CN201107474Y - 飞秒脉冲压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种飞秒脉冲压缩装置，其构成包括两个平行放置的第一光栅和第二光栅，该两块光栅具有光栅条纹的一面位于光栅对的内侧，所述的第一光栅和第二光栅均为结构相同的周期为d的亚波长深刻蚀透射式光栅，所述的第二光栅位于第一光栅透射负一级衍射级次方向上，待压缩的飞秒激光脉冲以Bragg角θ入射到第一光栅并满足光栅方程：sinθ＝λ₀/2d，其中：θ为入射角，λ₀为飞秒激光脉冲的中心波长。本实用新型利用亚波长深刻蚀透射式光栅构成的飞秒脉冲压缩装置飞秒脉冲压缩装置应具有结构紧凑，效率高的特点。

Description

飞秒脉冲压缩装置

技术领域

本实用新型涉及飞秒激光脉冲，特别是一种利用高效率亚波长深刻蚀透射式光栅构成的飞秒脉冲压缩装置。

技术背景

飞秒激光脉冲具有峰值功率高和持续时间短等优点，因此在物理、生物、化学以及微制造和微加工方面有广泛的应用。

通常情况下，飞秒谐振腔中产生的激光脉冲由于腔内增益介质等材料的色散，因而带有正啁啾。为了补偿材料色散的影响，达到压缩脉冲的目的，一般会在腔内和腔外插入负色散元件。目前棱镜对是最广泛使用的色散补偿元件，它具有能量损耗低的优点，但是由于棱镜的角色散比较小，因此为了补偿腔内材料色散，棱镜对之间的距离一般会很大，必须使用多个反射镜才能使光路紧凑，这样光路就复杂，空间结构庞大而不易调节。

在先技术1[E.B.Treacy，IEEE J.Quantum Electron.QE-5，454-458(1969)]和在先技术2[O.E.Martinez，J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]中提出了使用反射式全息光栅对进行脉冲压缩的方法。在先技术3[周常河，白冰，利用达曼光栅对产生多脉冲的装置，发明专利，公开号：CN1786750]采用低密度光栅对再接反射镜的结构，实现对飞秒脉冲的共线分束及压缩。在先技术4[周常河，郑将军，飞秒脉冲压缩装置，发明专利，公开号：CN200959058]提出利用倍密度光栅对进行飞秒脉冲压缩，从而进一步简化了装置。

在先技术3、4考虑的是利用低密度光栅实现飞秒脉冲压缩，它们的缺点就是能量利用率低，装置结构大。

高密度光栅由于能够产生很大的角色散，因此作为展宽器和压缩器，被广泛应用于啁啾脉冲放大(CPA)系统中，以往所采用的光栅一般是反射式全息光栅。由于飞秒激光谐振腔内的材料色散比较小，高密度光栅对之间的距离会非常小，光束的通光口径受到限制，这使得反射式光栅结构在实际应用中存在非常大的技术难度。而使用透射式光栅结构就会使问题较易解决。但如果使用透射式全息光栅，首先不能保证-1级衍射级次的高效率，其次质量良好的透射全息光栅很难制作，这就是本实用新型要解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的为了克服上述现有技术的困难，提供一种飞秒脉冲压缩装置，该飞秒脉冲压缩装置应具有结构紧凑，效率高的特点。

本实用新型的技术构思是：利用亚波长深刻蚀透射式光栅的高效率和大色散能力构成一种新的飞秒脉冲压缩装置，达到结构紧凑，效率高的目的。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种飞秒脉冲压缩装置，其构成包括两个平行放置的第一光栅和第二光栅，该两块光栅具有光栅条纹的一面位于光栅对的内侧，所述的第一光栅和第二光栅均为结构相同的周期为d的亚波长深刻蚀透射式光栅，所述的第二光栅位于第一光栅透射负一级衍射级次方向上，待压缩的飞秒激光脉冲以Bragg角θ入射到第一光栅并满足光栅方程：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2d}$

其中：θ为入射角，λ₀为飞秒激光脉冲的中心波长。

所述光栅的周期d满足：

${\mathrm{\&lambda;}}_0<d<\frac{1}{2}{\mathrm{\&lambda;}}_0$

在所述的第二光栅透射负一级衍射级次方向上并与该衍射方向垂直地设置第一反射镜，该第一反射镜可沿竖直方向转动一个小于5°的角度。

经所述的第一反射镜返回并从所述的第一光栅输出的光路上设有第二反射镜。

本实用新型的技术效果：

本实用新型装置通过选择合适线密度的亚波长光栅，因为亚波长深刻蚀光栅是二元光学元件，制作比较容易，通过对深度、周期等参数的优化得到高效率，这和以往的全息光栅在衍射机制上是不同的。由于亚波长光栅对之间的距离非常小，通常小于一个毫米，就可以提供以往棱镜对的负色散量，因此这种压缩装置结构极为小巧，而通过对光栅密度，刻蚀深度以及占空比的优化可以使亚波长深刻蚀光栅效率提高到95％以上。

