CN103984114A - 小型倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种小型化倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置，其特点在于该压缩装置由两平行、光栅相对放置的第一光栅和第二光栅构成光栅对，第一光栅为透射式矩形光栅，第二光栅为反射式矩形光栅，光栅对的周期在波长量级，且第二光栅的线密度是第一光栅的线密度的2倍，第二光栅位于第一光栅的负一级衍射光的光路上。待压缩飞秒脉冲光垂直入射至第一光栅背面，经过第二光栅反射沿原路返回。本发明采用高密度光栅，两光栅对之间距离很小就能补偿很大的色散量，这种装置具有结构小巧，材料色散小，重量轻，输出脉冲无光谱空间走离和无角色散，宽光谱特性等优点。用于飞秒腔内压缩，可使谐振腔结构紧凑。

Description

小型倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置

技术领域

本发明涉及飞秒脉冲压缩，特别是一种小型倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置选。

背景技术

飞秒脉冲峰值功率高、持续时间短。因此在物理、化学、生物、微制造以及微加工方面有广泛应用。

钛宝石飞秒激光器谐振腔中产生的脉冲由于腔内增益介质等材料的色散带有正啁啾。为补偿材料色散来压缩脉冲，一般要引入负色散元件。常用的负色散元件有啁啾镜、棱镜对和光栅对。由于啁啾镜价格昂贵，故一般都采用棱镜对来进行色散补偿。棱镜对具有能量损耗低的优点，但是棱镜引起的角色散还引起频谱空间走离效应，这使得输出脉冲光斑大小畸变、脉冲倾斜、波前畸变等一系列变化，这往往是不利于脉冲的产生和控制的。并且由于棱镜的角色散量比较小。为了补偿腔内材料色散，棱镜对之间距离一般会很大，必须使用多个反射镜才能使光路紧凑，这样使得光路十分复杂，体积庞大，占用空间大且不易调节。

在技术1[E.B.Treacy，IEEE.J.Quantum.Electron.QE-5,454-458(1969)]和技术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5[周常河，贾伟飞秒脉冲压缩装置，发明专利，公开号：CN101187770]提出利用高密度光栅接反射镜结构实现对飞秒脉冲的压缩。

在先技术3考虑的是利用低密度光栅实现飞秒脉冲压缩，它们的缺点是能量利用率低，色散量较小，装置结构大。在先技术5利用高密度透射式光栅接反射镜来进行飞秒压缩占用空间位置大，结构复杂。

与在先技术4倍密度光栅相比，本发明提出利用高密度光栅组成倍密度光栅对结构进行脉冲压缩，其中，第二光栅(2)的密度是第一个光栅(1)密度的2倍。第一个光栅(1)为透射式矩形光栅，第二个光栅(2)为反射式矩形光栅。光栅对间距很短就能产生很大的色散量，并且进入第二光栅(2)的脉冲将沿原路返回，整个光路结构简单紧凑。采用的高密度光栅衍射效率较高且具有宽光谱特性，引入的色散量大，并且由于采用透射+反射式光栅对结构对光束无阻挡。该发明装置既可用于腔内压缩，又可用于腔外压缩。在腔内进行压缩时，可使激光腔结构紧凑。

发明内容

本发明提出一种小型化倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置，该飞秒压缩装置具有结构简单紧凑、效率高、宽光谱、脉冲无光谱空间走离等优点。

本发明技术解决方案为：

一种小型化倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置，其特点在于该压缩装置由两平行、光栅相对放置的第一光栅和第二光栅构成光栅对，第一光栅为透射式矩形光栅，第二光栅为反射式矩形光栅，光栅对的周期在波长量级，且第二光栅的线密度是第一光栅的线密度的2倍，待压缩飞秒脉冲从第一光栅的背面垂直入射并满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_1}$

