CN1693860A - 飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置 - Google Patents

Abstract

一种飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置，在激光前进的方向上依次为分束器、聚焦透镜、BBO晶体和光栅光谱仪，该光栅光谱仪的输出端口与带有频率分辨光学扫描程序的计算机的输入端口相连，其特征在于所述的分束器是一反射式达曼光栅分束器，该反射式达曼光栅分束器的构成包括两块相同的平行放置的第一1×2偶数反射式达曼光栅和第二1×2偶数反射式达曼光栅，在第二1×2偶数反射式达曼光栅的两衍射光路中，一路设有由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜构成的固定光程器，另一路设有由第五反射镜、安装在一移动臂上的角锥反射镜和第六反射镜构成可调光程器，所述的反射镜与光束成45°放置。本发明可避免材料色散的影响。

Description

飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲，特别是一种飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置。

背景技术

用一片达曼光栅以及相应的角色散补偿光栅可以实现飞秒激光的高效率分束(参见在先技术【1、2】J.Opt.Soc.Am.A22(4)，Guowei Li，Changhe Zhou，Enwen Dai(2005)；发明专利，“飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角色散补偿技术”，NO.200410017811.9，2004，周常河，李国玮)。当这种分束方案用于实现激光分两束时，其作用即等同于通常所使用的半透半反镜。

对激光束进行分束在光脉冲测量领域是不可缺少的(参见在先技术【3、4、5】Rev.Sci.Instrum.68，3277-3295，R.Trebino et al.，(1997)；Opt.Lett.16，39-41，J.L.A.Chilla and O.E.Martinez，(1991)；Opt.Lett.23，792-794，C.Iaconis and I.A.Walmsley，(1998))。任何一种测量方法，包括自相关测量，都需要对激光进行分束。传统的分束方法通常采用半透半反镜，分束后的两束光由于一束是透射光，一束是反射光，这样就不可避免地引入材料色散，造成脉冲的展宽，而且两束光在飞秒尺度上衡量，它们是不尽相同的。

发明内容

本发明的目的是为了避免材料的色散影响对飞秒激光的测量，提供一种飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置，

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置，在激光前进的方向上依次为分束器、聚焦透镜、BBO晶体和光栅光谱仪，该光栅光谱仪的输出端口与带有频率分辨光学扫描程序的计算机的输入端口相连，其特征在于所述的分束器是一反射式达曼光栅分束器，该反射式达曼光栅分束器的构成包括与待测飞秒激光的入射角为1.2°的平行放置的第一1×2偶数反射式达曼光栅和第二1×2偶数反射式达曼光栅，在第二1×2偶数反射式达曼光栅的两衍射光路中，一路设有由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜构成的固定光程器，另一路设有由第五反射镜、安装在一移动臂上的角锥反射镜和第六反射镜构成可调光程器，所述的反射镜与光束成45°放置。

采用反射式达曼光栅分束器用于飞秒激光的分束，可以避免材料色散的影响；采用不同的光栅深度，可使该分束装置适用于不同的波段。再利用频率分辨光学扫描技术测量飞秒激光脉冲在时频域的信息。

附图说明

图1是本发明飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置结构示意图。

图2是本发明所使用的反射式达曼光栅分束器的俯视图。

图3是图2达曼光栅分束器的侧视图。

图4.达曼光栅分束器(空间周期100um)与BK7材料分束镜分束效果比较。

图5.实验得到的频率分辨光学扫描图谱。

图6.重构脉冲在时域上的强度与位相。

图7.重构脉冲在频域上的强度与位相。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1、图2和图3，本发明飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置，在激光前进的方向上依次为分束器、聚焦透镜13、BBO晶体14和光栅光谱仪16，该光栅光谱仪16的输出端口与带有频率分辨光学扫描程序的计算机(图中未示)的输入端口相连，其特征在于所述的分束器是一反射式达曼光栅分束器，该反射式达曼光栅分束器的构成如图2和图3所示，包括与待测飞秒激光3的入射角为1.2°的平行放置的第一1×2偶数反射式达曼光栅1和第二1×2偶数反射式达曼光栅2，在第二1×2偶数反射式达曼光栅2的两衍射光路中，一路设有由第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7构成的固定光程器，另一路设有由第五反射镜8、安装在一移动臂11上的角锥反射镜10和第六反射镜9构成可调光程器，所述的反射镜与光束成45°放置。

本实施例中利用两片完全相同的光栅空间周期为100μm的1×2偶数反射式达曼光栅实现飞秒激光的分束。参见图2，将第一1×2偶数反射式达曼光栅1和第二1×2偶数反射式达曼光栅2平行放置，飞秒激光3以约1.2度角入射到第一1×2偶数反射式达曼光栅1的表面；衍射输出的正负第一衍射级次光束经第二1×2偶数反射式达曼光栅2衍射，该衍射光再分别经过设有由第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7构成的固定光程器的光路，设有由第五反射镜8、安装在一移动臂11上的角锥反射镜10和第六反射镜9构成可调光程器的另一路，可以得到平行于入射激光束的两束出射的激光束12。逐一调节所述的反射镜及角锥反射镜，使得入射光束均以45°入射。其中，角锥反射镜10安放在精密移动臂11上面。参见在先技术【1、2】。第一1×2偶数反射式达曼光栅1的光栅方程为

d(sinγ+sin(γ-θ₁))＝λ               (1)

