CN2837804Y - 超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，包括分束器、计算机控制的微动台、透镜、非线性晶体、光阑和光谱仪，其特征在于所述的分束器是由第一1×2反射式达曼光栅、第二1×2反射式达曼光栅和第三1×2反射式达曼光栅立体配置而构成的反射式达曼光栅分束器，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。本实用新型具有结构紧凑，光路调节方便、易加工、成本低等优点。

Description

超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置

技术领域

本实用新型涉及超短激光脉冲，特别是一种超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，它是一种采用反射式达曼(Dammann)光栅的单发频率分辨光学开关法的超短脉冲测量装置，该装置为双层三光栅结构，其中一个光栅作为移动臂。

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激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，FROG)[参见在先技术1“Frequency-Resolved optical Gating：The Measurement ofUltrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002 Kluwer AcademicPublishers]和光谱位相相干电场重构法(spectral phaseinterferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)[参见在先技术2“Spectral phase interferometryfor directelectric-field reconstructionof ultrashort optical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue 10 1998]都是目前采用较多的两种方法。

频率分辨光学开关法测量装置基本结构是将飞秒脉冲通过半透半反的分束镜使之分成两束光，一束光作为探测脉冲，另一束光作为开关脉冲。然后将两束脉冲光以一定角度聚焦到非线性晶体上，产生频率转换，改变开关脉冲光的光程并利用光谱仪测量对应的频率转换光，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。

图1是频率分辨光学开关法的标准测量装置，该装置采用了半透半反的光分束器1。飞秒激光脉冲特别是非常短的脉冲具有很宽的频谱，因此理想的分束器应当具有如下性质：

1.分束器的反射膜对宽光谱具有平坦的反射率。

2.分束器对透射光的时域展宽尽量小，吸收尽量小。

3.分束器的反射率跟入射光的偏振状态无关。

但事实上目前的分束器很难达到上述要求，例如，对于20飞秒以下超短脉冲，为了减小对透射光的时域展宽，要求反射镜片厚度不超过50微米，而且要保证表面平整度和基底强度，这是比较难加工的。另外，具有宽光谱的半透半反的膜层也很难镀制，成本也很高。

另外频率分辨光学开关法测量方法需要保证两个脉冲具有相同的光程，由图1可以看出使用的反射镜较多，这也增加了光路调节的难度。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，应具有能消除基底介质对飞秒脉冲的展宽，加工方便、结构紧凑、光路调节方便和成本低的优点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，包括分束器、计算机控制的微动台、透镜、非线性晶体、光阑和光谱仪，其特征在于所述的分束器是由第一1×2反射式达曼光栅、第二1×2反射式达曼光栅和第三1×2反射式达曼光栅立体配置而构成的反射式达曼光栅分束器，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，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入射到周期为d，深度为λ_c/4的第一反射式1×2达曼光栅上，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级平行地入射到透镜，会聚于非线性晶体，通过光阑被光谱仪接收。

所述的小角度小于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。

本实用新型的技术效果如下：

1、本实用新型装置的核心是采用三块达曼光栅，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。

2、由于采用反射式达曼光栅代替分束镜，可消除分束镜基底介质对飞秒脉冲的展宽，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。

附图说明

图1：现有的标准的超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置结构示意图。

图2为本实用新型超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置结构俯视示意图。

图3为图2测量装置示侧视图。

图4：根据本实用新型实验获得的FROG图谱解算出的脉冲的振幅和位相。

图其中：1-分束器；2-微动台；3-直角锥反射镜；4为直角锥反镜；5为反射镜；6为透镜；7为非线性晶体；8为光阑；9为光谱仪；11-第一1×2反射式达曼光栅；12-第二1×2反射式达曼光栅；13-第三1×2反射式达曼光栅；2-计算机控制的微动台；31-第一遮光板；32-第二遮光板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

先请参阅图2和图3，本实用新型超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，包括分束器1、计算机控制的微动台2、透镜6、非线性晶体7、光阑8和光谱仪9，其特征在于所述的分束器1是由第一1×2反射式达曼光栅11、第二1×2反射式达曼光栅12和第三1×2反射式达曼光栅13立体配置而构成的反射式达曼光栅分束器，所述的第二1×2反射式达曼光栅12置于计算机控制的微动台2上，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于2°的小角度入射到周期为d，深度为λ_c/4的第一反射式1×2达曼光栅11上，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12和第三反射式1×2达曼光栅13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12衍射的P+1级光束被第一挡板31遮住，第三反射式1×2达曼光栅13所衍射的G-1级光被第二挡板32遮住，而第二反射式1×2达曼光栅12衍射的P-1级光束和第三反射式1×2达曼光栅13所衍射的G光+1级平行地入射到透镜6，会聚于非线性晶体7，通过光阑8被光谱仪9接收。

