CN1776383A - 利用反射式达曼光栅的超短脉冲测量装置 - Google Patents

Abstract

一种利用反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，包括分束延时器、会聚镜、非线性晶体、光阑和光谱仪，其特征在于所述的分束延时器是由三快1×2反射式达曼光栅和两块挡光板立体配置而构成的反射式达曼光栅分束延时器，所述的会聚镜是一反射式会聚镜。本发明是一种全反射式超短激光脉冲测量装置，解决了超短激光脉冲测量过程由于光束透过介质而产生的超短脉冲展宽的问题，具有结构简化、调节方便和仪器成本低的特点。

Description

利用反射式达曼光栅的超短脉冲测量装置

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种利用反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置。

背景技术

自二十世纪九十年代以来超短脉冲特别是飞秒(fs 10^-15秒)激光技术取得了快速的发展，由于飞秒激光脉冲具有时域超短特性，能够对物理、化学、生物、医学等领域进行超快现象的研究。同时，飞秒激光脉冲还具有极高的峰值功率，是进行各种非线性现象研究的有力工具。

飞秒激光脉冲作用下的各种现象的研究是通过飞秒脉冲测量技术实现的，通过对飞秒光的时域、频域以及传输等特性的测量获得飞秒动态系统响应的物理本质。同时，测量技术的发展对飞秒激光技术本身的发展也有巨大的推动作用，对产生更短持续时间的光脉冲具有巨大的指导作用。

飞秒激光脉冲测量有很多种方法，其中频率分辨光学开关法(frequency-resolved optical gating，简称为FROG)[参见在先技术1“Frequency-Resolved optical Gating：The Measurement of Ultrashort LaserPulses”Rick Trebino，2002 Kluwer Academic Publishers]和光谱位相相干电场重构法(spectral phase interferometry for direct electric-fieldreconstruction，SPIDER)[参见在先技术2“Spectral phaseinterferometryfor direct electric-field reconstructionof ultrashort opticalpulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue 10 1998]，是目前采用较多的两种方法。

现有的频率分辨光学开关法测量装置的基本结构如图1所示，图1中2表示的是分束延迟器。飞秒脉冲光1被分束镜21分成两光束：开关脉冲光束和探测脉冲光束，开关脉冲光束经过直角反射镜22沿着反方向反射。其中直角反射镜22被固定在计算机控制的微动台23上。探测脉冲光束被直角反射镜24和反射镜25反射并与开关脉冲光束平行。然后两束脉冲光束被透镜4聚焦到非线性晶体5上，产生频率转换，信号光通过遮光板6被光谱仪7接收测量，通过微动台23改变两束光的时延差得到强度相对于时间和频率的二维图谱(FROG Trace)，对图谱应用迭代算法[参加在先技术1]得到飞秒脉冲的振幅和位相。然而目前大部分超短脉冲测量装置中的分束器采用的都是半透半反镜，飞秒激光脉冲是非常短的脉冲，具有很宽的频谱，因此必然对透射的超短脉冲产生展宽影响，造成测量结果不准确；由图1还可以看出，该测量装置中还采用了较多的反射镜，这不仅增加了调节难度，而且也增加了成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，该发明应尽量减少由于透射过程而产生的超短脉冲展宽影响，进一步简化结构，降低调节难度和降低仪器成本。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，包括分束延时器、会聚镜、非线性晶体、光阑和光谱仪，其特征在于所述的分束延时器是由第一1×2反射式达曼光栅、第二1×2反射式达曼光栅、第三1×2反射式达曼光栅、计算机控制的微动台、第一挡板和第二挡板立体配置而构成的反射式达曼光栅分束延时器，所述的第二1×2反射式达曼光栅置于计算机控制的微动台上，所述的会聚镜是一反射式会聚镜，其位置关系是：当一束飞秒脉冲光在竖直平面内并以一个小角度α入射到第一反射式1×2达曼光栅(31)，在水平面内被分成-1级P光束和+1级G束光，这两束光分别被放置在后面距离L处并且在同一平面的第二反射式1×2达曼光栅和第三反射式1×2达曼光栅所衍射，又分别产生P-1级、P+1级两束光和G-1级、G+1级两束光，其中第二反射式1×2达曼光栅衍射的P+1级光束被第一挡板遮住，第三反射式1×2达曼光栅所衍射的G-1级光被第二挡板遮住，而第二反射式1×2达曼光栅衍射的P-1级光束和第三反射式1×2达曼光栅所衍射的G光+1级光束平行地出射，经反射式会聚镜反射会聚于非线性晶体，通过光阑被光谱仪接收测量。