经第一光栅衍射后的负一级衍射光入射至第二光栅满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_2}$

其中，θ₁为第一光栅的负一级衍射角，θ₂为第二光栅的负一级衍射角，d₁为第一光栅的周期，d₂为第二光栅的周期，且θ₁＝θ₂。

本发明的技术效果如下：

本发明装置使用倍密度深刻蚀光栅，不需使用反射镜，使得压缩装置结构极为小巧，因为深刻蚀光栅是二元光学元件，制作比较容易。和以往的低密度光栅有所不同，由于光栅对之间的距离非常小，通常在毫米量级就可以提供以往棱镜对几百毫米的负色散量。产生的压缩脉冲无光谱空间走离且有宽的光谱特性等优点。

附图说明

图1为本发明飞秒脉冲压缩装置的结构示意图。

图2正啁啾脉冲入射下，输出脉冲宽度随光栅对垂直间距的变化。入射脉冲中心波长为800nm，脉宽为89fs，啁啾量为3.13×10^-4rad/fs²，第一光栅1为透射式光栅，线密度为890线/毫米，光栅对之间的距离为0.3毫米可使压缩脉冲最短。

图3为压缩前后脉冲宽度的时间曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明小型化倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置，由两平行、光栅相对放置的第一光栅1和第二光栅2构成光栅对，第一光栅1为透射式矩形光栅，第二光栅2为反射式矩形光栅，光栅对的周期在波长量级，且第二光栅2的线密度是第一光栅1的线密度的2倍，待压缩飞秒脉冲从第一光栅1的背面垂直入射并满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_1}$

经第一光栅1衍射后的负一级衍射光入射至第二光栅2满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_2}$

其中，θ₁为第一光栅1的负一级衍射角，θ₂为第二光栅2的负一级衍射角，d₁为第一光栅1的周期，d₂为第二光栅2的周期，且θ₁＝θ₂。

待压缩的飞秒脉冲垂直入射到透射式第一光栅1，其负一级衍射光经反射式第二光栅2衍射，最后经过第二光栅1原路返回。由于选用的是高密度光栅，故光栅对之间的距离在毫米量级就能满足色散补偿。

光栅对垂直间距为D，为使出射和入射脉冲分开，可使入射光束沿光栅凹槽方向偏转一个小角度，从而使第一光栅1表面上输入光斑和输出光斑分开。

根据光栅方程，垂直入射情形下，衍射光的衍射角θi分别满足：

sinθ₁＝λ/d₁，sinθ₁+sinθ₂＝λ/d₂

根据光栅密度关系：1/d₂＝2/d₁得θ₁＝θ₂，垂直入射情形下，所有衍射光取负一级衍射的情形下，光束将严格原路返回。

在先技术2[O.E.Martinez，J.Opt.Soc.Am.B.3,929-934(1986)]和先技术5[JangjunZheng，ChangheZhou，EnwenDai，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，且为高斯光束

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

其中b为啁啾因子，且为正。τ为入射脉冲的半高全宽(FWHM)，q(z)为高斯光束的复参数:z是光束位置到束腰的距离，σ是束腰半径。当光束经过此光栅对装置后得到的脉冲频域的表达式为：

$\begin{array}{c}{E}_0(x,y,\mathrm{\ω})\∝E_i\left(\mathrm{\ω}\right)\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}^{2}z\right)\\ \×\exp (-i\frac{k}{2}\frac{y^2}{q(d+2z)})\×\exp (-i\frac{k}{2}\frac{1}{q(d+2{\mathrm{\α}}^{2}z)}{x}^2)\end{array}$

其中，E_i(ω)是入射脉冲频谱，ω为频率同脉冲中心频率的差，β和ɑ均来自于小角度近似：Δθ＝αΔγ+βω

其中， $\mathrm{\α}=-\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos {\mathrm{\θ}}_0},\mathrm{\β}=\frac{{-\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\π}\mathrm{cd}\cos \mathrm{\θ}}$ 垂直入射下α²＝1

$E_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\exp (-\frac{\ln 2{\mathrm{\τ}}^2{\mathrm{\ω}}^2}{8{\left(\ln 2\right)}^2+{2b}^2{\mathrm{\τ}}^4})\exp (-i\frac{b{\mathrm{\τ}}^4{\mathrm{\ω}}^2}{{\left(4\ln 2\right)}^2+{\left(2b{\mathrm{\τ}}^2\right)}^2})$

