專利名稱：緊湊型脈沖色散器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)方向，具體的講是涉及一種緊湊型脈沖色散器。
背景技術(shù)：
超強(qiáng)超短激光科學(xué)研究以超強(qiáng)超短激光的創(chuàng)新發(fā)展、超強(qiáng)超短激光與物質(zhì)的相互作用、以及在交叉學(xué)科與相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域中的前沿基礎(chǔ)為對(duì)象，是當(dāng)前國(guó)際上現(xiàn)代物理學(xué)乃至現(xiàn)代科學(xué)中一個(gè)非常重要的科學(xué)前沿領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，脈沖展寬/壓縮技術(shù)是其中一個(gè)十分關(guān)鍵的單元技術(shù)。例如，在目前常見的飛秒啁啾脈沖放大(CPA)和光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)系統(tǒng)中，其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是在進(jìn)行激光放大之前將信號(hào)光脈沖進(jìn)行展寬(從飛秒級(jí)展寬到近納秒級(jí))。這樣既可以在達(dá)到飽和放大前有效地避免激光對(duì)放大介質(zhì)的損傷，又可以大大提高激光放大效率，從而經(jīng)脈沖壓縮器壓縮后得到超高激光脈沖功率輸出。脈沖展寬/壓縮是通過頻率啁啾來實(shí)現(xiàn)的，可以通過引入光學(xué)介質(zhì)的材料色散或角色散得到，如可以利用光柵和棱鏡的色散效應(yīng)而得到。目前常用的脈沖展寬器有兩種一是光柵脈沖展寬器，如

圖1所示，光柵對(duì)逆平行放置，在光柵對(duì)之間放置兩個(gè)透鏡，將兩透鏡按共焦放置成一望遠(yuǎn)系統(tǒng)，光柵離開了望遠(yuǎn)鏡的前后焦面而向透鏡靠近，脈沖四次通過光柵，產(chǎn)生足夠大的正群速度色散，從而使脈沖得到展寬。為了消除因光柵色散引起的光束的像散，光的入射角應(yīng)接近Littrow角。此外，光柵展寬器中的透鏡引入的色差會(huì)引起三次頻率相關(guān)相位，而球差會(huì)引起四次頻率相關(guān)相位。光柵展寬/壓縮器對(duì)光脈沖的透過率為70％左右，它們的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。另外，對(duì)高功率/能量的脈沖要用尺寸較大的光柵，價(jià)格比較昂貴，且不易保養(yǎng)，使用壽命相對(duì)較短。另外對(duì)機(jī)械部件要求也比較高。
二是傳統(tǒng)的棱鏡對(duì)-色散補(bǔ)償器，如圖2所示，當(dāng)脈沖通過棱鏡P1時(shí)，棱鏡將不同波長(zhǎng)的光按照不同的角度折射出去，再進(jìn)入到第二個(gè)棱鏡P2。由于短波長(zhǎng)光比長(zhǎng)波長(zhǎng)光的折射角度大，這樣光脈沖中不同波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)著不同的行進(jìn)光程，短波長(zhǎng)成分光經(jīng)過的光程更小，從而達(dá)到負(fù)的群速度色散目的。通過調(diào)節(jié)棱鏡對(duì)插入光束的深度，可以方便地控制所需的群速度色散。它工作在布儒斯特角，因而它的損耗也較小。但微弱的角度色散會(huì)導(dǎo)致要求兩個(gè)棱鏡頂點(diǎn)之間的距離很遠(yuǎn)，因而限制了傳統(tǒng)棱鏡裝置所能產(chǎn)生的色散量。
傳統(tǒng)的光柵/棱鏡色散器，調(diào)整比較復(fù)雜，對(duì)失調(diào)也比較敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種緊湊型脈沖色散器，該色散器由兩個(gè)等腰直角棱鏡組合構(gòu)成，在光正入射條件下工作，僅依靠光學(xué)材料本身色散達(dá)到脈沖整形的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)超短脈沖的展寬/壓縮。