附图说明

图1是本实用新型装置实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型装置实施例2的结构俯视示意图。

图3是本实用新型装置实施例2的结构侧视示意图。

图4是本实用新型实施例的实验测量时谱图。

图5是本实用新型实施例的振幅-时间曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型装置作进一步的说明。

先参阅图1，由图可见，本实用新型利用亚波长深刻蚀透射式光栅实现飞秒脉冲压缩的装置，包括第一光栅1和第二光栅2。所述两光栅为亚波长深刻蚀透射式光栅，两光栅线密度相等。所述的两块光栅平行放置，且具有光栅条纹的一面位于光栅对的内侧。移动所述的第二光栅2以调节两光栅的间距，可以满足不同色散量的飞秒脉冲的压缩。

待压缩的飞秒脉冲以Bragg角入射到第一光栅1，并满足光栅方程：

$\sin \mathrm{\&theta;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2d}$

其中θ为入射角，λ₀为飞秒脉冲的中心波长。所述的第二光栅2位于第一光栅1透射负一级衍射级次方向上。如果对于飞秒脉冲的空间频谱走离要求不高时，飞秒激光脉冲只经过一次本实用新型装置就可以得到接近变换极限的飞秒脉冲。

图2和图3是本实用新型装置实施例2的结构示意图，本实施例由第一光栅1、第二光栅2、第一反射镜3和第二反射镜4构成，第一光栅1和第二光栅2亚波长深刻蚀透射式光栅，两光栅线密度相等，周期为d，所述的两块光栅平行放置，且具有光栅条纹的一面位于光栅对的内侧，所述的第二光栅2位于第一光栅1透射负一级衍射级次方向上，在所述的第二光栅2透射负一级衍射级次方向上并与该衍射方向垂直地设置第一反射镜3，该第一反射镜3可沿竖直方向转动一个小于5°的角度。经所述的第一反射镜3返回并从所述的第一光栅1输出的光路上设有第二反射镜4。

待压缩的飞秒激光脉冲以Bragg角θ入射到第一光栅并满足光栅方程：

$\sin \mathrm{\&theta;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2d}$

其中：θ为入射角，λ₀为飞秒激光脉冲的中心波长。

所述光栅的周期d满足：

${\mathrm{\&lambda;}}_0<d<\frac{1}{2}{\mathrm{\&lambda;}}_0$

由于飞秒脉冲的宽谱特点，入射脉冲经过第一光栅1后会产生不同方向的衍射，即角色散。通过第二光栅2，角色散得到补偿，并引入了负群速色散效应，但是仍然存在空间啁啾的影响。为了消除空间啁啾，出射脉冲经第一反射镜3反射后按原路返回，从而实现脉冲压缩，同时弥补了空间啁啾和角色散的影响。

所述的将输出光与输入光分开的机构是在沿入射光线方向上，将第一反射镜3沿竖直方向轻微转动一个角度(小于5度)，就可以使得出射光与入射光分离，从所述的第二反射镜4得到输出脉冲。

在先技术2[O.E.Martinez，J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]和在先技术5[Jiangjun Zheng，Changhe Zhou，Enwen Dai，J.Opt.Soc.Am.B.24，979-984(2007)]对有限束径超短脉冲光的压缩进行了理论分析和实验研究。考虑待压缩脉冲具有正的线性啁啾，表示为：

$E_i(x,y,t)=\exp (-\frac{2\ln 2t^2}{{\mathrm{\&tau;}}^2})\exp \left({\mathrm{ibt}}^2\right)\exp (-i\frac{k(x^2+y^2)}{2q\left(z\right)})$

其中b＞0，τ为入射脉冲的半高全宽(FWHM)，q(z)为高斯光束的复参数：

$q\left(z\right)=z+i\frac{{\mathrm{\&pi;\&sigma;}}^2}{\mathrm{\&lambda;}}$

z是光束位置到束腰的距离，σ是束腰半径。当光束经过本压缩装置(图1)后，得到的脉冲频谱表示为：

$E_o(x,y,\mathrm{\&omega;})\&Proportional;E_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\&beta;}}^2{\mathrm{\&omega;}}^{2}z\right)$

$\&times;\exp \left\{\frac{-\mathrm{ik}}{2}\right[\frac{x^2}{q(d^{\&prime;}+z_1+z_2+2z)}+\frac{y^2}{q(d^{\&prime;}+z_1+z_2+2z)}\left]\right\}$

其中E_o，E_i分别是出射脉冲和入射脉冲的谱域表示。z是脉冲光在光栅对之间所走过的距离，参数β表示为：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{-{\mathrm{\&lambda;}}^2}{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{cd}\cos \mathrm{\&theta;}}$

通过傅立叶变换可以得到压缩后脉冲的半高全宽为：

${\mathrm{\&tau;}}_o=\mathrm{\&tau;}\sqrt{{(1-4\mathrm{bk}{\mathrm{\&beta;}}^{2}z)}^2+\frac{{(8\ln 2\&times;k{\mathrm{\&beta;}}^{2}z)}^2}{{\mathrm{\&tau;}}^4}}$

