CN117374700A - 基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光脉冲压缩，具体涉及基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置及方法，包括刻线间距固定的第一光栅组件和刻线间距变化的第二光栅组件，第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，且第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的位置与待压缩光束照射至第一光栅组件位置处的法线重合，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的不便对脉冲压缩装置提供的高阶色散进行调控的缺陷。

Description

基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置及方法
技术领域
本发明涉及激光脉冲压缩，具体涉及基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置及方法。
背景技术
超快激光已经广泛应用于工业、医疗、科研等领域，获取高峰值功率、窄脉宽的超短激光脉冲，需要在激光***的后端采用脉冲压缩装置压窄脉冲宽度。目前，采用衍射光栅进行脉冲压缩是较为有效的方式。
现有技术的衍射光栅脉冲压缩装置中光栅的刻线间距都是固定的，脉冲压缩装置所提供的色散由刻线密度、激光波长和光栅垂直间距决定，但高阶色散仍然需要通过激光***前端匹配。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置及方法，能够有效克服现有技术所存在的不便对脉冲压缩装置提供的高阶色散进行调控的缺陷。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置，包括刻线间距固定的第一光栅组件和刻线间距变化的第二光栅组件，所述第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，且所述第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的位置与待压缩光束照射至第一光栅组件位置处的法线重合；
其中，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩。
优选地，所述第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅或同为透射光栅或为反射光栅与透射光栅的组合。
优选地，还包括用于使得第二光栅组件输出的衍射光束返回至超快激光脉冲压缩装置再进行一次脉冲宽度压缩的高低镜；
其中，经过高低镜输出的返回光束仅高度发生变化，返回光束的水平面投影与第二光栅组件输出的衍射光束的水平面投影重合。
基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，包括以下步骤：
S1、待压缩光束照射至第一光栅组件的A位置处发生衍射，入射角和衍射角分别为θi、θd；
S2、移动第二光栅组件，使得第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的B位置与待压缩光束照射至第一光栅组件的A位置处的法线重合；
S3、第一光栅组件输出的衍射光束照射至第二光栅组件的C位置处发生衍射，入射角和衍射角分别为θin、θdn，实现由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩；
其中，第一光栅组件的刻线间距固定，第二光栅组件的刻线间距变化，且第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，则θd=θin。
优选地，所述第一光栅组件、第二光栅组件的入射角和衍射角均满足各自的衍射方程：
，
，
其中，λ为光束中心波长。
优选地，所述第一光栅组件的刻线间距为d；
所述第二光栅组件的刻线间距采用下式表示：
，
其中，n=1,2,3…,N，N为第二光栅组件的刻线数量；
当为常数时，第二光栅组件的刻线间距/>线性变化；当/>，即/>随n变化时，第二光栅组件的刻线间距/>非线性变化。
优选地，当第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅，且第二光栅组件的刻线间距线性变化时：
，
由于，其中Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，则N满足下式：
，
待压缩光束经过第一光栅组件、第二光栅组件后由光程和光栅衍射引入的总相移为：
，
其中，；
由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，c为光速。
优选地，当第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅，且第二光栅组件的刻线间距非线性变化时：
，
由于，其中Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，则N满足下式：
，
待压缩光束经过第一光栅组件、第二光栅组件后由光程和光栅衍射引入的总相移为：，
其中，；
由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，c为光速。
优选地，当第一光栅组件和第二光栅组件同为透射光栅时：
待压缩光束入射至第一光栅组件和第二光栅组件时透射传输并产生衍射，其衍射过程与同为反射光栅时的衍射过程一致，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，c为光速。
与现有技术相比，本发明所提供的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置及方法，能够通过调节光栅的刻线间距，实现对脉冲压缩装置提供的高阶色散的有效调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明中基于变刻线间距反射光栅的双光栅脉冲压缩装置的光路示意图；
