專利名稱：飛秒雙脈沖的光柵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光柵對(duì)分束及測量等領(lǐng)域，特別是利用中低密度光柵構(gòu)造的飛秒雙脈沖的光柵裝置。可用于飛秒激光的分束及測量。
背景技術(shù)：
超短飛秒脈沖具有非常高的峰值功率，而且持續(xù)時(shí)間短，因此在物理、化學(xué)、生物、制造和加工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
目前的飛秒測量技術(shù)都必須對(duì)脈沖分光，分光過程都將對(duì)輸入脈沖產(chǎn)生一定的調(diào)制。普通的半透半反鏡將引入材料色散，為避免材料色散的缺點(diǎn)，半透半反鏡的厚度就必須制造得很薄，不僅難于加工，而且容易損壞。如使用角錐反射鏡，即通過反射鏡面相交的棱放置在光束的中心，雖在空間上分離了光束，但原本的光束中心就變成了分束后光束的邊緣，分束后的飛秒激光光束質(zhì)量難以保證。
而反射光柵的優(yōu)點(diǎn)則是，與材料無關(guān)，可忽略其引入的高階色散。用光柵對(duì)使原路返回的共線分光技術(shù)，構(gòu)造的雙脈沖無角色散，無頻譜空間走離。使用低密度反射光柵裝置，輸出脈沖的脈寬的改變量極小。
最近，在先技術(shù)1[周常河，李國瑋，發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?00510026066.9]提出采用低密度的達(dá)曼光柵對(duì)的飛秒激光分束技術(shù)，該技術(shù)核心是使用低密度光柵對(duì)分光，利用多個(gè)衍射級(jí)次，對(duì)每個(gè)單獨(dú)的級(jí)次都采用相同密度的達(dá)曼光柵進(jìn)行補(bǔ)償。在先技術(shù)2[周常河，戴恩文，發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?00510026555.4]采用低密度的光柵對(duì)飛秒激光進(jìn)行測量；在先技術(shù)3[周常河，白冰利用達(dá)曼光柵對(duì)產(chǎn)生多脈沖的裝置，發(fā)明專利，已申請(qǐng)]采用低密度光柵對(duì)再接反射鏡的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛秒激光的共線分束和壓縮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種飛秒脈沖的光柵裝置，該光柵裝置不需要使用反射鏡，結(jié)構(gòu)更加簡單，體積更小，容易操作，效率更高。本裝置可用于產(chǎn)生高質(zhì)量的無空間啁啾，無角色散，可調(diào)節(jié)的共線飛秒雙脈沖序列。選用合適閃耀光柵，可以使得標(biāo)量理論衍射效率接近100％。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是由三個(gè)中低密度反射式光柵構(gòu)成，一飛秒激光光束垂直入射至第一光柵產(chǎn)生衍射，第二光柵和第三光柵分別置于第一光柵的正級(jí)衍射光和負(fù)級(jí)衍射光的光路上，所述的第二光柵和第三光柵的光柵密度為第一光柵的光柵密度與衍射級(jí)次乘積的二倍。
所述的第二光柵和第三光柵分別置于第一光柵的+1級(jí)衍射光和-1級(jí)衍射光的光路上。
所述的第二光柵或第三光柵置于一微移動(dòng)臺(tái)上。
所述的第一光柵的槽型為三角或余弦形狀光柵，所述的第二光柵和第三光柵為臺(tái)階型光柵所述的第一光柵、第二光柵、第三光柵為達(dá)曼光柵或閃耀光柵。
本發(fā)明首次提出二倍密度匹配光柵對(duì)的思想。后兩塊補(bǔ)償光柵的密度是第一個(gè)光柵密度乘以衍射級(jí)次的二倍，因此，入射至其表面的光將原路返回，相對(duì)常用光柵對(duì)使用反射鏡將光原路返回，整個(gè)光路結(jié)構(gòu)更加簡單緊奏。相對(duì)以前的飛秒分束和測量方式，本方案僅僅采用反射光柵，就可以獲得共線的飛秒分束和壓縮功能。低密度反射光柵對(duì)飛秒脈沖影響小，可以用在構(gòu)造共線雙脈沖、飛秒加工、泵浦探測技術(shù)等許多方面。


圖1為本發(fā)明飛秒雙脈沖的光柵裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-為周期為d的第一光柵，2-為周期為d/2的第二光柵、3-為周期為d/2的第三光柵，即二倍密度光柵，4-微移動(dòng)平臺(tái)，L為光柵垂直間距，D為入射光束直徑，θ為衍射角，本實(shí)施例的衍射過程均為一級(jí)衍射。
