專利名稱：一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛秒激光調(diào)制技術(shù)，具體涉及一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器(acoustic-optical modulator，AOM)，它尤其適合于多光子激光掃描測量、成像、激光微加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用聲光調(diào)制器對激光功率的快速調(diào)制是一種應(yīng)用非常廣的技術(shù)，尤其在激光測量、成像和微加工等方面。并且聲光調(diào)制器在國內(nèi)外已有很大的市場。但這些聲光調(diào)制器都是針對連續(xù)光源，不能應(yīng)用于超短脈沖激光。而超短脈沖高瞬間峰值功率和高層析能力在激光成像和微加工領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用，是近幾年來國內(nèi)外應(yīng)用和研究的熱點。
美國專利No.6,804,000B2中使用單個棱鏡1補償單個聲光偏轉(zhuǎn)器2的空間色散(如圖1)，該發(fā)明不能對聲光偏轉(zhuǎn)器的時間色散進(jìn)行補償，當(dāng)入射光波長改變時從棱鏡出射的光束會偏離光軸，使得后續(xù)的光路不再準(zhǔn)直甚至無法使用。由于對于某個特定波長的激光，在光路中的光程是固定的，不能實現(xiàn)對相位的調(diào)制。
在E.A.Donley的“Double-pass acousto-optic modulator system”(Review of Scientific Instruments，2005)文章的中，使用了一個聲光偏轉(zhuǎn)器2、一個凸透鏡3和一個反射鏡4的結(jié)構(gòu)(如圖2)，聲光偏轉(zhuǎn)器2和反射鏡4分別位于凸透鏡3的前焦面和后焦面上，反射鏡4使光束原路返回。這種結(jié)構(gòu)決定了不能對聲光調(diào)制器帶來的時間色散進(jìn)行任何的補償，反而會二次展寬脈沖寬度，使得出射光的脈沖寬度展寬許多，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于連續(xù)光領(lǐng)域，不能應(yīng)用于飛秒激光。同樣，光束在這種結(jié)構(gòu)的光程也是恒定的，不能實現(xiàn)對相位的調(diào)制。另外，由于這種結(jié)構(gòu)使得各個不同波長的激光束都能原路返回，使得各個波長的激光混疊在一起，不能實現(xiàn)對各個波長激光進(jìn)行選擇性快速的切換。
飛秒激光的光譜寬度相對單色光來說非常寬，而聲光偏轉(zhuǎn)器是一種高色散光學(xué)元件，飛秒激光經(jīng)過聲光偏轉(zhuǎn)器后產(chǎn)生空間和時間色散，引起脈沖展寬和光斑發(fā)散。如圖3所示，入射光以布拉格角度i入射。零極光按直線傳播。一級光與零極光之間夾角為θ。當(dāng)該裝置用于飛秒激光調(diào)制時，一級光因光譜存在帶寬而存在Δθ的發(fā)散角，這會使原來的圓形光斑在掃描方向展為一橢圓，在脈沖時間寬度上也會因材料色散被展寬。該裝置降低了飛秒激光的瞬時功率和激發(fā)效率，喪失了飛秒激光的優(yōu)點。在現(xiàn)有系統(tǒng)中通常采用光柵對或棱鏡對來實現(xiàn)空間和時間色散的壓縮。聲光調(diào)制器近幾年來在激光光強調(diào)制的應(yīng)用中越來越來廣泛，但主要應(yīng)用于連續(xù)光領(lǐng)域，如果應(yīng)用于飛秒激光就會造成嚴(yán)重的空間和時間色散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器，該裝置可以很好地補償聲光調(diào)制器帶來的時間和空間色散。