本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于該色散器由兩個(gè)等腰直角棱鏡構(gòu)成，二者的斜面相對(duì)平行放置，且其中之一可沿其斜表面方向進(jìn)行平行移動(dòng)，以調(diào)節(jié)色散器的色散量。色散量與棱鏡的斜表面間的空氣間隙長(zhǎng)度無關(guān)。
在兩塊棱鏡中間可至少加入一塊平板，使得色散量的調(diào)節(jié)更加方便。
各棱鏡、或是各平板的材料可以互不相同，以更方便地調(diào)節(jié)高級(jí)色散量。
在棱鏡的斜表面上、或者是平板的通光面上可鍍有增透膜，以降低損耗。
如果確定了所需的色散量，在棱鏡和棱鏡之間、或者是棱鏡與平板之間、或者是平板與平板之間可通過深化光膠膠合在一起，深化光膠的折射率分別與兩側(cè)的棱鏡或平板的折射率匹配，以減少損耗。
本發(fā)明色散器在光正入射條件下工作。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.整個(gè)裝置引入的色散只有材料色散，沒有角色散，因而對(duì)光路失調(diào)不敏感；2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易調(diào)整，成本低，對(duì)機(jī)械調(diào)整精度的要求也低；
3.可以通過調(diào)整兩個(gè)棱鏡之間的相對(duì)位移量達(dá)到調(diào)整色散量的目的，操作靈活性強(qiáng)；4.損耗少。
5.由于沒有角色散，兩塊棱鏡可以使用不同的材料，這意味著多一個(gè)自由度去控制二階和三階色散；6.如果需要，可以方便地在兩塊棱鏡中間加入一塊或者多塊平板，平板的材料可以互不相同，從而使得色散量的調(diào)節(jié)更加方便；7.在不鍍?cè)鐾改r(shí)，改變?nèi)肷洳ㄩL(zhǎng)時(shí)不需重新調(diào)整光路，其適用波長(zhǎng)范圍只受限于材料的吸收光譜特性；8.本發(fā)明的設(shè)計(jì)尺寸不受入射光脈沖的譜寬限制。(對(duì)于光柵/棱鏡對(duì)脈沖色散器來說，入射光脈沖的譜寬越寬，要求光柵/棱鏡尺寸越大，所以具有譜寬限制)；9.因?yàn)楣馐钦肷?，避免了像差的產(chǎn)生；另一方面，在本發(fā)明中，由于光經(jīng)過了多次反射，因此它的色散量要比傳統(tǒng)的棱鏡對(duì)-色散補(bǔ)償器大很多。
附圖概述附圖1光柵對(duì)-脈沖展寬器結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2棱鏡對(duì)-色散補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4本發(fā)明加入一塊平板后的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖5深化光膠的折射率遞變圖附圖6本發(fā)明加入n塊平板后的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖7本發(fā)明用于飛秒啁啾脈沖再生放大激光系統(tǒng)示意圖；附圖8高重復(fù)率飛秒啁啾脈沖再生放大激光系統(tǒng)示意圖；附圖9本發(fā)明用于飛秒啁啾脈沖參量放大激光系統(tǒng)示意圖。
具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解
如圖3-9所示，標(biāo)號(hào)1-4分別表示棱鏡1、棱鏡2、平板3、入射光4、棱鏡的直角邊長(zhǎng)度L、兩個(gè)棱鏡的頂點(diǎn)間的距離d、入射光到棱鏡邊緣的距離x。光脈沖從右側(cè)正入射進(jìn)入到左邊的直角棱鏡的斜表面后，經(jīng)在兩棱鏡內(nèi)部多次來回后從左邊的直角棱鏡的斜表面輸出。
棱鏡對(duì)產(chǎn)生的總體的材料色散為d2φm(ω)dω2=λ32πc2d2n(λ)dλ2N(22L)=2Lλ3πC2d2n(λ)dλ2N---(1)]]>d和N受限于棱鏡的斜邊長(zhǎng)度，其關(guān)系可由下式估算N=[2L/2-xd]---(2)]]>所以d越大，N越小，從式(1)可知引入的色散量就越小。
