專利名稱：飛秒脈沖壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒激光脈沖，特別是一種利用高效率亞波長深刻蝕透射式 光柵構(gòu)成的飛秒脈沖壓縮裝置。
背景技術(shù)：
飛秒激光脈沖具有峰值功率高和持續(xù)時間短等優(yōu)點，因此在物理、生物、 化學(xué)以及微制造和微加工方面有廣泛的應(yīng)用。
通常情況下，飛秒諧振腔中產(chǎn)生的激光脈沖由于腔內(nèi)增益介質(zhì)等材料的 色散,因而帶有正啁啾。為了補償材料色散的影響,達到壓縮脈沖的目的， 一般 會在腔內(nèi)和腔外插入負(fù)色散元件。目前棱鏡對是最廣泛使用的色散補償元件, 它具有能量損耗低的優(yōu)點，但是由于棱鏡的角色散比較小，因此為了補償腔內(nèi) 材料色散，棱鏡對之間的距離一般會很大，必須使用多個反射鏡才能使光路緊 湊，這樣光路就復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)龐大而不易調(diào)節(jié)。
在先技術(shù)l[E. B. Treacy, IEEE J. Quantum Electron. QE-5, 454-458(1969)] 和在先技術(shù)2
中提出了使
用反射式全息光柵對進行脈沖壓縮的方法。在先技術(shù)3[周常河，白冰，利用 達曼光柵對產(chǎn)生多脈沖的裝置，發(fā)明專利，公開號CN1786750]采用低密度 光柵對再接反射鏡的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對飛秒脈沖的共線分束及壓縮。在先技術(shù)4[周 常河，鄭將軍，飛秒脈沖壓縮裝置，發(fā)明專利，公開號CN200959058]提出 利用倍密度光柵對進行飛秒脈沖壓縮,從而進一步簡化了裝置。
在先技術(shù)3、 4考慮的是利用低密度光柵實現(xiàn)飛秒脈沖壓縮，它們的缺點就 是能量利用率低，裝置結(jié)構(gòu)大。
高密度光柵由于能夠產(chǎn)生很大的角色散，因此作為展寬器和壓縮器，被廣泛應(yīng) 用于啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)中，以往所采用的光柵一般是反射式全息光柵。 由于飛秒激光諧振腔內(nèi)的材料色散比較小，高密度光柵對之間的距離會非常 小,光束的通光口徑受到限制，這使得反射式光柵結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中存在非常 大的技術(shù)難度。而使用透射式光柵結(jié)構(gòu)就會使問題較易解決。但如果使用透 射式全息光柵，首先不能保證-1級衍射級次的高效率，其次質(zhì)量良好的透射
全息光柵很難制作，這就是本發(fā)明要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的困難，提供一種飛秒脈沖壓縮裝 置，該飛秒脈沖壓縮裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高的特點。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是利用亞波長深刻蝕透射式光柵的高效率和大色散 能力構(gòu)成一種新的飛秒脈沖壓縮裝置，達到結(jié)構(gòu)緊湊，效率高的目的。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下-
一種飛秒脈沖壓縮裝置，其構(gòu)成包括兩個平行放置的第一光柵和第二光 柵，該兩塊光柵具有光柵條紋的一面位于光柵對的內(nèi)側(cè)，所述的第一光柵和 第二光柵均為結(jié)構(gòu)相同的周期為d的亞波長深刻蝕透射式光柵，所述的第二光
柵位于第一光柵透射負(fù)一級衍射級次方向上，待壓縮的飛秒激光脈沖以Bragg 角0入射到第一光柵并滿足光柵方程
2d
其中^為入射角，入o為飛秒激光脈沖的中心波長。 所述光柵的周期d滿足
在所述的第二光柵透射負(fù)一級衍射級次方向上并與該衍射方向垂直地設(shè)
置第一反射鏡，該第一反射鏡可沿豎直方向轉(zhuǎn)動一個小于5。的角度。
經(jīng)所述的第一反射鏡返回并從所述的第一光柵輸出的光路上設(shè)有第二反 射鏡。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明裝置通過選擇合適線密度的亞波長光柵，因為亞波長深刻蝕光柵 是二元光學(xué)元件，制作比較容易，通過對深度、周期等參數(shù)的優(yōu)化得到高效 率，這和以往的全息光柵在衍射機制上是不同的。由于亞波長光柵對之間的 距離非常小,通常小于一個毫米,就可以提供以往棱鏡對的負(fù)色散量，因此這種 壓縮裝置結(jié)構(gòu)極為小巧，而通過對光柵密度,刻蝕深度以及占空比的優(yōu)化可以
使亞波長深刻蝕光柵效率提高到95%以上。


圖1是本發(fā)明裝置實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明裝置實施例2的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。 圖3是本發(fā)明裝置實施例2的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖。