本發(fā)明提供的用于飛秒脈沖的聲光調(diào)制器，包括兩個聲光偏轉(zhuǎn)器，兩個聲光偏轉(zhuǎn)器反向平行放置，且聲波頻率相等，兩個聲光偏轉(zhuǎn)器的間距為L，L值滿足(I)式要求L=GDDm2πc2λ3(vf)2---(I)]]>式中v和f分別為聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波速度和頻率，GDDm為二個聲光偏轉(zhuǎn)器帶來的群延時，λ為激光波長。
本發(fā)明裝置可以將不同波長的入射激光共軸輸出，即入射光波長改變時出射光仍按原方向出射。并且可以完全補償聲光調(diào)制器帶來的時間和空間色散。本發(fā)明不僅可以用于飛秒激光也可以直接用于連續(xù)光的調(diào)制，它可以在一定波長間隔的連續(xù)光或飛秒激光間進(jìn)行快速的切換。對某一固定波長的激光可以通過改變光程來實現(xiàn)對相位的快速調(diào)制。由于本發(fā)明即能實現(xiàn)聲光調(diào)制器的空間和時間色散，還能實現(xiàn)對相位的快速調(diào)制，因此適用于多光子系統(tǒng)，包括多光子激光掃描測量成像、激光微加工等領(lǐng)域。


圖1為棱鏡補償單個聲光調(diào)制器空間色散原理圖示意圖。
圖2為用一個聲光調(diào)節(jié)器利用凸透鏡和反射鏡補償空間色散原理示意圖。
圖3為聲光調(diào)制器對飛秒激光空間和時間色散示意圖。
圖4為實現(xiàn)共軸輸出時入射光波長與聲光調(diào)制器工作頻率的光系圖。
圖5為本發(fā)明裝置原理示意圖。
圖6為二個聲光調(diào)制器間間距與出射激光脈沖寬度的關(guān)系圖。
圖7為二個聲光調(diào)制器間距為65cm時，入射激光的波長與出射激光脈沖寬度的關(guān)系圖。
圖8為本發(fā)明實現(xiàn)相位調(diào)制的原理示意圖。
圖9為頻差與相差關(guān)系圖。
圖10為本發(fā)明切換740nm、780nm、820nm、860nm、900nm五個波長的飛秒激光入射和出射系統(tǒng)時的光譜圖。光譜成分沒有損失。
圖11為本發(fā)明裝置的應(yīng)用實例圖。
圖12為最大調(diào)制功率下波長與系統(tǒng)透過率關(guān)系圖。
圖13為本發(fā)明裝置另一種應(yīng)用實例圖。
圖14a為原始飛秒激光的脈沖寬度；圖14b為飛秒激光經(jīng)過一個聲光調(diào)制器時展寬的脈沖寬度；圖14c為飛秒激光經(jīng)過本裝置補償時間色散后的脈沖寬度。
圖15為用補償后的飛秒激光和沒有補償?shù)娘w秒激光對熒光層做Z掃描時信號強度的對比圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
為了實現(xiàn)對于不同入射激光進(jìn)入系統(tǒng)后，出射光不偏離光軸，聲光調(diào)制器中的聲波頻率需要做相應(yīng)調(diào)制。激光經(jīng)過聲光調(diào)制器后出射角θ公式如下θ=λfv---(I)]]>其中λ為入射激光的波長，f為聲光調(diào)制器中聲音的發(fā)射頻率，v為聲波在聲光晶體中的速度。
如果入射激光的波長和聲光調(diào)制器中聲波頻率的乘積是一常數(shù)便可實現(xiàn)共軸調(diào)制。假設(shè)開始調(diào)光路時是按某一波長λm激光和聲光調(diào)制器工作在某一頻率fm下進(jìn)行的，對于不同波長λi的入射光聲光調(diào)制器的頻率fi計算方法如下fi=θvλ=λmfmλi---(II)]]>聲光調(diào)制器工作頻率和波長λ的關(guān)系如圖4所示。
如圖5所示，本發(fā)明包括第一聲光偏轉(zhuǎn)器5和第二聲光偏轉(zhuǎn)器6，二個聲光偏轉(zhuǎn)器反向放置使得聲波的傳播方向相反，距離為L，L值計算方法如下L=GDDm2πc2λ3(vf)2---(III)]]>其中，c為光速，GDDm是二個聲光偏轉(zhuǎn)器晶體材料所帶來的群延時，如果需要補償光路中其他色散元件帶來的時間色散，此時GDDm應(yīng)取光路中所有元件帶來的群延時量的總合，從而同時補償光路中其他色散元件帶來的時間色散。
