CN104570379B - 一种反射型光栅对脉宽展宽器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反射型光栅对脉宽展宽器，包括：激光脉冲导入单元；激光脉冲导出单元；光栅对脉冲展宽单元，包括旋转平台、设置在旋转平台上的二维平移台和第一光栅、设置在二维平移台上并与第一光栅平行的第二光栅、以及设置在旋转平台一侧的后向反射镜，以使入射的激光脉冲经激光脉冲导入单元入射至第一光栅后，经第一光栅衍射至第二光栅，经第二光栅衍射至后向反射镜，经后向反射镜改变高度后反射回第二光栅，再经第二光栅衍射至第一光栅后，经第一光栅衍射至激光脉冲导出单元；以及连接至旋转平台和二维平移台的控制单元。本发明适用的波长范围广，可连续展宽激光脉冲长度，操作简单方便，大大扩展了一般商用化光脉冲展宽器的功能和适用范围。

Description

一种反射型光栅对脉宽展宽器

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，尤其涉及一种反射型光栅对脉宽展宽器。

背景技术

随着激光技术的发展，许多与激光相关的研究与应用进入了飞速发展阶段。其中，啁啾脉冲放大技术(chirped-pulse amplification，简称CPA)的研究取得了惊人的成果，其输出的峰值功率高达太瓦量级(Tera瓦，10¹²瓦)，并且向派瓦量级(Peta瓦，10¹⁵瓦)的推进已获得突破。这是近年来激光技术领域最令人瞩目的成就之一，在科学和技术的广阔领域已显示出诱人的应用前景。从激光诞生的第一天起，获得更窄脉冲宽度、更高峰值功率的激光脉冲一直是激光技术领域研究人员的努力方向，超短脉冲的实现需要通过宽阔的激光辐射光谱，并通过色散补偿使其脉冲长度接近并达到傅里叶变换极限。啁啾脉冲放大技术是迄今实现傅立叶变换极限高能量激光脉冲最成功的技术方案。

啁啾脉冲放大技术的基本思想在于：为了有效地从固体激光放大介质中获取能量，同时又避免非线性效应(例如自聚焦)和对光学元件的阈值损伤。在脉冲被放大之前，即将其在时域内展宽，展宽的啁啾脉冲在放大之后，再被压缩至其傅里叶变换极限，从而获得超快高能量的激光脉冲，其峰值功率可以比放大之前高6-7个数量级。其中超快脉冲的展宽/压缩技术是CPA取得成功的至关重要的因素。

目前，常用的光学脉冲展宽方法有光纤法、分光镜法、棱镜法和光栅法。其中，光纤法缺少灵活性，一旦做成，展宽倍数便无法改变；分光镜法对偏振态有特殊要求的场合则不宜采用；棱镜法由于材料和结构限制一般只能展宽到几皮秒，而且需要巨大的空间；光栅法利用光栅的分光作用产生的色散特性可将激光的脉冲展宽到几十个皮秒甚至几百皮秒，对飞秒级的脉冲展宽是非常适宜的。因此，光栅法的应用更为广泛，其工作原理是利用光栅产生的色散作用，造成不同频率(或颜色)的光在空间中传输一定距离后，不同颜色的光经过了不同的距离。如，负色散时，激光脉冲所对应的光谱中波长较长的部分(如红光)将比波长较短的部分(如蓝光)经过的距离要长；而正色散时，情况则相反，蓝光将比红光通过更长的距离。色散的作用使得初始的短脉冲在其传输方向上拉长，从而实现其在时域持续时间的展宽。

传统的光栅展宽器如专利CN201210357163所示，其一般具有固定的结构，只适用于特定的波长范围，而且受限于结构布局，对脉冲啁啾展宽调节范围有限，即，无法从亚皮秒至几百个皮秒连续可调以满足各个领域对飞秒激光脉冲的使用要求，因此具有较大的局限性。

发明内容

针对现有激光脉冲展宽技术中存在的局限和不足，本发明的目的在于提供一种工作波长范围广、展宽倍数可调、展宽倍数大的反射型光栅对脉冲展宽器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种反射型光栅对脉宽展宽器，包括：