所述的反射式1×2达曼光栅的结构相同，周期为d，深度为λ_c/4，其中λ_c为所述的超短脉冲激光的中心波长。

所述的小角度α≤2°。

所述的第二反射式1×2达曼光栅和第三反射式1×2达曼光栅与第一反射式1×2达曼光栅之间的距离L应保证由第一反射式1×2达曼光栅产生的+1级光和-1级光能够在空间上分离。

达曼光栅[参见在先技术3“Numerical study of Dammann arrayilluminators”Changhe Zhou，and Liren Liu Applied Optics，Vol.34，No.261995]是一种衍射光学器件，目前广泛地应用于阵列照明。通过控制达曼光栅一个周期内的拐点的位置以及位相值实现对入射光束的控制，达曼光栅可以容易地将一束入射光分束成m×n(m，n为整数)束。

当一束中心波长为λ的激光垂直入射到到开口比为1∶2的反射式达曼的光栅时，反射光会分成强度相同的两束光，而且出射光与光栅法线的夹角为

                 θ＝sin^-1(λ/d)                     (1)

光栅深度h与反射光的衍射效率有关

$\mathrm{\η}=I_{+1}=I_{-1}=I_0\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}}{2}\·\·\·\left(2a\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}h\·\·\·\left(2b\right)$

其中I₊₁，I_-1分别为+1级和-1级反射光的强度，I₀为入射脉冲光的强度，h为光栅的深度。由公式2可以得出当h＝λ/4时每束反射光具有最高的衍射效率40.5％，总的衍射效率为81％。

本发明的技术效果：

由于本发明利用反射式达曼光栅制作分束延时器和凹面反射镜聚焦的无透射器件的超短脉冲测量装置，即采用的是全反射式结构，有效地避免了飞秒超短脉冲激光由于传输过程中穿透介质而产生的脉冲展宽的问题，可消除基底介质对飞秒脉冲的展宽。达曼光栅的反射膜层采用高反射率、宽光谱的金属膜层，容易加工。由于达曼光栅的制造技术与微电子加工技术相兼容，具有易加工、成本低的优点。另外该装置的核心只有三块达曼光栅，很容易实现脉冲的等光程，具有结构紧凑，光路调节方便的优点。

附图说明

图1是现有的标准的超短脉冲FROG测量装置。

图2是本发明利用反射式达曼光栅的超短脉冲测量装置俯视图。

图3是本发明利用反射式达曼光栅超短脉冲测量装置中分束延迟器的侧视图。

图4是本发明根据实验结果和在先技术1重构出来的超短激光脉冲时域的振幅和位相对比图。

图中：1—飞秒激光脉冲光束；

2—分束延迟器；21—分束镜；22—直角锥反射镜；23—计算机控制的微动台；24—直角锥反射镜；25—反射镜；

3—达曼光栅分束延迟器；31—第一1×2反射式达曼光栅；32—第二1×2反射式达曼光栅、33—第三1×2反射式达曼光栅；34—计算机控制的微动台；35—第一遮光板、36—第二遮光板；

4—会聚镜；5—非线性晶体；6—光阑；7—光谱仪。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2和图3，由图可见，本发明利用反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，包括分束延时器、会聚镜4、非线性晶体5、光阑6和光谱仪7，其特征在于所述的分束延时器3是由第一1×2反射式达曼光栅31、第二1×2反射式达曼光栅32、第三1×2反射式达曼光栅33、计算机控制的微动台34、第一挡板35和第二挡板36立体配置而构成的反射式达曼光栅分束延时器，所述的第二1×2反射式达曼光栅32置于计算机控制的微动台34上，所述的会聚镜4是一反射式会聚镜，其位置关系是：当一飞秒激光脉冲光束1在竖直平面内并以一个小角度入射到第一反射式1×2达曼光栅31上，在水平面内被分成-1级P光束和+1级G光束，这两束光分别被放置在后面距离L处并且在同一平面的第二反射式1×2达曼光栅32和第三反射式1×2达曼光栅33所衍射，又分别产生P-1级、P+1级两束光和G-1级、G+1级两束光，其中第二反射式1×2达曼光栅32衍射的P+1级光束被第一挡板35遮住，第三反射式1×2达曼光栅33所衍射的G-1级光被第二挡板36遮住，而第二反射式1×2达曼光栅32衍射的P-1级光束和第三反射式1×2达曼光栅33所衍射的G光+1级光束平行地出射，经所述的反射式会聚镜4会聚于非线性晶体5，通过光阑6被光谱仪7接收测量。

所述的反射式1×2达曼光栅的结构相同，周期为d，深度为λ_c/4，其中λ_c为所述的超短脉冲激光的中心波长。

所述的小角度α≤2°。

所述的第二反射式1×2达曼光栅32和第三反射式1×2达曼光栅33与第一反射式1×2达曼光栅31的距离L应保证由第一反射式1×2达曼光栅31产生的+1级光和-1级光能够在空间上分离。