圖6為脈沖寬度與距離L的關(guān)系圖。在飛秒激光波長800nm，初始脈寬為141fs，聲光偏轉(zhuǎn)器所加頻率為96MHz的情況下，二個聲光偏轉(zhuǎn)器之間距離L改變時，出射光的脈沖寬度。從圖中可以看出當(dāng)L增加時，補償量增加，脈沖寬度減小，在距離約為65cm時完全補償系統(tǒng)時間色散。當(dāng)L＞65cm時進(jìn)入過補償區(qū)域，脈沖帶寬開始增加。
如圖7所示，當(dāng)確定L后波長λ改變時脈寬仍然有被壓縮的效果，均小于160fs。在飛秒激光波長800nm，聲光偏轉(zhuǎn)器所加頻率為96MHZ，二個聲光偏轉(zhuǎn)器之間距離L為65cm的情況下。不同波長的飛秒激光入射時，出射激光的脈沖寬度。
本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)除了具有作為聲光調(diào)制器所應(yīng)具備調(diào)制激光強度的基本功能外，還具備如下功能對于不同波長的入射光仍可以共軸輸出；既能補償聲光器件本身的空間和時間色散外還可以補償光路中其他色散元件帶來的時間色散；又可以對相位進(jìn)行快速調(diào)制；還可以直接應(yīng)用于連續(xù)激光系統(tǒng)或連續(xù)激光和飛秒激光的混合系統(tǒng)。
由于飛秒激光經(jīng)過兩個反向平行放置的聲光偏轉(zhuǎn)器時空間色散量為dθdλ=f1v-f2v---(IV)]]>其中f1，f2分別為第一個和第二個聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波的頻率，v為聲光晶體中的傳播速度。所以當(dāng)f1和f2相等時即可消除系統(tǒng)中的空間色散。
如圖8所示，對于某一波長的入射光，假定二個聲光偏轉(zhuǎn)器工作在頻率f下，當(dāng)二個聲光偏轉(zhuǎn)器工作頻率變?yōu)閒+Δf時，相差Δω為Δω=L(sinθ+1)×1cosθ×2πv×Δf---(V)]]>其中L為二個聲光偏轉(zhuǎn)器的間距，這個間距滿足公式(III)，θ為聲光晶體的布拉格角。Δf的范圍為±0.75MHz，所能提供的相差范圍為9921rad，并且沒有空間和時間色散。圖9為頻差和相差關(guān)系圖。
由于第二個聲光偏轉(zhuǎn)器的通光孔徑有限，并且二個聲光偏轉(zhuǎn)器相隔L和布拉格角的作用，使得本方明有可調(diào)諧濾波的作用，由前所述，每個波長的入射光λ都對應(yīng)者與之相匹配的頻率f，如果f的取值與λ不相匹，則從第一個聲光偏轉(zhuǎn)器出來的光會偏離光軸使得經(jīng)過第二個聲光偏轉(zhuǎn)器時衍射效率非常低甚至不能通過通光孔徑，所以可以實現(xiàn)快速切換一定間隔波長的功能，這是圖2聽示結(jié)構(gòu)所無法做到的。由于連續(xù)激光沒有時間色散的問題，所以本方明可以直接應(yīng)用于連續(xù)激光。對于飛秒激光，波長分辨率為30nm(如圖10所示)，使得飛秒激光所有光譜成分通過并可以有效區(qū)分間隔30nm的飛秒或連續(xù)激光，這樣可以實現(xiàn)多個波長激光(包括飛秒激光和連續(xù)激光)間的快速切換。
最后對出射激光強度的調(diào)制可以通過對聲光偏轉(zhuǎn)器功率的調(diào)制來實現(xiàn)。
如果聲光偏轉(zhuǎn)器會改變偏振態(tài)，則二個聲光偏轉(zhuǎn)器間設(shè)有1/2波片；如果聲光偏轉(zhuǎn)器不改變偏振態(tài)，則二個聲光偏轉(zhuǎn)器間可不設(shè)1/2波片。