对本实用新型装置的技术效果分析如下：

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.26 1995]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％。

本实用新型超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置结构示意的俯视图和侧视图分别如图2、图3所示，一束中心波长为λ_c，宽度为τ₀的飞秒脉冲光在竖直平面内以一个小角度(小于2度)入射到周期为d，深度为λ_c/4的第一反射式1×2达曼光栅11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距离L处并且被在同一平面的第二反射式1×2达曼光栅12和第三反射式1×2达曼光栅13所衍射，分别产生两束光，利用第一挡板31和第二挡板32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光是平行且等光程的。另外根据[在先技术4 Guowei Li，Changhe Zhou，and Enwen Dai，“Splitting of femtosecond laser pulses by usinga 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。

达曼光栅12固定在计算机控制的微动台上2，微动台2可以调节第二反射式1×2达曼光栅12的位置，从而可以改变两个脉冲的光程差。两束光被透镜6聚焦在非线性晶体7中产生信号光，信号光通过遮光板8被光谱仪9接收产生频率分辨，利用微动台2改变光程实现光学开关，即可得到FROG图谱。

综上所述，本实用新型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。

利用周期d＝100μm表面镀金的反射式达曼光栅的二次谐波FROG法测量。

考虑超短脉冲中心波长λ_c＝818nm时域宽度77飞秒的情况。根据公式(1)可以求出，两束反射光的夹角θ为1.4724°，光栅的深度为λ/4＝0.2045μm时，反射光的中心波长衍射效率最大。L＝300mm时根据公式(3)可以得到77.004飞秒。BBO晶体具有很高的二次谐波转换效率，可以测量较弱的飞秒脉冲光，因此非线性晶体7采用BBO作为频率上转换晶体。通过计算机控制的微动台2改变光程并用光谱仪9测量和频光得到FROG图谱。将所获得的FROG图谱并利用在先技术1解算出的脉冲的振幅和位相，如图4所示。具体实验结果如下：

            时域半高全宽       谱宽             误差

达曼FROG    77.3fs             19.54nm          0.00094

标准FROG    77.1fs             19.42nm          0.00188

可以看出在λ_c＝818nm，谱宽20nm范围内达曼FROG与标准FROG具有非常接近的测量结果，证明了该装置在此光谱范围的有效性，由于金的反射率在很宽的光谱范围内都具有平坦的反射率，因此可以保证该装置对其他光谱范围仍然是有效的。

Claims (3)

1、一种超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，包括分束器(1)、计算机控制的微动台(2)、透镜(6)、非线性晶体(7)、光阑(8)和光谱仪(9)，其特征在于所述的分束器(1)是由第一1×2反射式达曼光栅(11)、第二1×2反射式达曼光栅(12)和第三1×2反射式达曼光栅(13)立体配置而构成的反射式达曼光栅分束器，所述的第二1×2反射式达曼光栅(12)置于计算机控制的微动台(2)上，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入射到周期为d，深度为λ_c/4的第一反射式1×2达曼光栅(11)上，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(12)和第三反射式1×2达曼光栅(13)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(12)衍射的P+1级光束被第一挡板(31)遮住，第三反射式1×2达曼光栅(13)所衍射的G-1级光被第二挡板(32)遮住，而第二反射式1×2达曼光栅(12)衍射的P-1级光束和第三反射式1×2达曼光栅(13)所衍射的G光+1级平行地入射到透镜(6)，会聚于非线性晶体(7)，通过光阑(8)被光谱仪(9)接收。

2、根据权利要求1所述的超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，其特征在于所述的小角度小于2°。

3、根据权利要求1所述的超短脉冲频率分辨光学开关法测量装置，其特征在于所述的第二反射式1×2达曼光栅(12)和第三反射式1×2达曼光栅(13)与第一反射式1×2达曼光栅(11)的距离L应保证由第一反射式1×2达曼光栅(11)产生的+1级光和-1级光能够在空间上分离。

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