圖2為光柵對(duì)引入的負(fù)群速色散同光柵周期的關(guān)系。光柵對(duì)間距L恒定為30厘米，輸入脈沖寬度為80fs。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例測量的FROG頻率和時(shí)間譜圖。光柵1線密度為25線/毫米，光柵2、3的線密度為50線/毫米。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例測量得到的強(qiáng)度曲線和相位曲線，其中實(shí)線表示強(qiáng)度，虛線表示相位。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明的依據(jù)如下先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明飛秒雙脈沖的光柵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明飛秒雙脈沖的光柵裝置，由三個(gè)中低密度反射式光柵構(gòu)成，一飛秒激光光束垂直入射至第一光柵1產(chǎn)生衍射，第二光柵2和第三光柵3分別置于第一光柵1的+1級(jí)衍射光和-1級(jí)衍射光的光路上，所述的第二光柵2和第三光柵3的光柵密度為第一光柵1的光柵密度的二倍。所述的第三光柵3置于一微移動(dòng)臺(tái)上。
所述的第一光柵的槽型為三角或余弦形狀光柵，所述的第二光柵和第三光柵為臺(tái)階型光柵所述的第一光柵、第二光柵、第三光柵為達(dá)曼光柵或閃耀光柵。
一飛秒激光光束垂直入射至第一光柵1表面，其+1和-1級(jí)衍射光分別被后兩塊光柵原路返回，最后經(jīng)第一光柵1出射。第二光柵2和第三光柵3與第一光柵1的垂直間距為L，第三光柵3放置于微動(dòng)平臺(tái)4上，用于調(diào)節(jié)輸出兩束衍射光的時(shí)間延遲，構(gòu)造可調(diào)節(jié)的共線雙脈沖。入射光束的束直徑為D，L足夠長，可使+1級(jí)衍射光及-1級(jí)衍射光和入射光分開。為使得入射脈沖能夠同輸出脈沖分開，可將入射光束沿光柵凹槽方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度，從而使得第一塊光柵上的輸入光斑和輸出光斑分開。
在如圖1所示的光柵裝置下，假設(shè)輸入脈沖在時(shí)域和空域均為高斯型，根據(jù)光柵對(duì)對(duì)有限束徑超短脈沖的衍射理論[J.Opt.Soc.Am.B.3，929-934(1986)]，結(jié)合光柵方程和Fresnel-Kirchhoff方程計(jì)算輸出單個(gè)輸出脈沖的性質(zhì)。
根據(jù)光柵方程，垂直入射情形下，光束從輸入到輸出共三次衍射，三次衍射角θi分別滿足sinθ1＝λ/d1，sinθ1+sinθ2＝λ/d2，sinθ3＝λ/d1。根據(jù)光柵密度關(guān)系1/d2＝2/d1可知，θ1＝θ2＝θ3。因此，垂直入射情形下，所有衍射均取一級(jí)衍射的情形下，光束將嚴(yán)格按原路返回。
輸入光束具有一定的束徑，具有一定的發(fā)散角?？紤]到實(shí)際運(yùn)用中的飛秒激光束發(fā)散角小，準(zhǔn)直性好，可以采取的小角度近似方法進(jìn)行分析。若以高斯光束入射，則計(jì)算得到出射脈沖在頻域的表達(dá)為a6(x6，y6，ω)∝exp(ikβ3ωx6)a5(x6α3，y6，ω)=αi(ω)exp(-ik2y62q(d+2z))×exp(ikβ2ω2z)]]>×exp(-ik21q(d+2α2z)x62)]]>
其中ai(ω)是入射脈沖頻譜，(x6，y6)是出射面空間坐標(biāo)，ω為頻率同脈沖中心頻率的差，β與α均來自于小角度近似Δθ＝αΔγ+βω，其中γ為入射角，θ為衍射角。q(d)＝d+iπσ2/λ，其中σ為高斯光束束腰半徑。z為中心頻率分量垂直入射在兩光柵間傳輸?shù)木嚯x。上式中無頻率和空間項(xiàng)的耦合，這說明輸出脈沖無空間啁啾和角色散，脈寬不隨傳輸?shù)木嚯x改變，空間傳輸遵從高斯光束的性質(zhì)。根據(jù)傅立葉變換，將得到脈沖時(shí)域的分布也不存在時(shí)間項(xiàng)和空間項(xiàng)的耦合，即不存在脈沖傾斜等畸變，光束的質(zhì)量優(yōu)良。
光束的空間分布，從空間項(xiàng)可以看出，光斑的形狀和波前存在一定的畸變，主要由d+2α2z同d+2z的差別決定。對(duì)于低密度光柵，如100線/mm，中心波長為800nm，則|a|＝1.00322，這使得兩者差別可以忽略，光斑及波前畸變極小。一般情況下，若πσ2/λ＞＞d+2α2z以及πσ2/λ＞＞d+2z成立，畸變量也可以完全忽略。實(shí)際中，原路返回式光路引入的光斑畸變量很小。
與高密度光柵不同，低密度光柵對(duì)輸入的超短脈沖影響隨光柵垂直距離的改變很慢，因此可用于飛秒光脈沖的分束測量和控制上，見在先技術(shù)[1][2][3]。光柵對(duì)所產(chǎn)生的色散量取決于光束的傳輸距離z和所選用的光柵線密度，群速色散項(xiàng)正比于光柵線密度的平方和傳輸距離的積，隨光柵密度的改變更快，當(dāng)輸入脈沖無啁啾且光柵線密度足夠低的時(shí)候，如10線/毫米，輸入脈沖和輸出脈沖相比，輸出脈寬相對(duì)輸入脈寬幾乎不變，如圖2所示。由于激光介質(zhì)通常具有正色散，輸出的飛秒脈沖通常帶有正啁啾，光柵通過角色散引入負(fù)群速色散來補(bǔ)償，從而帶來一定的壓縮效應(yīng)。