一束中心波长为λ_c，宽度为τ₀的飞秒脉冲光1在竖直平面内沿着以一个小角度α(α小于2度)入射到周期为d(d＞＞λc)，深度为λ_c/4的反射式1×2达曼光栅31上，在水平面内被分成-1级P和+1级G两束光，这两束光分别被放置在后面L(应保证+1级光和-1级光能够在空间上分离)处并且在同一平面的同周期的反射式1×2达曼光栅32，33所衍射，分别产生两束光，其中光栅32被置于计算机控制的微动台34上，微动台可以调节光栅32的位置，从而可以改变两个脉冲的光程差。利用挡板35和36分别将光束P的+1级光，G的-1级光遮住，根据光栅方程可知光束P的-1级光和G的+1光是平行的。另外根据[在先技术4 GuoweiLi，Changhe Zhou，and Enwen Dai，“Splitting of femtosecond laser pulses byusing a Dammann grating and compensation gratings”，J.Opt.Soc.Am.A，22(2005)]可以得出脉冲光经过光栅对后的脉冲宽度。

$\mathrm{\τ}=\sqrt{{\mathrm{\τ}}_0^2+\frac{{\left(2k{\mathrm{\β}}^{2}L\right)}^2}{{\mathrm{\τ}}_0^2}}\·\·\·\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\β}={\mathrm{\λ}}_c^2/\left(2\mathrm{\πcd}\right),$ k＝2π/λ_c，c为光速。

两束光被凹面镜4聚焦在非线性晶体5中产生信号光，信号光通过遮光板6被光谱仪7接收产生频率分辨，利用微动台改变时延差实现光学开关，即可得到FROG图谱。

综上所述，本发明用三块反射达曼光栅实现了全反射式的超短脉冲光测量，从而消除了传统的透/反射式光分束器对脉冲光的影响，同时达曼光栅的制造技术与微电子加工技术相兼容，因此具有易加工、成本低的优点

利用该装置我们成功的测量了中心波长800nm，脉冲宽度11.7个飞秒的超短脉冲，其中反射式达曼光栅的周期d＝100μm，刻蚀深度为0.2μm，表面镀金。凹面镜的焦距为300mm。非线性晶体采用的是30微米厚的BBO晶体，α＝1.5°。通过计算机控制的微动台34变光程并用光谱仪7量和频光得到FROG图谱。图4是根据实验结果和在先技术1重构出来的超短激光脉冲时域的振幅和位相，结果如下表所示。

            时域半高全宽              谱宽                误差

FROG            11.7fs               94.5nm               0.005

可以看出重构误差很小，证明了该装置的实用有效性。

Claims (4)

1、一种利用反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，包括分束延时器、会聚镜(4)、非线性晶体(5)、光阑(6)和光谱仪(7)，其特征在于所述的分束延时器(3)是由第一1×2反射式达曼光栅(31)、第二1×2反射式达曼光栅(32)、第三1×2反射式达曼光栅(33)、计算机控制的微动台(34)、第一挡板(35)和第二挡板(36)立体配置而构成的反射式达曼光栅分束延时器，所述的第二1×2反射式达曼光栅(32)置于计算机控制的微动台(34)上，所述的会聚镜(4)是一反射式会聚镜，其位置关系是：当一飞秒激光脉冲光束(1)在竖直平面内并以一个小角度α入射到第一反射式1×2达曼光栅(31)上，在水平面内被分成-1级P光束和+1级G光束，该两光束分别被放置在后面距离L处并且在同一平面的第二反射式1×2达曼光栅(32)和第三反射式1×2达曼光栅(33)所衍射，又分别产生P-1级、P+1级两束光和G-1级、G+1级两束光，其中第二反射式1×2达曼光栅(32)衍射的P+1级光束被第一挡板(35)遮住，第三反射式1×2达曼光栅(33)所衍射的G-1级光被第二挡板(36)遮住，而第二反射式1×2达曼光栅(32)衍射的P-1级光束与第三反射式1×2达曼光栅(33)所衍射的G光+1级光束平行地出射，经所述的反射式会聚镜(4)会聚于非线性晶体(5)，通过光阑(6)被光谱仪(7)接收测量。

2、根据权利要求1所述的反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，其特征在于所述的反射式1×2达曼光栅的结构相同，周期为d，深度为λ_c/4，其中λc为所述的超短脉冲激光(1)的中心波长。

3、根据权利要求1所述的反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，其特征在于所述的小角度α≤2°。

4、根据权利要求1所述的反射式达曼光栅的超短激光脉冲测量装置，其特征在于所述的第二反射式1×2达曼光栅(32)和第三反射式1×2达曼光栅(33)与第一反射式1×2达曼光栅(31)之间的距离L应保证由第一反射式1×2达曼光栅(31)产生的+1级光束和-1级光束能够在空间上分离。

Images