實(shí)施例本實(shí)施例由兩個(gè)等腰直角棱鏡1、2構(gòu)成，二者的斜面相對(duì)交錯(cuò)放置，相對(duì)位移量為d，且其中一棱鏡可沿另一棱鏡斜表面方向和垂直于斜表面的水平方向移動(dòng)。
使用時(shí)，如圖3所示，光脈沖從棱鏡1的一側(cè)正入射，入射光中心4到棱鏡1邊緣的距離為x，經(jīng)在棱鏡1、2內(nèi)部多次來回后從另一側(cè)輸出。通過調(diào)整兩個(gè)棱鏡之間的相對(duì)位移量d來調(diào)整光在兩個(gè)棱鏡之間的來回次數(shù)N，從而達(dá)到調(diào)整色散量的目的。
為了減小損耗，可在棱鏡1、2的斜表面鍍?cè)鐾改?，如果兩棱鏡1、2的斜表面鍍?cè)鐾改ぃ庠谏⑵骼镞厑砘?0次，損耗只有約2％。本實(shí)施例既使沒有鍍膜，損耗也只有由菲涅洱反射所引起的4％左右，而光柵展寬/壓縮器的損耗約30％左右。
為了減小損耗，如果確定了所需的色散量，還可用深化光膠(見圖5)將兩透鏡1、2膠合在一起，深化光膠的兩側(cè)折射率分別等于兩側(cè)的棱鏡的折射率，從而達(dá)到光傳播時(shí)介質(zhì)折射率的遞變。
由于沒有角色散，棱鏡1、2可以使用不同的材料，這意味著多一個(gè)自由度去控制二階和三階色散。而對(duì)傳統(tǒng)的棱鏡對(duì)-色散補(bǔ)償器來說，為了準(zhǔn)直色散光束，兩個(gè)棱鏡必須是同一材料制成；本實(shí)施例中如果需要，如圖4、6所示，可以在兩塊棱鏡1、2中間加入一塊或者多塊光學(xué)玻璃平板3，當(dāng)加入多塊平板3時(shí)，各塊平板的材料可以互不相同，從而使得色散量的調(diào)節(jié)更加方便。在進(jìn)行色散補(bǔ)償時(shí)，除補(bǔ)償群速度色散外，最好是盡可能補(bǔ)償高介色散，不同材料的群速度色散與其高級(jí)色散的比值是不同的，所以用多種材料可以同時(shí)進(jìn)行多介色散的補(bǔ)償。
總之本實(shí)施例包括兩個(gè)等腰直角棱鏡，根據(jù)需要，可以利用不同材料棱鏡的組合或在兩棱鏡之間插入不同材料的光學(xué)玻璃平板和光柵對(duì)脈沖壓縮器配合達(dá)到脈沖寬度最小化。為減少損耗，在兩棱鏡的斜表面(或插入不同材料的光學(xué)玻璃平板表面)可鍍?cè)鐾改?，或者如果確定了所需的色散量，在棱鏡和棱鏡之間、或者是棱鏡與平板之間、或者是平板與平板之間用折射率匹配的光膠連接，即深化光膠的折射率分別與兩側(cè)的棱鏡或平板的折射率匹配。
本實(shí)施例兩個(gè)等腰直角棱鏡的斜面相對(duì)交錯(cuò)放置，光脈沖正入射到一個(gè)棱鏡表面后，在兩個(gè)棱鏡間經(jīng)多次反射后，從另一個(gè)棱鏡表面出射(如圖3所示)，由于棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，在棱鏡對(duì)中的多次反射使得不同波長(zhǎng)的光在傳播過程中產(chǎn)生了群速度色散，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖的展寬。
本實(shí)施例應(yīng)用在飛秒啁啾脈沖再生放大激光系統(tǒng)(見圖7)中輸入一個(gè)飛秒級(jí)的脈沖種子光，用本實(shí)施例產(chǎn)品將之展寬為200皮秒左右，再進(jìn)入鈦寶石再生放大器進(jìn)行放大，最后在輸出端利用光柵對(duì)壓縮，獲得超短超強(qiáng)輸出強(qiáng)激光。
本方案采用的方法是，用棱鏡1、2取代原再生放大裝置中的光柵展寬器，用它對(duì)入射的飛秒激光進(jìn)行展寬，調(diào)整量小，損耗少，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)節(jié)省了費(fèi)用。利用多種棱鏡的組合和光柵對(duì)脈沖壓縮器配合達(dá)到脈沖寬度最小化。