上式中无频率跟空间项的耦合，这说明输出脉冲无空间啁啾和角色散，脉宽不随传输的距离改变，空间传输遵从高斯光束的性质。根据傅里叶变换，将得到脉冲时域的分布也不存在时间项和空间项的耦合，即不存在脉冲倾斜等畸变，光束的质量优良。

通过傅里叶变换可以得到压缩后脉冲的半高全宽为：

${\mathrm{\τ}}_0=\mathrm{\τ}{[{(1-\frac{2b{{\mathrm{\λ}}_0}^3{d}_1}{\mathrm{\π}{c}^2{({d_1}^2-{{\mathrm{\λ}}_0}^2)}^{\frac{3}{2}}}D)}^2+\frac{16{\left(\ln 2\right)}^2{{\mathrm{\λ}}_0}^6{d_1}^2{D}^2}{{\mathrm{\π}}^2{c}^4{({d_1}^2-{{\mathrm{\λ}}_0}^2)}^3{\mathrm{\τ}}^4}]}^{1/2}$

其中， ${\mathrm{\τ}}_{\min }=\mathrm{\τ}\sqrt{\frac{4{\left(\ln 2\right)}^2}{b^2{\mathrm{\τ}}^4+4{\left(\ln 2\right)}^2}}=2\ln 2\mathrm{\τ}\sqrt{\frac{1}{b^2{\mathrm{\τ}}^4+4{\left(\ln 2\right)}^2}}$

此时必须满足的条件是 $D=\frac{\mathrm{\π}{c}^2{\mathrm{\τ}}^{4}b{({d_1}^2-{{\mathrm{\λ}}_0}^2)}^{3/2}}{2{{\mathrm{\λ}}_0}^3{d}_1[b^2{\mathrm{\τ}}^4+4{\left(\ln 2\right)}^2]},$ 得到的压缩效果最接近傅里叶变换极限。

高密度光栅对输入的超短脉冲影响随光栅距离变化比较敏感。光栅对所产生的色散量(B)取决于光栅的传输距离z和所选用的光栅线密度，B正比于光栅线密度的平方和传输距离的积，随光栅密度的改变更快，因为光栅选用高密度光栅，其在1mm的距离上就能产生很高的色散量，且引入的负群速色散随距离变化就快，故高密度光栅可补偿带有很高的啁啾量的入射脉冲，压缩效果更明显。

根据理论模拟结果可以看出，输入脉宽89fs，时域啁啾为3.13*10^-4rad/fs²波长为800nm，第一光栅1的线密度为890线/毫米，第二光栅2的线密度为1780线/毫米，经过此光栅对压缩装置之后输出脉宽最短约为44fs，被压缩至原始脉冲宽度的50％。此时两光栅对之间的垂直距离为0.3mm，压缩效果非常明显。而在先技术4中采用低光栅对线密度50线/毫米时两光栅间距约为200mm压缩量达到最小。从而验证了此高密度透射式+反射式矩形光栅对压缩装置的优越性。

本发明压缩装置紧凑小巧，效率极高，且不需要反射镜，可产生高质量的无空间啁啾，无角色散的压缩飞秒脉冲。本发明装置可以替代棱镜对，用于腔内腔外压缩，从而减小谐振腔的体积，容易操作。具有很好的使用价值。

Claims (1)

1.一种小型化倍密度光栅对飞秒脉冲压缩装置，其特征在于该压缩装置由两平行光栅相对放置的第一光栅(1)和第二光栅(2)构成光栅对，第一光栅(1)为透射式矩形光栅，第二光栅(2)为反射式矩形光栅，光栅对的周期在波长量级，且第二光栅(2)的线密度是第一光栅(1)的线密度的2倍，待压缩飞秒脉冲从第一光栅(1)的背面垂直入射并满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_1}$

经第一光栅(1)衍射后的负一级衍射光入射至第二光栅(2)满足光栅方程：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_2}$

其中，θ₁为第一光栅(1)的负一级衍射角，θ₂为第二光栅(2)的负一级衍射角，d₁为第一光栅(1)的周期，d₂为第二光栅(2)的周期，且θ₁＝θ₂。