一激光脉冲导入单元；

一激光脉冲导出单元；

一光栅对脉冲展宽单元，其包括旋转平台、设置在所述旋转平台上的二维平移台和第一光栅、设置在所述二维平移台上并与所述第一光栅平行的第二光栅、以及设置在所述旋转平台的远离所述激光脉冲导入单元一侧的后向反射镜，以使入射的激光脉冲经所述激光脉冲导入单元入射至所述第一光栅后，经所述第一光栅衍射至所述第二光栅，经所述第二光栅衍射至所述后向反射镜，经所述后向反射镜改变高度后反射回所述第二光栅，再经所述第二光栅衍射至所述第一光栅后，经所述第一光栅衍射至所述激光脉冲导出单元；以及

一连接至所述旋转平台和所述二维平移台的控制单元，其控制所述旋转平台的旋转运动以及所述二维平移台在所述旋转平台上的平移运动。

优选地，所述激光脉冲导入单元包括用于调节所述激光脉冲的能量的二分之一波片以及用于选择所述激光脉冲偏振方向的线偏振片，其中，所述二分之一波片和所述线偏振片沿所述激光脉冲的入射方向依次设置。

优选地，所述第一光栅和第二光栅的刻线方向与所述激光脉冲的偏振方向垂直。

进一步地，所述激光脉冲沿水平方向偏振。

进一步地，所述后向反射镜包括上下相互垂直连接的第一镜片和第二镜片，且位于所述下方的所述第二镜片与所述旋转平台成45°角。

优选地，所述第一光栅和所述第二光栅均为反射型闪耀式刻线光栅。

优选地，所述激光脉冲导出单元为输出反射镜。

综上所述，本发明通过使入射的激光脉冲往复通过光栅对，能够在时域上得到展宽，并且使激光脉冲经过展宽器后其横向截面最大限度地恢复，成平行准直光束；同时，本发明还采用了二维平移台以改变第一光栅与第二光栅在旋转平台上的相对位置，并且采用了控制单元来精确控制二维平移台的平移运动，从而实现了连续改变展宽倍数的目的，免去了一些烦琐的光路调节过程；此外，本发明还设置了旋转平台以改变整个光栅对脉冲展宽单元相对于入射激光脉冲的角度，并且同样采用了控制单元来精确控制旋转平台的旋转角度，从而可以改变展宽器的工作波长范围。

本发明的反射型光栅对展宽器由于工作波长范围广，展宽倍数可调，展宽倍数大，能较好地展宽飞秒激光脉冲，并且能有效地克服飞秒激光放大器中常见的激光脉冲光谱增益窄化效应及自相位调制效应，从而满足了各个领域研究人员及应用开发对于飞秒激光脉冲的不同需求。

可见，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可以在不改变展宽器结构的情况下连续可调地改变脉宽展宽效果，并且展宽效果可从亚皮秒展宽到几百皮秒；

2、本发明通过旋转平台改变光栅对脉冲展宽单元相对于入射激光脉冲的角度，从而可使其工作在不同的波长，其波长适用范围为400-1800nm；

3、本发明可以通过控制单元精确控制展宽倍数和工作波长，从而实现理想的展宽效果。

附图说明

图1是本发明的反射型光栅对脉宽展宽器的整体结构示意图；

图2是反射型闪耀式刻线光栅的示意图；

图3A是本发明光栅对脉冲展宽单元的顺时针旋转操作示意图；

图3B是本发明光栅对脉冲展宽单元的逆时针旋转操作示意图；

图4是光栅对脉冲展宽单元旋转角度与对应工作波长关系曲线。

其中：1二分之一波片、2线偏振片、3第一光栅、4第二光栅、5二维平移台、6后向反射镜、7旋转平台、8输出反射镜、9控制单元。

具体实施方式

下面结合附图1-4，给出本发明的典型实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明的反射型光栅对脉宽展宽器包括：激光脉冲导入单元、激光脉冲导出单元、光栅对脉冲展宽单元以及控制单元。下面分别对各个单元进行介绍：

