、一个第一凸透镜和一个第二凸透镜12，以及一个光调制器16。第一光栅和第二光栅是相同的，第一凸透镜和第二凸透镜也是相同的。其中，该光调制器16位于第一凸透镜和第二凸透镜12的中心位置。各光学器件之间的距离都是凸透镜的焦距F，所以该装置被称为4F结构。

当激光脉冲经过第一光栅10后，发生色散，其中不同频率的光在角度上被分开。两个凸透镜相当于两个傅立叶转换器。入射激光脉冲在第一凸透镜的后焦平面上从时域转换到频域。当该激光脉冲通过光调制器16后，其频率组成情况将被改变。当再经过第二凸透镜12和第二光栅10后，该激光脉冲从频域重新转换到时域，从而得到理想的出射激光脉冲。

但是，现有技术中使用的凸透镜若在脉冲宽度较大时效果很好，当脉冲宽度很窄时，由于透镜带来的色差，输出脉冲就不太理想。另外，现有技术中一般使用固定空间掩模光调制器，但是此类光调制器不能实现光学相位的连续调制，因此每次试验都要制作一块新的光调制器。这些缺点无疑限制了4F结构的应用发展，因此我们需要一种可避免色差，并能进行光学相位连续调制的脉冲整形方法和装置。

                            发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种脉冲整形装置，包括：

第一光栅和第二光栅，用于将不同频率的激光在角度上分开或者合并，该第一光栅和第二光栅是相同的；第一凹面镜和第二凹面镜，用于对激光脉冲进行时域和频域的转换，该第一凹面镜和第二凹面镜是相同的；以及光调制器，位于该第一凹面镜和第二凹面镜的中央位置，用于对激光脉冲的幅度或者相位进行调制；并且第一光栅、第一凹面镜、光调制器、第二凹面镜和第一光栅两两之间的距离均为相同的固定值，以得到经该凹面镜的反射光的准确傅立叶变换。该固定值为

其中，f是所述凹面镜的焦距，θ是入射光线和所述凹面镜法线的夹角。

该光调制器为液晶的空间光调制器，通过加在液晶上的电压的变化来控制液晶分子的排列，以改变介质的折射率，从而调整激光脉冲的幅度和相位。其中，加在液晶上的电压值通过自然选择和遗传变异等生物进化机制的全局性概率搜索方法进行选取。此全局性概率搜索方法中的个体的基因片段就是加在液晶空间光调制器各像素上的电压值。

由于本发明用凹面镜代替了凸透镜，从而避免了凸透镜带来的色差。另外，通过使用液晶的空间光调制器，可以进行光学相位的连续调制。

通过参照结合附图所进行的如下描述和权利要求，本发明的其它目的和成就将是显而易见的，并对本发明也会有更为全面的理解。

                            附图说明

本发明通过实例的方式，参照附图进行详尽的解释，其中：

图1是现有的4F结构的零色散脉冲整形装置；

图2是根据本发明一个实施例的脉冲整形装置；和

图3是凹面镜转换为等价凸透镜的示意图。

                          具体实施方式

图2是根据本发明一个实施例的脉冲整形装置。该装置200包括第一光栅10、第一凹面镜22、光调制器26、第二凹面镜22和第一光栅10，并且第一光栅10、第一凹面镜22、光调制器26、第二凹面镜22和第一光栅10两两之间的距离均为相同的固定值，该固定值为 其中，f是所述凹面镜的焦距，θ是入射光线和所述凹面镜法线的夹角。

其中，第一光栅和第二光栅10，用于将不同频率的激光在角度上分开或者合并，该第一光栅和第二光栅是相同的。在本实施例中，该第一光栅10将不同频率的入射光从角度上分开，该第二光栅将分开的入射光合并再出射。

该第一凹面镜和第二凹面镜22，用于对激光脉冲进行时域和频域的转换，该第一凹面镜和第二凹面镜是相同的。在本实施例中，该第一凹面镜22将由第一光栅10反射过来的入射光从频域转换到时域。该第二凹面镜22将经过光调制器26调制后的激光脉冲从时域转换到频域。