第二1×2偶数反射式达曼光栅2的光栅方程为

d_c(sin(γ-θ₁)+sin(γ-θ₁-θ₂))＝λ    (2)

其中，d＝d_c是光栅周期；γ为激光光束对第一1×2偶数反射式达曼光栅1的入射角；(γ-θ₁)对于第一1×2偶数反射式达曼光栅1是衍射角，对于第二1×2偶数反射式达曼光栅2是入射角；当光束垂直入射，即γ＝0时，得到|θ₁|＝θ₂，即输入光束平行于输出光束。

分束后的输出光脉冲宽度参见在先技术【1、2】。假设入射脉冲为高斯型：

E_i(t)＝exp(-2ln2(t/τ_FWHM)²)    (3)

出射脉冲宽度为，

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{out}}=\sqrt{{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{FWHM}}}^2+\frac{8\ln 2{\mathrm{\β}}^2{L}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}+\frac{{(4\ln 2\·k{\mathrm{\β}}^{2}L)}^2}{({{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{FWHM}}}^2+\frac{8\ln 2\·{\mathrm{\β}}^2{L}^2}{{\mathrm{\σ}}^2})}}---\left(4\right)$

式中：τ_FWHM是入射脉冲宽度，β＝-mλ₀ ²/(2πCdcosθ₁)，C是光速，σ是光腰半径，L是光栅对之间的距离，k是波数。

以空间周期是100um的达曼光栅为例，其分束效果与以BK7材料制作的商业用半透半反镜相比，如图4所示，对脉冲的影响较小(参见在先技术【1】)。

分束后的两束光12，采用透镜13聚焦到BBO晶体14上，如图1所示，得到的和频光15利用光栅光谱仪16接收，拍摄和频光光谱。改变精密移动臂11的位置，拍摄移动臂在不同位置处得到的和频光光谱，即脉冲的多发测量，得到频率分辨光学扫描图谱。再利用频率分辨光学扫描迭代算法计算飞秒脉冲在时频域信息。

利用本发明装置的工作过程如下：

1、实验制备空间周期100um的反射式1×2达曼光栅两片，光栅深度要与光脉冲中心频率匹配。即刻蚀深度是飞秒光中心波长的四分之一，并镀金膜实现反射效果。

2、按照图2方式，两光栅间距约0.5m，飞秒激光束水平入射，光栅与竖直方向的夹角约1.2°。逐一调节反射镜及角锥反射镜，使得入射光束均以45°入射。保证分束得到的两束光分离并出射(具体参数与激光束的尺寸及脉冲谱宽有关，参见在先技术【1、2】)。

3、分束出射后的两束光被焦距为20cm的聚焦透镜13聚焦提高光功率，焦点处放置厚度为100um的BBO晶体14。

4、调节精密移动臂11实现分束后的两束光等光程，此时BBO晶体14出现和频光15。

5、控制移动臂11移动，同时利用光栅光谱仪16连续拍摄不同时刻的和频光，即多发测量，得到频率分辨光学扫描时谱图。

6、将得到的频率分辨光学扫描图谱通过计算机利用频率分辨光学扫描程序重构出脉冲的时频域信息。

如图5得到的频率分辨光学扫描图谱，重构得到的脉冲时频域信息见图6和图7。程序计算得到的此实验结果的最小频率分辨光学扫描误差为0.0010251。

脉冲时域强度半高宽	74.772(飞秒)
		脉冲频域强度半高宽	19.656(纳米)
脉冲自相关强度半高宽	99.042(飞秒)
		时间带宽积(FWHM)	0.62556
最小FROG误差	0.0010251

实验中采用COHERENT公司的Verdi-V6半导体激光器作泵浦源，测量了该公司的Mira种子源飞秒激光器的激光脉冲，用ACTONRESEARCH CORPORATION的INSPECTRUM光谱仪记录FROG时谱图。频率分辨光学扫描重构程序是Femtosoft Technologies公司的Frog3.0。

Claims (1)

1、一种飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置，在激光前进的方向上依次为分束器、聚焦透镜(13)、BBO晶体(14)和光栅光谱仪(16)，该光栅光谱仪(16)的输出端口与带有频率分辨光学扫描程序的计算机的输入端口相连，其特征在于所述的分束器是一反射式达曼光栅分束器，该反射式达曼光栅分束器的构成包括与待测飞秒激光(3)的入射角为1.2°的平行放置的第一1×2偶数反射式达曼光栅(1)和第二1×2偶数反射式达曼光栅(2)，在第二1×2偶数反射式达曼光栅(2)的两衍射光路中，一路设有由第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第四反射镜(7)构成的固定光程器，另一路设有由第五反射镜(8)、安装在一移动臂(11)上的角锥反射镜(10)和第六反射镜(9)构成可调光程器，所述的反射镜与光束成45°放置。

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