激光脉冲导入单元包括入射的飞秒激光脉冲10，以及沿入射方向依次设置的二分之一波片1和线偏振片2，其中，二分之一波片1用于调节入射激光脉冲10的能量，线偏振片2用于调节入射激光脉冲10的偏振方向。

激光脉冲导出单元在此示为输出反射镜8。

光栅对脉冲展宽单元包括旋转平台7、设置在旋转平台7一侧的后向反射镜6、设置在旋转平台7上的二维平移台5、以及作为核心组件的平行刻线光栅对(即第一光栅3和第二光栅4)。其中，第一光栅3直接固定在旋转平台7上，第二光栅4安装在二维平移台5上。当入射的激光脉冲依次经过二分之一波片1和线偏振片2变成水平线偏振光后，入射到第一光栅3上，由于不同波长的激光脉冲的衍射角不同，从而导致不同波长的光打在第二光栅4的不同位置上。当不同波长的激光脉冲经过第二光栅4再次衍射后，重新变成扩展型平行光束入射到后向反射镜6上，此处的后向反射镜6包括上下相互垂直连接的第一镜片和第二镜片，且位于下方的第二镜片与旋转平台7的上表面成45°角。此时，入射至后向反射镜6上的激光脉冲经过两次衍射后沿与激光光束传播方向垂直的方向延伸，即在激光光束传播的横截面上变成了一条横条纹。该横条纹的长度完全取决于激光光谱的带宽，频谱越宽，条纹越长。横条纹经后向反射镜6沿与激光光束传输方向平行的反方向传播，只是光束相对于旋转平台7表面的高度有一定程度的改变。自后向反射镜6反射回的激光光束依次返回经过第二光栅4和第一光栅3后恢复为平行准直光束，然后沿平行于入射激光脉冲的相反方向传播，最后经输出反射镜8改变其方向引出，即为出射激光脉冲20。入射激光脉冲四次通过光栅后在时域上得到展宽，而激光光束经过展宽器后其横向空间分布上得到最大程度的恢复，成为准直光。

控制单元9连接至旋转平台7和二维平移台5，以用于控制旋转平台绕其旋转轴ai旋转以及控制二维平移台5在旋转平台7上平移。

从图1中可以清楚地看出，激光脉冲的展宽量主要取决于第一光栅3和第二光栅4在水平面内沿Y轴方向的垂直距离以及入射角和衍射角的大小。光栅对3、4之间的垂直距离越大，入射激光脉冲经第一光栅3衍射后在空间上分的越开，经第二光栅4衍射后生成的扩展型平行光束横纹越宽。为了避免部分横条纹没有落在第二光栅4内，需要使用二维平移台5调节第二光栅4的位置以保证横条纹整个长度都在第二光栅4内，并且保证第二光栅4不会挡住入射激光光束。控制二维平移台5使第二光栅4在水平面Y轴上移动，需要相应地改变第二光栅4在X轴上的位置以使通过第一光栅3衍射后生成的激光光斑横条纹在第二光栅4上的位置最优，从而最大程度地优化光束在展宽器中的空间分布，实现光栅的最高衍射和传输效率。随着第一光栅3和第二光栅4在水平面Y轴方向上的垂直距离的变化，从第二光栅4出射的平行光入射到后向反射镜6上的位置也相应改变。因此需要精确安装后向反射镜6，并使其有足够大的尺寸，从而保证展宽器保持入射飞秒激光脉冲的带宽，达到最优的展宽效果。

第一、第二光栅3、4的表面刻线构型也是至关重要的，与展宽器的性能和光栅的衍射效率息息相关。刻线光栅表面刻线的结构示意图如图2所示，当刻线密度为1000ln/mm时，中心波长为800nm的激光对应的最优闪耀角约为23.6°。当800nm的入射光以闪耀角入射时，光栅具有最高衍射效率，此时入射角和衍射角(第一级)相等，光栅工作在利特罗角条件下。为了提高刻线光栅3、4的衍射效率，并且在中心波长处使展宽效果最好，在本发明专利中，当光栅的刻线密度为1000ln/mm且入射角为28°时，中心波长800nm处的第一级衍射角为19.3°。因为入射角和衍射角都是非常接近利特罗角23.6°，所以光栅的第一级衍射的效率可以达到85％-90％，这对反射型光栅对脉冲展宽器的展宽效果是非常重要的(因为入射激光需要四次通过刻线光栅，所以需要拥有很高的衍射效率)。同时需要注意的是，入射光的偏振方向需要垂直于光栅3、4的刻线方向，这时光栅的衍射效率高于当其偏振方向平行于刻线方向的情形。所以一般使用线偏振片2使入射激光脉冲变成水平偏振光。