为了避免凸透镜带来的色差，本实施例用凹面镜22代替了现有技术的4f结构中的凸透镜12，由于该替换，本实施例中的各光学器件之间的距离也需要调整，以得到对光脉冲的准确的傅立叶变换。

因此，下面就对凹面镜的傅立叶转换特性进行分析。因为凸透镜的傅立叶转换特性是本领域的技术人员所熟知的，所以为了便于分析，这里将凹面镜转换为等价凸透镜，凸透镜中的折射率为1。

图3是凹面镜转换为等价凸透镜的示意图。

等价凸透镜的透射函数t(x，y)可以表示为：

$t(x,y)=\exp \left[\mathrm{jk\Δ}(x,y)\right]=\exp \left(\frac{{\mathrm{jk\Δ}}_0}{\cos \mathrm{\θ}}\right)\exp [-\mathrm{jk}\frac{(x^2+y^2)\cos \mathrm{\θ}}{R}]---\left(1\right)$

其中k为波矢，Δ(x，y)为在(x，y)点透镜的厚度，Δ₀为透镜中心厚度，θ为凸透镜与光线夹角。物体位于透镜之前，F₀(f_x，f_y)为物体透射光的傅立叶频谱，F₁(f_x，f_y)为投射到透镜上光场的傅立叶频谱。根据菲涅耳近似

$F_l(f_x,f_y)=F_0(f_x,f_y)\exp [-\mathrm{j\π\λ}{d}_0(f_x^2+f_y^2)]---\left(2\right)$

其中d₀为物体到透镜距离，λ为波长。根据(1)式，略去常数项后，透镜后振幅分布可以表示为：

$U_l^{\′}(x,y)=U_l(x,y)\exp [-\mathrm{jk}\frac{(x^2+y^2)\cos \mathrm{\θ}}{2f}]---\left(3\right)$

U_l(x，y)，U_l’(x，y)为投射到透镜上和透镜后光场分布。利用菲涅耳公式透镜后距离为z处光场分布U_z(x_z，y_z)可以表示为：

$U_z(x_z,y_z)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\exp \left[j\frac{k}{2z}(x_z^2+y_z^2)\right]$

${\∫\∫U}_l^{\′}(x,y)\exp \left[j\frac{k}{2z}(x^2+y^2)\right]\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}({\mathrm{xx}}_2+{\mathrm{yy}}_2]\mathrm{dxdy}---\left(4\right)$

为了得到准确傅立叶变换，令

$z=d_0=\frac{f}{\cos \mathrm{\θ}}=f^{\′}---\left(5\right)$

由(2)、(3)式，(4)式可以简化为：

$U_{f^{\′}}(x_{f^{\′}},y_{f^{\′}})=\frac{F_0(\frac{x_{f^{\′}}}{\mathrm{\λ}{f}^{\′}},\frac{y_{f^{\′}}}{\mathrm{\λ}{f}^{\′}})}{\mathrm{j\λ}{f}^{\′}}---\left(6\right)$

由以上分析可知，当物体与凹面镜的距离 $d_0=\frac{f}{\cos \mathrm{\θ}}$ 时，在 $z=\frac{f}{\cos \mathrm{\θ}}$ 处我们得到物体透射光场的准确傅立叶变换。

根据上述分析，本发明用凹面镜22代替现有技术中的凸透镜12后，在先技术中4F结构就有所改变了，其中各光学器件之间的距离也由凹面镜的焦距f改为

该装置200的光调制器26，位于该第一凹面镜和第二凹面镜22的中央位置，用于对经第一凹面镜22反射过来的激光脉冲的幅度或者相位进行调制。光调制器26是液晶的空间光调制器，用于通过加在液晶上的电压的变化来控制液晶分子的排列，以改变介质的折射率，从而调整激光脉冲的幅度和相位。其中，加在液晶上的电压值通过自然选择和遗传变异等生物进化机制的全局性概率搜索方法进行选取。该全局性概率搜索方法中的个体的基因片段就是加在液晶空间光调制器各像素上的电压值。