實例1根據(jù)圖11所示，從激光器7出射的準(zhǔn)直激光(800nm)經(jīng)過工作頻率都在96MHz的第一和第二聲光偏轉(zhuǎn)器5、6后打到白屏9上，用CCD 8觀察并記錄下位置，改變激光器的波長(710nm)，此時激光不能通過系統(tǒng)，白屏9上沒有光點，改變二個聲光偏轉(zhuǎn)器的工作頻率為108.2MHz，用CCD8觀察到激光又打到了白屏9上的同一位置。改變激光器7波長為990nm，此時白屏上沒有光點，改變二個聲光偏轉(zhuǎn)器的工作頻率到77.6MHz，用CCD 8觀察到激光仍打到了白屏9上的同一位置。改變這二個聲光偏轉(zhuǎn)器中的任意一個或二個的功率可以實現(xiàn)對衍射效率的調(diào)制，調(diào)制范圍為0-89％，整個系統(tǒng)對不同波長λ的最大透過率為77-89％(如圖12所示)。本裝置不僅可以用于飛秒激光，而且可以直接應(yīng)用于連續(xù)激光，因為連續(xù)光不存在時間色散的問題，所以本發(fā)明可以應(yīng)用于連續(xù)激光和飛秒激光的混合系統(tǒng)中，并且可以通過對聲光偏轉(zhuǎn)器頻率的設(shè)定來對特定波長進(jìn)行快速切換(10MHz)。
實例2根據(jù)圖13所示原理示意圖，一束脈沖寬度為141fs(如圖14a)的飛秒激光(800nm)經(jīng)過第一個聲光偏轉(zhuǎn)器5，此時聲光偏轉(zhuǎn)器的頻率設(shè)為96MHz，此時飛秒激光被展寬為345fs(如圖14b)，并且有空間色散，當(dāng)飛秒激光在二個聲光偏轉(zhuǎn)器之間傳輸距離L后，時間色散被過補償，其過補償量剛好可以抵消第二個聲光偏轉(zhuǎn)器6所帶來的時間色散。飛秒激光經(jīng)過第二個聲光偏轉(zhuǎn)器6后，其空間色散也完全補償了，并且出射光也沒有了時間色散，其脈沖寬度仍為141fs(如圖14c)。分別用完全色散補償后的141fs和沒有色散補償?shù)?45fs相同功率激光(2mW)對綠色熒光樣品層13用40倍物鏡12做Z向掃描，二色鏡10用來分離激發(fā)光和熒光，用PMT 11來采集熒光信號。141fs的飛秒脈沖可以激發(fā)熒光蛋白，345fs的光束在此功率下不能激發(fā)熒光蛋白產(chǎn)生熒光信號(如圖15所示)。圖中分別用完全色散補償(本發(fā)明裝置)后的141fs激光和經(jīng)過單個聲光偏轉(zhuǎn)器沒有色散補償?shù)?45fs激光在激光器輸出功率相同的情況下，激發(fā)綠色熒光樣品所得的信號強度，其強度比約為5.8∶1。
權(quán)利要求
1.一種可用于飛秒脈沖的聲光調(diào)制器，其特征在于包括兩個聲光偏轉(zhuǎn)器，兩個聲光偏轉(zhuǎn)器反向平行放置，且聲波頻率相等，兩個聲光偏轉(zhuǎn)器的間距為L，L值滿足(I)式要求L=GDDm2πc2λ3(vf)2---(I)]]>式中v和f分別為聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波速度和頻率，GDDm為二個聲光偏轉(zhuǎn)器帶來的群延時，λ為激光波長。
2.一種可用于飛秒脈沖的聲光調(diào)制器，其特征在于兩個聲光偏轉(zhuǎn)器之間設(shè)有1/2波片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于飛秒脈沖的聲光調(diào)制器，包括兩個聲光偏轉(zhuǎn)器，兩個聲光偏轉(zhuǎn)器反向平行放置，且聲波頻率相等，兩個聲光偏轉(zhuǎn)器的間距為L±10％L，L值滿足(I)式要求，式中v和f分別為聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波速度和頻率，GDD
文檔編號G02F1/01GK1967316SQ20061001991
公開日2007年5月23日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月4日
發(fā)明者畢昆, 曾紹群, 駱清銘, 李德榮 申請人:華中科技大學(xué)