CN1564051A - 啁啾脉冲压缩器 - Google Patents

Abstract

一种啁啾脉冲压缩器，包括相互平行的光栅对，其特点是在该光栅对之后还有望远镜***和全反射镜，该望远镜***依次由平凹透镜、双凸透镜和双凹透镜组成；该双凸透镜放置在高度和沿旋转轴的位移可调的二维手动平移台上，平凹透镜和双凸透镜)组成的组合透镜与双凹透镜虚共焦，且它们的位置固定不变。本发明啁啾脉冲压缩器能有效地补偿二阶、三阶和四阶色散，不产生明显的能量损失和波形畸变，压缩比提高一倍。

Description

啁啾脉冲压缩器

技术领域

本发明涉及光脉冲压缩器，特别是一种基于光栅对的多用途高性能的啁啾脉冲压缩器。

背景技术

传统的特西光栅对啁啾脉冲压缩器利用了光栅大的角色散作用。在先技术中，由科学家Treacy发表在1969年的IEEE第9期，第454～458页上，该光栅对压缩器结构如图1所示。它由两个光栅组成，光栅相互平行。啁啾光脉冲从光栅11入射，经过第一个光栅的衍射作用，不同波长的光谱成分在衍射面上衍射开。衍射角θ_d与光谱成分的波长λ有关，其大小由光栅衍射公式决定：

    sinθ_i+sinθ_d(λ)＝Nλ                  1

其中θ_i是啁啾光脉冲的入射角，θ_d(λ)是啁啾光脉冲的一级衍射角，N为光栅的线密度，λ为不同光谱成分的波长。光栅11将啁啾脉冲一级衍射到光栅12上，第二个光栅对被第一个光栅衍射的光脉冲的光谱成分进行校准，最后从第二个光栅出射。因此，不同波长的光谱成分在光栅对中经历了不同的时间延迟：

${\mathrm{\τ}}_d=\frac{l\left(\mathrm{\λ}\right)}{C}---2$

在这里，τ_d是啁啾光脉冲在光栅对中经历的时间延迟，l(λ)是啁啾光脉冲在光栅对中经历过的光程：

$l\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{G[1+\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_d\left(\mathrm{\λ}\right))]}{\cos {\mathrm{\θ}}_d\left(\mathrm{\λ}\right)}---3$

其中G是光栅对中光栅11和光栅12之间的垂直距离，θ_i是啁啾光脉冲的入射角，θ_d(λ)是啁啾光脉冲的一级衍射角，λ为不同光谱成分的波长。由于啁啾光脉冲前沿部分波长大，一级衍射角大，在光栅对中经历的光程大，时间延迟长；而啁啾脉冲后沿部分波长短，一级衍射角小，在光栅对中经历的光程小，时间延迟短。于是啁啾光脉冲的后沿部分赶上啁啾光脉冲的前沿部分，这样就完成了啁啾脉冲的压缩。

这种光栅对脉冲压缩器的最大优点是脉冲压缩比大，能较好的补偿脉冲展宽器和激光放大介质以及其它光学器件产生的三阶色散和有限的补偿展宽器和激光放大介质以及其它光学器件产生的四阶色散，从而实现三阶和四阶色散的近似完全补偿。但这种光栅对脉冲压缩器也有很多缺点：

1、这种光栅对脉冲压缩器不能将展宽器和激光放大***以及其它光学器件对啁啾脉冲施加的三阶和四阶色散彻底干净的补偿，在压缩后的脉冲中仍会有残留的未能补偿掉的三阶和四阶色散。这样，经过展宽、放大和压缩后的脉冲对比度较低，其对比度一般在10²～10⁵之间，严重影响实验结果，限制了超短脉冲在强度对比度要求大于10⁶的等离子体实验中的使用。

2、由于光栅对压缩器对光脉冲施加的各阶色散相互影响，也就是说在调节光栅对中两个光栅之间垂直距离来补偿二阶色散的同时，也改变了三阶和四阶等高阶色散；在改变脉冲入射角来补偿三阶色散时也会影响二阶和四阶等高阶色散。这样，这种脉冲压缩器不能独立彻底的补偿各阶色散，通过这种脉冲压缩器压缩的光脉冲不可能有很高的强度对比度。

3、由于脉冲在光栅对压缩器中只经历一次以及光栅尺寸的有限大小，只有一个波长成分能被第二个光栅完全捕获，色散导致所有其它波长成分在第二个光栅上部分丢失，这意味着脉冲能量的损失和光谱的不完整，同时将使最终脉冲有一定展宽(～15％)。所以传统的光栅对会使压缩后脉冲的聚焦强度和对比度降低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述传统光栅对脉冲压缩器的缺点，提供一种啁啾脉冲压缩器。该啁啾脉冲压缩器应有效地补偿二阶、三阶和四阶色散，不产生明显的能量损失和波形畸变。