该全局性概率搜索方法在形式上是一种迭代算法，它从选定的初始解出发，通过不断迭代逐步改进当前解，直至最后搜索到最优解或满意解。在进化计算中，迭代计算过程采用了模拟生物体的进化机制，从一组解(群体)出发，采用类似于自然选择和有性繁殖的方式，

在继承原有优良基因的基础上，生成具有更好性能指标的下一代解的群体。进化计算求解的一般过程包括以下步骤：

1.随机给定一组初始解；

2.评价当前这组解的性能；

3.根据2的评价结果，从当前解中选择一定数量的解作为基因操作的对象；

4.对所选择的解进行基因操作(杂交或称为交叉、突变或称为变异)得到一组新的解；

5.返回到2对该组新的解进行评价；

6.若当前解满足要求或进化过程达到一定的代数，计算结束，否则转向3继续进行。

在本实施例中，入射脉冲为800nm，50fs。利用上述全局性概率搜索方法选取加在液晶空间光调制器各像素上的电压值的步骤是这样的：

1.首先随机产生一组包含若干个个体(例如40个)的初始解，即加在空间光调制器上的若干组电压值。每个个体所含电压值的个数根据选用的光调制器的像素精度(即像素的多少，例如64)来确定；

2.将此脉冲整形装置的输出脉冲作用在BBO倍频晶体上，用探测器探测倍频晶体的倍频信号，并通过锁相放大器放大后输入电脑，此信号即为评估当前这组个体性能的评估函数。倍频信号越强，个体性能越好；

3.根据步骤2的评估结果，从当前这组个体中选择一定数量(例如个体性能最好的4个)的个体作为基因操作的对象；

4.对所选择的个体进行基因操作(控制杂交概率、突变概率，例如选取值分别为0.80和0.005)得到一组新的个体；

5.返回到2对该组新的个体进行评估；

6.若当前个体进化过程达到一定的代数(例如代数值为150)或者倍频信号超过所设定的值(例如选取值为1)，计算结束，否则转向3继续进行。

在本实施例中，经过150代迭代后，所选个体的最佳值、最差值及两者的平均值都达到了比较稳定且理想的结果。

虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于在本技术领域熟练的人士，根据上文的叙述作出的许多替代、修改与变化将是显而易见的。因此，当这样的替代、修改和变化落入附后的权利要求的精神和范围之内时，应该被包括在本发明中。

Claims (7)

1、一种脉冲整形装置，包括：

第一光栅和第二光栅，用于将不同频率的激光在空间角度上分开或者合并；其特征在于，

还包括：

第一凹面镜和第二凹面镜，用于对激光脉冲进行时域和频域的转换；和

光调制器，位于所述第一凹面镜和第二凹面镜的中央位置，用于对所述激光脉冲的幅度或者相位进行调制；

所述第一光栅、第一凹面镜、光调制器、第二凹面镜和第一光栅两两之间的距离均为相同的固定值，以得到经所述凹面镜的反射光的准确傅立叶变换。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光栅和第二光栅是相同的。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一凹面镜和第二凹面镜是相同的。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光调制器为液晶的空间光调制器，用于通过加在液晶上的电压的变化来控制液晶分子的排列，以改变介质的折射率，从而调整激光脉冲的幅度和相位。

5、如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述加在液晶上的电压值通过自然选择和遗传变异等生物进化机制的全局性概率搜索方法进行选取。

6、如权利要求5所述的装置，所述全局性概率搜索方法中的个体的基因片段就是加在液晶空间光调制器各像素上的电压值。

7、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定值为

其中，f是所述凹面镜的焦距，θ是入射光线和所述凹面镜两端连线的夹角。