图2 为本发明中基于变刻线间距透射光栅的双光栅脉冲压缩装置的光路示意图；
图3 为本发明中基于变刻线间距反射光栅的双光程脉冲压缩装置的光路示意图；
图4 为本发明中基于变刻线间距透射光栅的双光程脉冲压缩装置的光路示意图；
图5 为本发明中基于变刻线间距反射光栅的单光栅脉冲压缩装置的光路示意图；
图6 为本发明中基于变刻线间距透射光栅的单光栅脉冲压缩装置的光路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置，如图1和图2所示，包括刻线间距固定的第一光栅组件和刻线间距变化的第二光栅组件，第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，且第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的位置与待压缩光束照射至第一光栅组件位置处的法线重合；
其中，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩。
第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅（如图1和图3所示）或同为透射光栅（如图2和图4所示）或为反射光栅与透射光栅的组合。
本申请技术方案中，如图3和图4所示，还包括用于使得第二光栅组件输出的衍射光束返回至超快激光脉冲压缩装置再进行一次脉冲宽度压缩的高低镜；
其中，经过高低镜输出的返回光束仅高度发生变化，返回光束的水平面投影与第二光栅组件输出的衍射光束的水平面投影重合。
本申请技术方案中，还公开了基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，包括以下步骤：
S1、待压缩光束照射至第一光栅组件的A位置处发生衍射，入射角和衍射角分别为θi、θd；
S2、移动第二光栅组件，使得第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的B位置与待压缩光束照射至第一光栅组件的A位置处的法线重合；
S3、第一光栅组件输出的衍射光束照射至第二光栅组件的C位置处发生衍射，入射角和衍射角分别为θin、θdn，实现由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩；
其中，第一光栅组件的刻线间距固定，第二光栅组件的刻线间距变化，且第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，则θd=θin。
1）第一光栅组件、第二光栅组件的入射角和衍射角均满足各自的衍射方程：
，
，
其中，λ为光束中心波长。
2）第一光栅组件的刻线间距为d；
第二光栅组件的刻线间距采用下式表示：
，
其中，n=1,2,3…,N，N为第二光栅组件的刻线数量；
当为常数时，第二光栅组件的刻线间距/>线性变化；当/>，即/>随n变化时，第二光栅组件的刻线间距/>非线性变化。
如图1所示，为基于变刻线间距反射光栅的双光栅脉冲压缩装置，（即第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅）：
1）第二光栅组件的刻线间距线性变化时：
，
由于，其中Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，则N满足下式：
，
待压缩光束经过第一光栅组件、第二光栅组件后由光程和光栅衍射引入的总相移为：
，
其中，；
由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，c为光速。
2）第二光栅组件的刻线间距非线性变化时：
，
由于，其中Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，则N满足下式：
，
待压缩光束经过第一光栅组件、第二光栅组件后由光程和光栅衍射引入的总相移为：
，
其中，；
由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，c为光速。
由此可见，基于变刻线间距反射光栅的双光栅脉冲压缩装置与传统刻线间距固定的衍射光栅脉冲压缩装置相比，除了通过刻线密度1/d、激光波长λ和光栅垂直间距Lg确定色散，还可以通过调节第二光栅组件的刻线间距，实现对脉冲压缩装置提供的高阶色散的有效调控。
如图2所示，为基于变刻线间距透射光栅的双光栅脉冲压缩装置（即第一光栅组件和第二光栅组件同为透射光栅），待压缩光束入射至第一光栅组件和第二光栅组件时透射传输并产生衍射，其衍射过程与第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅时的衍射过程一致。此时，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，c为光速。
如图3所示，为基于变刻线间距反射光栅的双光程脉冲压缩装置，在光束经第二光栅组件衍射输出后，高低镜使得第二光栅组件输出的衍射光束返回至超快激光脉冲压缩装置再进行一次脉冲宽度压缩，经过高低镜输出的返回光束仅高度发生变化，返回光束的水平面投影与第二光栅组件输出的衍射光束的水平面投影重合。此时，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散为图1中的两倍，即二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
。
如图4所示，为基于变刻线间距透射光栅的双光程脉冲压缩装置，原理与图3类似。此时，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散为图1中的两倍，即二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
。