本发明的技术解决方案如下：

一种啁啾脉冲压缩器，包括相互平行的光栅对，其特征是在该光栅对之后还有望远镜***和全反射镜，该望远镜***依次由平凹透镜、双凸透镜和双凹透镜组成；该平凹透镜和双凹透镜的旋转轴处于望远镜***的旋转轴上，该光栅对的出射光束垂直于所述的望远镜***的平凹透镜的平面，其望远镜***的放大倍率为1∶0.92～0.96，其中双凸透镜放置在二维手动平移台上，该二维手动平移台的高度可调，以使双凸透镜的旋转轴在0～1.5cm的范围内偏离望远镜***的旋转轴，但它的旋转轴仍与望远镜***的旋转轴严格平行，通过调节二维手动平移台在望远镜***旋转轴上的行程(即x轴方向)可以使双凸透镜做0～2cm的轴上平移，平凹透镜和双凸透镜组成的组合透镜与双凹透镜虚共焦，且它们的位置固定不变，所有透镜镀有工作波长的介质增透膜，其中，所述的全反射镜是在相对于工作波长处镀介质全反膜的反射镜，该全反射镜的反射平面垂直于入射光束。

所述光栅的光栅槽密度可选范围为1400-2000线/mm。

所述的平凹透镜厚度为1.0～1.5cm，曲率半径为28.2～30.2cm，透镜材料为ZF10玻璃；双凸透镜第一曲率半径为31.2～33.2cm，第二曲率半径为40.2～42.2cm，透镜材料为ZBaF1玻璃；双凹透镜两面曲率半径均为70～78cm，透镜材料为ZF10玻璃。

所述的反射镜与望远镜***中双凹透镜的距离为5～10cm。

本发明的特点是：

该望远镜***中组合透镜的右焦点和双凹透镜的右焦点重合，望远镜***的旋转轴与光束的入射方向平行，从第二个光栅出射的不同波长的光都垂直入射到望远镜***的平凹透镜上，平凹透镜和双凸透镜组成三阶和四阶色散可变的组合透镜，也就是说，可以通过调整平凹透镜和双凸透镜之间的相对位置来控制脉冲压缩器***的高阶色散。

在该压缩器的末端设有镀介质膜的全反射镜，全反射镜与望远镜***的旋转轴垂直，从望远镜***双凹透镜出射的光垂直入射到全反射镜上，在全反射镜上，入射光沿原路返回，反射镜与双凹透镜的距离为5～10cm。

所述的望远镜***由三个透镜构成：平凹透镜和双凸透镜的距离为2.30～2.50cm，双凸透镜与双凹透镜的距离为5～8cm。

本发明的优点：

1、与传统的脉冲压缩器相比，本新型啁啾脉冲压缩器能将展宽器、激光放大介质以及其它光学器件对啁啾脉冲施加的三阶和四阶色散完全的补偿掉。传统的光栅对脉冲压缩器没有望远镜***，而是通过改变光栅对之间的垂直距离和调节啁啾脉冲的入射角来补偿二阶和三阶等高阶色散；但是，由于光栅对对啁啾脉冲施加的高阶色散相互影响，也就是说，在调节光栅对中两个光栅之间的垂直距离来补偿二阶色散的同时，也改变了三阶和四阶等高阶色散，在改变啁啾脉冲入射角来补偿三阶色散时也会影响二阶和四阶等高阶色散，于是很难将各阶色散同时有效的补偿掉。本脉冲压缩器在保留传统脉冲压缩器通过改变两个光栅之间的垂直距离和啁啾脉冲入射角的大小来分别补偿二阶和三阶色散的方法的同时，利用组合透镜消色差的原理进一步的将三阶和四阶色散独立彻底的补偿掉。在这里，使组合透镜中的平凹透镜和双凸透镜在衍射面内反方向相对平移，从而改变组合透镜的色差色散和与波长有关的三阶相位，这样可以独立的控制和补偿三阶色散，而不会影响其它各阶色散；通过改变组合透镜中平凹透镜和双凸透镜在望远镜***旋转轴上的相对距离，从而改变组合透镜的球差色散和与波长有关的四阶相位，这样可以独立的控制和补偿四阶色散，而不会影响其它各阶色散，这样三阶和四阶色散能够同时被独立彻底的补偿掉。

2、本脉冲压缩器调节灵活方便。传统的脉冲压缩器通过改变光栅对之间的垂直距离和调节啁啾脉冲入射角来补偿二阶和三阶等高阶色散；但是，由于光栅对对脉冲施加的各阶色散相互影响，通过调整光栅对之间的垂直距离和调节啁啾脉冲入射角来补偿三阶和四阶色散的难度极大，无法将三阶和四阶色散完全补偿掉。由于这种脉冲压缩器能通过改变组合透镜中平凹透镜和双凸透镜在衍射面上的相对位置和在望远镜***旋转轴上的相对距离来补偿三阶和四阶色散，可以独立的控制三阶和四阶色散，调节简单灵活，不受其它因素影响。