對(duì)于高重復(fù)率的飛秒啁啾脈沖再生放大激光系統(tǒng)(如文獻(xiàn)Opt.Lett.，29(22)，2665(2004)所描述)，也可用傳統(tǒng)的棱鏡對(duì)脈沖展寬器產(chǎn)生負(fù)啁啾，本尖施例的脈沖色散器作為壓縮器(見圖8)。
本方案采用的方法是，用棱鏡對(duì)取代原OPCPA裝置中的展寬器，對(duì)入射的飛秒激光進(jìn)行展寬，調(diào)整量小，損耗少，且避免了像差的產(chǎn)生，它產(chǎn)生的色散量為2Lλ3πc2d2n(λ)dλ2N,]]>其中，λ為入射光的波長(zhǎng)，n(λ)為介質(zhì)中波長(zhǎng)為λ的光的折射率，c為真空中的光速，N是光通過棱鏡對(duì)的次數(shù)。
本實(shí)施例應(yīng)用在飛秒光參量啁啾脈沖再生放大激光系統(tǒng)中應(yīng)用于OPCPA的主要原理如圖9所示。先將10飛秒超短脈沖信號(hào)光用本展寬器展寬成0.5納秒啁啾脈沖，再以1納秒的Nd:YAG激光的倍頻光作為光學(xué)參量放大器的泵浦源，利用LBO或BBO、KDP等非線性晶體進(jìn)行光學(xué)參量放大，最后在輸出端利用光柵對(duì)壓縮，獲得超短超強(qiáng)激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于該色散器由兩個(gè)等腰直角棱鏡構(gòu)成，二者的斜面相對(duì)平行放置，且其中之一可沿其斜表面方向進(jìn)行平移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于所述的棱鏡的斜表面上可鍍有增透膜，以降低損耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于所述的兩透鏡可通過深化光膠膠合在一起，深化光膠的兩側(cè)折射率分別與兩側(cè)的棱鏡的折射率匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于所述的兩塊棱鏡中間可至少加入一塊平板，從而使得色散量的調(diào)節(jié)更加方便。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于當(dāng)所述的各棱鏡、或者是各平板的材料可以互不相同，以更方便地調(diào)節(jié)高級(jí)色散量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于所述平板的通光面上可鍍有增透膜，以降低損耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于所述的棱鏡與平板之間、或者是平板與平板之間可通過深化光膠膠合在一起，深化光膠的折射率分別與兩側(cè)的棱鏡或平板的折射率匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型脈沖色散器，其特征在于所述的色散器在光正入射條件下工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)方向，具體的講是涉及一種緊湊型脈沖色散器，該色散器由兩個(gè)等腰直角棱鏡組合構(gòu)成，在光正入射條件下工作，僅依靠光學(xué)材料本身色散達(dá)到脈沖整形的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)超短脈沖的展寬/壓縮，其特點(diǎn)是引入的色散只有材料色散，沒有角色散，因而對(duì)光路失調(diào)不敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易調(diào)整，成本低，對(duì)機(jī)械調(diào)整精度的要求也低，操作靈活性強(qiáng)，損耗少，因?yàn)楣馐钦肷洌苊饬讼癫畹漠a(chǎn)生。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1752833SQ200510031020
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者徐世祥, 吳健, 彭艷, 韓曉紅, 曾和平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)