本申请技术方案中，还给出了两种基于变刻线间距的单光栅脉冲压缩装置，分别如图5、图6所示。
如图5所示，为基于变刻线间距反射光栅的单光栅脉冲压缩装置，待压缩光束经反射光栅衍射输出后，经直角反射镜反射再经反射光栅发生第二次衍射，输出的衍射光束经高低镜返回至超快激光脉冲压缩装置再进行一次脉冲宽度压缩。此时，由单光栅（反射光栅）构成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散为图1中的两倍，即二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
。
如图6所示，为基于变刻线间距透射光栅的单光栅脉冲压缩装置，原理与图5类似，通过增加直角反射镜和高低镜使得待压缩光束在透射光栅上产生四次衍射，形成两次脉冲宽度压缩。此时，由单光栅（透射光栅）构成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散为图1中的两倍，即二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置，其特征在于：包括刻线间距固定的第一光栅组件和刻线间距变化的第二光栅组件，所述第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，且所述第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的位置与待压缩光束照射至第一光栅组件位置处的法线重合；
其中，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩。
2.根据权利要求1所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置，其特征在于：所述第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅或同为透射光栅或为反射光栅与透射光栅的组合。
3.根据权利要求2所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置，其特征在于：还包括用于使得第二光栅组件输出的衍射光束返回至超快激光脉冲压缩装置再进行一次脉冲宽度压缩的高低镜；
其中，经过高低镜输出的返回光束仅高度发生变化，返回光束的水平面投影与第二光栅组件输出的衍射光束的水平面投影重合。
4.基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，该方法应用于权利要求2所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1、待压缩光束照射至第一光栅组件的A位置处发生衍射，入射角和衍射角分别为θi、θd；
S2、移动第二光栅组件，使得第二光栅组件上与第一光栅组件具有相同刻线间距的B位置与待压缩光束照射至第一光栅组件的A位置处的法线重合；
S3、第一光栅组件输出的衍射光束照射至第二光栅组件的C位置处发生衍射，入射角和衍射角分别为θin、θdn，实现由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的色散对待压缩光束中的脉冲进行脉冲宽度压缩；
其中，第一光栅组件的刻线间距固定，第二光栅组件的刻线间距变化，且第一光栅组件与第二光栅组件平行放置，则θd=θin。
5.根据权利要求4所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，其特征在于：所述第一光栅组件、第二光栅组件的入射角和衍射角均满足各自的衍射方程：
，
，
其中，λ为光束中心波长。
6.根据权利要求5所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，其特征在于：所述第一光栅组件的刻线间距为d；
所述第二光栅组件的刻线间距采用下式表示：
，
其中，n=1,2,3…,N，N为第二光栅组件的刻线数量；
当为常数时，第二光栅组件的刻线间距/>线性变化；当/>，即/>随n变化时，第二光栅组件的刻线间距/>非线性变化。
7.根据权利要求6所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，其特征在于：当第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅，且第二光栅组件的刻线间距线性变化时：
，
由于，其中Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，则N满足下式：
，
待压缩光束经过第一光栅组件、第二光栅组件后由光程和光栅衍射引入的总相移为：
，
其中，；
由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，c为光速。
8.根据权利要求6所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，其特征在于：当第一光栅组件和第二光栅组件同为反射光栅，且第二光栅组件的刻线间距非线性变化时：
，
由于，其中Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，则N满足下式：
，
待压缩光束经过第一光栅组件、第二光栅组件后由光程和光栅衍射引入的总相移为：，
其中，；
由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，c为光速。
9.根据权利要求6所述的基于光栅刻线间距变化的超快激光脉冲压缩方法，其特征在于：当第一光栅组件和第二光栅组件同为透射光栅时：
待压缩光束入射至第一光栅组件和第二光栅组件时透射传输并产生衍射，其衍射过程与同为反射光栅时的衍射过程一致，由第一光栅组件和第二光栅组件组成的超快激光脉冲压缩装置提供的二阶色散D2、三阶色散D3分别为：
，
，
其中，Lg为第一光栅组件与第二光栅组件之间的光栅垂直间距，c为光速。
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