3、经过该脉冲压缩器压缩的光脉冲聚焦强度和对比度高。传统的脉冲压缩器末端没有全反射镜，脉冲在压缩器中只经过一次，且由于光栅的尺寸有限，只有一个波长能被第二个光栅完全捕获，色散导致所有其它波长在第二个光栅上部分丢失，这意味着脉冲能量的损失和光谱的不完整，同时将使最终压缩后的输出脉冲有一定展宽(～15％)。所以传统的光栅对脉冲压缩器会使脉冲产生显著畸变，脉冲聚焦强度和对比度降低。这种脉冲压缩器通过在末端采用镀介质膜的全反射镜，使光脉冲在压缩器中经过两次，从而有效的克服一次通过所带来的光谱剪切和能量丢失，同时由于三阶和四阶色散能被彻底补偿，这样，输出脉冲的聚焦强度和对比度就大大提高了，其强度对比度在10⁶～10⁸之间，压缩后的最终输出脉冲的展宽低于～5％。

4、该脉冲压缩器的压缩比大。在传统的脉冲压缩器中，脉冲只在光栅对中经过一次，压缩比小。本脉冲压缩器通过全反射镜使光脉冲在光栅对中经过两次，从而使压缩比提高一倍，这样，在同样的压缩比要求下，可以将光栅对之间的垂直距离减小到传统脉冲压缩器的一半，使整个压缩器变得更紧凑。

5、望远镜***的另一个透镜采用双凹透镜，这样使组合透镜和双凹透镜在虚焦点共焦，可以避免组合透镜和双凸在实焦点处共焦时，由于光脉冲聚焦强度极大而导致空气电离等破坏性作用。

附图说明：

图1为传统的脉冲压缩器的结构示意图

图2为本发明啁啾脉冲压缩器的结构示意图

图3为本发明望远镜***的结构图

图4为本发明望远镜***中组合透镜与二维手动平移台的结构

示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2为本发明啁啾脉冲压缩器的结构示意图，由图可见，本发明啁啾脉冲压缩器，包括相互平行的光栅对1，其特点是在该光栅对1之后还有望远镜***2和全反射镜3，该望远镜***2依次由平凹透镜21、双凸透镜22和双凹透镜23组成；该平凹透镜21和双凹透镜23的旋转轴处于望远镜***2的旋转轴上，该光栅对1的出射光束垂直于所述的望远镜***2的平凹透镜21的平面，该望远镜***的放大倍率为1∶0.92～0.96，其中双凸透镜22放置在二维手动平移台4上，通过升降(即z轴方向)二维手动平移台4的高度可以使双凸透镜22的旋转轴在0～1.5cm的范围内偏离望远镜***的旋转轴，但它的旋转轴仍与望远镜***的旋转轴严格平行，通过调节二维手动平移台4在望远镜***旋转轴上的行程(即x轴方向)可以使双凸透镜22做0～2cm的轴上平移，平凹透镜21和双凸透镜22组成的组合透镜与双凹透镜23虚共焦，且它们的位置固定不变，所有透镜镀有工作波长的介质增透膜，其中，所述的全反射镜3是在相对于工作波长处镀介质全反膜的反射镜，该全反射镜3的反射平面垂直于入射光束。

所述的光栅槽密度可选范围为1400-2000线/mm。

所述的平凹透镜21厚度为1.0～1.5cm，曲率半径为28.2～30.2cm，透镜材料为ZF10玻璃；双凸透镜22第一曲率半径为31.2～33.2cm，第二曲率半径为40.2～42.2cm，透镜材料为ZBaF1玻璃；双凹透镜23两面曲率半径均为70～78cm，透镜材料为ZF10玻璃。

所述的反射镜3与望远镜***2中双凹透镜23的距离为5～10cm。

该光栅对1相互平行，光栅对之间的相对距离可以根据需要调整，光栅槽密度最佳为1800线/mm。

与传统的光栅对脉冲压缩器相比，本新型脉冲压缩器具有以下不同点：

1、在该脉冲压缩器中设置放大倍数为1∶0.92～0.96的望远镜***，且望远镜***中的一个透镜采用组合透镜，利用组合透镜消色差的原理进一步的将三阶和四阶色散独立彻底的补偿掉。在这里，通过调节二维手动平移台的高度，使组合透镜中的双凸透镜相对于固定的平凹透镜在衍射面内做相对平移，从而改变组合透镜的色差色散和与波长有关的三阶相位，这样可以独立的控制和补偿三阶色散，而不会影响其它各阶色散；通过改变组合透镜中双凸透镜在望远镜***旋转轴上与平凹透镜的相对距离，从而改变组合透镜的球差色散和与波长有关的四阶相位，这样可以独立的控制和补偿四阶色散，而不会影响其它各阶色散，这样各阶色散能够同时被对立彻底的补偿掉。