此外，根据傅里叶变换，飞秒激光脉冲的光谱带宽与脉宽成反比。中心波长为800nm的100fs脉宽对应约9.4nm的带宽，当入射角为28°时，第一级衍射角的角分布范围为19.0-19.6°。而当激光脉宽为50fs时，带宽约18.8nm，衍射角的角分布范围为18.7-19.9°。

下面以中心波长为800nm，脉宽为100fs的激光脉冲为例来进行说明。当第一光栅3和第二光栅4在Y轴方向上的垂直距离分别为20mm、50mm、80mm、120mm、150mm、200mm、300mm、500mm时，激光脉冲通过展宽器后得到的有效展宽脉宽分别为1.19ps、2.98ps、4.77ps、7.16ps、8.95ps、11.94ps、17.91ps、29.84ps。这说明本专利研制的反射型光栅对展宽器能有效地将激光脉宽从亚皮秒展宽到几十皮秒。采用光线追迹方法(如使用Tracepro或Zemax等软件)可以仿真激光脉冲在展宽器内光的传播路径，从而保证光在传输过程中没有受空间限制，并优化激光脉冲在第一光栅3和第二光栅4以及后向反射镜6横截面的光斑形状及位置。同样可以计算出中心波长为800nm，脉宽为50fs的激光脉冲在相同条件下对应的展宽量分别2.39ps、5.97ps、9.55ps、14.32ps、17.91ps、23.87ps、35.81ps、59.68ps。对比50fs和100fs激光脉冲的展宽效果可知，采用本专利的反射型光栅对脉宽展宽器对于同一波长的飞秒激光脉冲，带宽越大，展宽效果越是显著。

本发明研制的反射型光栅对脉宽展宽器不仅仅只适用于波长为800nm的飞秒激光脉冲，在400-1800nm宽谱范围内也同样适用。光栅对3、4安装在旋转平台7上，旋转轴ai如图1所示，其在第一光栅3的表面延伸，并垂直于旋转平台7。图3A-3B给出了旋转操作的示意图。当旋转平台7如图3A所示顺时针旋转时，展宽器的工作波长小于800nm；当旋转平台7如图3B所示逆时针旋转时，展宽器的工作波长大于800nm。图3A-3B中的虚线表示第一光栅3旋转前的位置，即工作在中心波长为800nm的情形。所以通过改变光栅对脉冲展宽单元所在光学平台的旋转角度Φ，可以使反射型光栅对脉宽展宽器适用波长范围更广。当工作波长不是800nm时，即旋转平台7已经转动一定角度而工作在新的波长时，通过二维平移台5调节第二光栅4X轴和Y轴方向的位置ΔX和ΔY，使激光脉冲在第二光栅4上光斑位置最优化，可以实现将脉宽从傅里叶极限脉宽(一般为几十飞秒)展宽到几百皮秒甚至更大。图3A和3B表明在入射角近似利特罗角时，与旋转平台沿顺时针旋转相比，沿逆时针旋转有更少的空间约束。因此旋转光栅对脉冲展宽单元会使长波长的工作范围远远大于短波长的工作范围。顺时针旋转时，旋转角Φ达到最大值13°时对应约400nm中心波长；而逆时针旋转时，旋转角Φ达到最大值42°则对应1800nm中心波长。光参量放大器(Optical Parametric Amplifier，简称OPA)工作在1000nm-2000nm的近红外波长范围内，本发明研制的反射型光栅对脉宽展宽器对工作在近红外波长范围的OPA的应用是非常有用的。