本發(fā)明中，光柵對(duì)的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛秒脈沖的寬度，在第二光柵2和第三光柵3同第一光柵1之間的距離近似相等時(shí)(見圖1)，使用微動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)第三光柵3同第一光柵1的間距，兩路光出射脈沖的性質(zhì)幾乎完全相同，而時(shí)間延遲導(dǎo)致了飛秒脈沖分離距離在時(shí)間維度上有明顯變化。
利用微光學(xué)技術(shù)制作Dammann光柵三片，使得第二光柵2和第三光柵3的線密度為第一光柵1的兩倍，本實(shí)施例中第一光柵1的線密度為25線/毫米，第二光柵2和第三光柵3的線密度為50線/毫米。在制作好的光柵表面鍍銀和相應(yīng)的保護(hù)膜，這樣得到的Dammann光柵的+1/-1級(jí)衍射效率大約為40％，因此二倍密度光柵對(duì)構(gòu)造雙脈沖裝置的總效率為12.8％左右。第三光柵3放置于微動(dòng)平臺(tái)4上。實(shí)驗(yàn)中，使用摻鈦蘭寶石Ti:Sapphire飛秒激光器產(chǎn)生80～100飛秒左右的脈沖。輸入光束沿光柵線方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度δ，使得輸出脈沖同輸入脈沖成2δ角度，在一定的距離上可將它們完全分開。實(shí)驗(yàn)中，輸入脈沖和輸出雙脈沖均可用標(biāo)準(zhǔn)FROG裝置進(jìn)行測量，所得時(shí)譜圖網(wǎng)格為128×128，使用的非線性介質(zhì)為100μm厚的BBO晶體，使用16位的光譜儀(InSpectrum 300，Acton)。光譜儀測量激光器輸出脈沖中心波長為815nm，F(xiàn)ROG解得其寬度(FWHM)為83.58fs，時(shí)域啁啾為3.12×10-4rad/fs2，F(xiàn)ROG誤差為2.27‰。利用25線/毫米的第一光柵1和50線/毫米的第二光柵2和第三光柵3產(chǎn)生的雙脈沖如圖3所示，其雙脈沖中單個(gè)脈沖的寬度(FWHM)為63.59fs，脈沖間距為365.7fs，F(xiàn)ROG誤差為7.496‰。使用Dammann光柵完全的驗(yàn)證了該裝置的可靠性，考慮到其衍射效率偏低，可選擇合適的光柵，如正弦光柵或者三角光柵作為第一光柵1，則使得第一次衍射效率極為提高，使用閃耀光柵，或者利用微光學(xué)套刻技術(shù)制作臺(tái)階型光柵作為第二光柵2和第三光柵3，在原路返回的條件下，衍射效率接近100％。
本裝置與在先技術(shù)3相比，不需要使用反射鏡，結(jié)構(gòu)更加簡單，體積更小，容易操作，效率更高。本裝置可用于產(chǎn)生高質(zhì)量的無空間啁啾，無角色散，可調(diào)節(jié)的共線飛秒雙脈沖序列。
權(quán)利要求
1.一種飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是由三個(gè)中低密度反射式光柵構(gòu)成，一飛秒激光光束垂直入射至第一光柵產(chǎn)生衍射，第二光柵和第三光柵分別置于第一光柵的正級(jí)衍射光和負(fù)級(jí)衍射光的光路上，所述的第二光柵和第三光柵的光柵密度為第一光柵的光柵密度與衍射級(jí)次乘積的二倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是所述的第二光柵和第三光柵分別置于第一光柵的+1級(jí)衍射光和-1級(jí)衍射光的光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是所述的第二光柵或第三光柵置于一微移動(dòng)臺(tái)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是所述的第一光柵的槽型為三角或余弦形狀光柵，所述的第二光柵和第三光柵為臺(tái)階型光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是所述的第一光柵、第二光柵、第三光柵為達(dá)曼光柵或閃耀光柵。
全文摘要
一種飛秒雙脈沖的光柵裝置，其特征是由三個(gè)中低密度反射式光柵構(gòu)成，一飛秒激光光束垂直入射至第一光柵產(chǎn)生衍射，第二光柵和第三光柵分別置于第一光柵的正級(jí)衍射光和負(fù)級(jí)衍射光的光路上，所述的第二光柵和第三光柵的光柵密度為第一光柵的光柵密度與衍射級(jí)次乘積的二倍。本發(fā)明裝置可以用于構(gòu)造雙脈沖，和以往的裝置比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、全反射式結(jié)構(gòu)、無材料色散、體積小、重量輕等特點(diǎn)，輸出光消除角色散，無空間光譜走離。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1908797SQ200610030280
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者周常河, 鄭將軍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所