2、近似为1倍的望远镜***的另一个透镜采用双凹透镜，这样使组合透镜和双凹透镜在虚焦点公焦，可以避免组合透镜和双凸透镜在实焦点处共焦时，由于光脉冲聚焦强度极大而导致空气电离等破坏性作用。

3、本脉冲压缩器通过全反射镜使光脉冲在光栅对中经过两次，从而使压缩比提高一倍，这样，在同样的压缩比要求下，可以将光栅对之间的垂直距离减小到传统脉冲压缩器的一半，使整个压缩器变得更紧凑。

本发明具体的工作过程是：

待压缩啁啾脉冲入射到光栅对1中的衍射光栅11上，啁啾脉冲中的不同波长成分在衍射光栅的衍射面上一级衍射开；衍射开的不同波长成分的光被光栅对中的校准光栅12捕获，经过校准光栅12校准后，不同波长成分的光在衍射面内都平行于啁啾脉冲入射方向并从光栅对1中输出。从光栅对1中出射的光束垂直入射到望远镜***2中组合透镜的平凹透镜21上；经过组合透镜聚焦后，不同波长成分的光在双凹透镜23的右焦点上聚焦，最后不同波长成分的光从望远镜***2出射，且出射光与望远镜***2的旋转轴平行。最后，经过望远镜***2的光脉冲垂直入射到反射镜3上，经过反射镜3的全反射后，所有的光都沿原路返回，接着第二次经过望远镜***2和光栅对1，实现了光脉冲的两次压缩。为了将啁啾脉冲中的二阶、三节和四阶色散完全补偿掉，首先仍采用传统光栅对脉冲压缩器，通过调节光栅对1的垂直距离补偿二阶色散的方法将啁啾脉冲的二阶色散完全补偿掉，然后再改变啁啾脉冲的入射角可以实现三阶色散的最大补偿，通过这些步骤后，脉冲中仍会残留较大的三阶色散和四阶色散，它们对最后输出脉冲的聚焦强度和强度队比度仍有很大的影响，最后使用啁啾脉冲压缩器的望远镜***来实现三阶和四阶色散的完全补偿；在这里，通过调节二维手动平移台的高度，使组合透镜中的双凸透镜22相对于固定的平凹透镜21在衍射面内做相对平移，从而改变组合透镜的色差色散和与波长有关的三阶相位，这样可以独立的控制和补偿三阶色散，而不会影响其它各阶色散；通过改变组合透镜中双凸透镜22在望远镜***旋转轴上与平凹透镜21的相对距离，改变组合透镜的球差色散和与波长有关的四阶相位，这样可以独立的控制和补偿四阶色散，而不会影响其它各阶色散，这样二、三、四阶色散能够同时补偿。

Claims (5)

1、一种啁啾脉冲压缩器，包括相互平行的光栅对(1)，其特征是在该光栅对(1)之后还有望远镜***(2)和全反射镜(3)，该望远镜***(2)依次由平凹透镜(21)、双凸透镜(22)和双凹透镜(23)组成；该平凹透镜(21)和双凹透镜(23)的旋转轴处于望远镜***(2)的旋转轴上，该光栅对(1)的出射光束垂直于所述的望远镜***(2)的平凹透镜(21)的平面，该望远镜***(2)的放大倍率为1∶0.92～0.96，该双凸透镜(22)放置在高度和沿旋转轴的位移可调的二维手动平移台(4)上，平凹透镜(21)和双凸透镜(22)组成的组合透镜与双凹透镜(23)虚共焦，且它们的位置固定不变，所有透镜镀有工作波长的介质增透膜，该全反射镜(3)的反射平面垂直于入射光束。

2、根据权利要求1所述的啁啾脉冲压缩器，其特征在于所述的光栅槽密度可选范围为1400-2000线/mm。

3、根据权利要求2所述的啁啾脉冲压缩器，其特征在于所述的光栅对(1)的最佳光栅密度为1800线/mm。

4、根据权利要求1所述的啁啾脉冲压缩器，其特征在于所述的平凹透镜(21)厚度为1.0～1.5cm，曲率半径为28.2～30.2cm，透镜材料为ZF10玻璃；双凸透镜(22)第一曲率半径为31.2～33.2cm，第二曲率半径为40.2～42.2cm，透镜材料为ZBaF1玻璃；双凹透镜(23)两面曲率半径均为70～78cm，透镜材料为ZF10玻璃。

5、根据权利要求1所述的啁啾脉冲压缩器，其特征在于所述的反射镜(3)与望远镜***(2)中双凹透镜(23)的距离为5～10cm。

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