相较于长波长，由于相同脉宽的短波长的带宽相对比较窄，因此展宽器对于短波长的展宽效果不如对长波长明显。为了有效展宽一个短波长的激光脉冲，需要更大尺寸的反射型光栅脉宽展宽器。在工作波长为400nm的情冲下，当两个光栅之间的垂直距离为500mm时，展宽脉宽仅略高于3ps。而波长为800nm和1600nm的激光脉冲在相同条件下，展宽脉宽长度分别为29.842ps和717.866ps。100fs的激光脉冲在不同条件下的展宽效果的详细数据见表1所示。因此相比工作在短波长的反射型光栅对脉宽展宽器来说，工作在长波长的反射型光栅对脉宽展宽器结构更紧凑。工作在较短波长的反射型光栅对脉宽展宽器尺寸通常比较大。其根源在于，对于同一光栅，工作波长越短，其衍射效率越低，衍射角度分布越小；并且对于相同脉冲长度的光脉冲，其辐射波长越短对应的辐射光谱宽度越小。

表1.100fs的激光脉冲在不同条件下的展宽效果

图4给出了反射型光栅对脉宽展宽器工作波长和光栅对脉冲展宽单元旋转角之间的关系曲线。中心波长为800nm时，不需要旋转脉宽展宽器。如果一个用户需要展宽器的工作波长为1200nm，则光栅对脉冲展宽单元需要沿逆时针方向旋转约14°。

本发明使用控制单元9调节二维平移台5在X轴和Y轴方向上的平移ΔX和ΔY以及旋转平台7的旋转角Φ。用户只需要输入三个主要参数：入射激光脉冲的中心波长、入射激光脉冲的带宽(即相应的傅立叶转换辐射脉冲长度)、以及期望达到的激光脉冲的脉宽。输入参数后，控制单元9会根据输入的参数分别控制二维平移台5在X/Y轴的平移以及旋转平台7的旋转运动，从而精确实现用户需要的特定波长的脉宽。

当然，采用上述优选技术方案只是为了便于理解而对本发明进行的举例说明，本发明还可有其他实施例，本发明的保护范围并不限于此。在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，包括：

一激光脉冲导入单元；

一激光脉冲导出单元；

一光栅对脉冲展宽单元，其包括旋转平台、设置在所述旋转平台上的二维平移台和第一光栅、设置在所述二维平移台上并与所述第一光栅平行的第二光栅、以及设置在所述旋转平台的远离所述激光脉冲导入单元一侧的后向反射镜，以使入射的激光脉冲经所述激光脉冲导入单元入射至所述第一光栅后，经所述第一光栅衍射至所述第二光栅，经所述第二光栅衍射至所述后向反射镜，经所述后向反射镜改变高度后反射回所述第二光栅，再经所述第二光栅衍射至所述第一光栅，经所述第一光栅衍射后沿平行于入射激光脉冲的相反方向传播至所述激光脉冲导出单元；以及

一连接至所述旋转平台和所述二维平移台的控制单元，其控制所述旋转平台的旋转运动以改变所述光栅对脉冲展宽单元相对于所述入射激光脉冲的角度，从而改变所述光栅对脉冲展宽单元的工作波长范围，并且所述控制单元还控制所述二维平移台在所述旋转平台上的平移运动，以改变所述第一光栅与所述第二光栅在所述旋转平台上的相对位置，从而连续地改变展宽倍数。

2.根据权利要求1所述的反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，所述激光脉冲导入单元包括用于调节所述激光脉冲的能量的二分之一波片以及用于选择激光脉冲线偏振方向的线偏振片，其中，所述二分之一波片和所述线偏振片沿所述激光脉冲的入射方向依次设置。

3.根据权利要求2所述的反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，所述第一光栅和第二光栅的刻线方向与所述激光脉冲的偏振方向垂直。

4.根据权利要求1所述的反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，所述激光脉冲沿水平方向偏振。

5.根据权利要求1所述的反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，所述后向反射镜包括上下相互垂直连接的第一镜片和第二镜片，且位于所述下方的所述第二镜片与所述旋转平台成45°角。

6.根据权利要求1所述的反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅均为反射型闪耀式刻线光栅。

7.根据权利要求1所述的反射型光栅对脉宽展宽器，其特征在于，所述激光脉冲导出单元为输出反射镜。