调整光栅对的间距，可以使带有正啁啾的脉冲压缩到傅立叶变换极限，即：

${\mathrm{\&tau;}}_{o\min }=\mathrm{\&tau;}\sqrt{1/[1+{(b{\mathrm{\&tau;}}^2/2\ln 2)}^2]}$

在以图1所示的实施例中，与实施例2相比，去掉了第一反射镜3和第二反射镜4，因此待压缩脉冲只单向经过该压缩装置，如果对飞秒脉冲的空间谱分离要求不高，仍然可以实现明显的压缩效果。

参考在先技术2[O.E.Martinez，J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]得到，当飞秒脉冲在光栅对之间走过的距离满足：

$z=\frac{b{\mathrm{\&tau;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_{o\min }^2}{8{\ln }^{2}2k{\mathrm{\&beta;}}^2}$

得到的压缩效果最接近傅立叶变换极限，此时的压缩脉宽为：

${\mathrm{\&tau;}}_o^{\&prime;}={\mathrm{\&tau;}}_{o\min }{(1+\frac{8\ln 2{\mathrm{\&beta;}}^2{z}^2}{{{\mathrm{\&tau;}}^2}_{o\min }{\mathrm{\&sigma;}}^2})}^{1/2}$

一般情况下，式中β和极限脉冲宽度相比很小，因此光谱空间走离的影响非常小，可以忽略。

在实施例中，我们所用光栅的周期为经过严格耦合波理论计算得到的优化值，根据严格耦合波理论，光栅周期在低于入射波长的很大范围内，通过对刻蚀深度等参数的优化，可以在入射脉冲中心波长为800nm的极宽光谱范围内达到高效率，这是低密度光栅和以往全息光栅无法比拟的优点。

制作过程为全息曝光石英铬片，然后用感应耦合等离子体刻蚀的方法得到深度一定，表面形貌良好的亚波长深刻蚀透射式光栅。通过控制刻蚀速度和刻蚀时间，可以得到效率高达95％以上的光栅(参考在先技术6[Shunquan Wang，Changhe Zhou，Yanyan Zhang，Huayi Ru.App.Opt.，45，2567～257(2006)])。

实验中以coherent公司的掺钛兰宝石(Ti：Sapphire)激光谐振腔出射的飞秒激光脉冲作为待压缩脉冲，经过如图1所示的结构后，得到压缩脉冲。初始脉冲和压缩后的脉冲均由标准的FROG装置进行测量(参考在先技术7[RickTrebino，“Frequency-Resolved Optical Gating：The Measurement of UltrashortLaser Pulsed，”Kluwer Academic Publishers，(2002)])，结果示于图4，图4(1)和图4(2)分别给出了脉冲压缩前后的时谱图，图5给出的是压缩前后脉冲宽度的时间曲线。

由FROG装置测量得到，输入脉冲宽度(FWHM)为73.9fs(飞秒)，谱宽约21.8nm，调节第二光栅2与第一光栅1的间距，使输入脉冲的群速色散基本得到补偿，测量输出脉冲宽度为43.2fs，与理论计算的42.6fs很接近。此时第二光栅2和第一光栅1之间的距离约0.8mm。

本实用新型首次提出使用亚波长深刻蚀透射式光栅实现飞秒脉冲的压缩，使得压缩装置极其小巧，效率非常高，同时深刻蚀亚波长光栅具有在宽的光谱范围内高效率特性，这一点是以往的高密度全息光栅所不具有的，本实用新型装置可以替代棱镜对，用于腔内腔外压缩，从而大大缩小激光器的体积，因此具有广阔的商用化前景。

Claims (4)

1、一种飞秒脉冲压缩装置，特征在于其构成包括两个平行放置的第一光栅(1)和第二光栅(2)，该两块光栅具有光栅条纹的一面位于光栅对的内侧，所述的第二光栅(2)位于第一光栅(1)透射负一级衍射级次方向上，所述的第一光栅(1)和第二光栅(2)均为结构相同的周期为d的亚波长深刻蚀透射式光栅，待压缩的飞秒激光脉冲以Bragg角θ入射到第一光栅(1)并满足光栅方程：

$\sin \mathrm{\&theta;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2d}$

其中：θ为入射角，λ₀为飞秒激光脉冲的中心波长。

2、根据权利要求1所述的飞秒脉冲压缩装置，其特征在于所述光栅的周期d满足：

${\mathrm{\&lambda;}}_0<d<\frac{1}{2}{\mathrm{\&lambda;}}_0$

3、根据权利要求1所述的飞秒脉冲压缩装置，其特征是在所述的第二光栅(2)透射负一级衍射级次方向上并与该衍射方向垂直地设置第一反射镜(3)，该第一反射镜(3)可沿竖直方向转动一个小于5°的角度。

4、根据权利要求3所述的飞秒脉冲压缩装置，其特征是经所述的第一反射镜(3)返回并从所述的第一光栅(！)输出的光路上设有第二反射镜(4)。

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