圖4是本發(fā)明實施例的實驗測量時譜圖。 圖5是本發(fā)明實施例的振幅-時間曲線圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明裝置作進一步的說明。
先參閱圖l，由圖可見，本發(fā)明利用亞波長深刻蝕透射式光柵實現(xiàn)飛秒脈
沖壓縮的裝置，包括第一光柵1和第二光柵2。所述兩光柵為亞波長深刻蝕透 射式光柵，兩光柵線密度相等。所述的兩塊光柵平行放置，且具有光柵條紋 的一面位于光柵對的內(nèi)側(cè)。移動所述的第二光柵2以調(diào)節(jié)兩光柵的間距，可以 滿足不同色散量的飛秒脈沖的壓縮。
待壓縮的飛秒脈沖以Bragg角入射到第一光柵1,并滿足光柵方程
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中e為入射角，入o為飛秒脈沖的中心波長。所述的第二光柵2位于第一 光柵1透射負(fù)一級衍射級次方向上。如果對于飛秒脈沖的空間頻譜走離要求 不高時，飛秒激光脈沖只經(jīng)過一次本發(fā)明裝置就可以得到接近變換極限的飛 秒脈沖。
圖2和圖3是本發(fā)明裝置實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例由第一光柵1、 第二光柵2、第一反射鏡3和第二反射鏡4構(gòu)成，第一光柵1和第二光柵2亞 波長深刻蝕透射式光柵，兩光柵線密度相等，周期為d，所述的兩塊光柵平行 放置，且具有光柵條紋的一面位于光柵對的內(nèi)側(cè)，所述的第二光柵2位于第 一光柵1透射負(fù)一級衍射級次方向上，在所述的第二光柵2透射負(fù)一級衍射 級次方向上并與該衍射方向垂直地設(shè)置第一反射鏡3，該第一反射鏡3可沿豎 直方向轉(zhuǎn)動一個小于5°的角度。經(jīng)所述的第一反射鏡3返回并從所述的第一 光柵1輸出的光路上設(shè)有第二反射鏡4。
待壓縮的飛秒激光脈沖以Bragg角0入射到第一光柵并滿足光柵方程
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中^為入射角，^為飛秒激光脈沖的中心波長。 所述光柵的周期d滿足
由于飛秒脈沖的寬譜特點，入射脈沖經(jīng)過第一光柵1后會產(chǎn)生不同方向的 衍射，即角色散。通過第二光柵2，角色散得到補償，并引入了負(fù)群速色散效應(yīng)， 但是仍然存在空間啁啾的影響。為了消除空間啁啾，出射脈沖經(jīng)第一反射鏡3 反射后按原路返回，從而實現(xiàn)脈沖壓縮，同時彌補了空間啁啾和角色散的影響。
所述的將輸出光與輸入光分開的機構(gòu)是在沿入射光線方向上，將第一反 射鏡3沿豎直方向輕微轉(zhuǎn)動一個角度(小于5度)，就可以使得出射光與入射 光分離，從所述的第二反射鏡4得到輸出脈沖。
在先技術(shù)2
和在先技 術(shù)5[Jiangjun Zheng, Changhe Zhou, E謹(jǐn)en Dai, J. Opt. Soc. Am. B. 24, 979-984 (2007)]對有限束徑超短脈沖光的壓縮進行了理論分析和實驗研究。考慮待壓 縮脈沖具有正的線性啁啾，表示為
(<formula>formula see original document page 6</formula>其中b>0， T為入射脈沖的半高全寬(FWHM)， q(z)為高斯光束的復(fù)參數(shù)
TTCT
Z是光束位置到束腰的距離，CJ是束腰半徑。當(dāng)光束經(jīng)過本壓縮裝置(圖1)后，
得到的脈沖頻譜表示為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中E。，Ei分別是出射脈沖和入射脈沖的譜域表示。z是脈沖光在光柵對之間 所走過的距離，參數(shù)卩表示為
通過傅立葉變換可以得到壓縮后脈沖的半高全寬為
<formula>formula see original document page 6</formula>
調(diào)整光柵對的間距，可以使帶有正啁啾的脈沖壓縮到傅立葉變換極限，即r幽=r插+ (乖n2)2]
在以圖1所示的實施例中，與實施例2相比，去掉了第一反射鏡3和第二 反射鏡4，因此待壓縮脈沖只單向經(jīng)過該壓縮裝置，如果對飛秒脈沖的空間譜 分離要求不高,仍然可以實現(xiàn)明顯的壓縮效果。
參考在先技術(shù)2
得到，
當(dāng)飛秒脈沖在光柵對之間走過的距離滿足
_ 81n22A:/ 2
得到的壓縮效果最接近傅立葉變換極限，此時的壓縮脈寬為
一般情況下，式中(3和極限脈沖寬度相比很小，因此光譜空間走離的影響非常 小，可以忽略。
在實施例中，我們所用光柵的周期為經(jīng)過嚴(yán)格耦合波理論計算得到的優(yōu) 化值，根據(jù)嚴(yán)格耦合波理論，光柵周期在低于入射波長的很大范圍內(nèi)，通過對 刻蝕深度等參數(shù)的優(yōu)化，可以在入射脈沖中心波長為S00nm的極寬光譜范圍內(nèi) 達到高效率，這是低密度光柵和以往全息光柵無法比擬的優(yōu)點。
制作過程為全息曝光石英鉻片，然后用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕的方法得 到深度一定，表面形貌良好的亞波長深刻蝕透射式光柵。通過控制刻蝕速度和 刻蝕時間，可以得到效率高達95。/。以上的光柵(參考在先技術(shù)6[Shunquan Wang, Changhe Zhou, Yanyan Zhang, Huayi Ru. App. Opt" 45， 2567 2571(2006)])。
實驗中以coherent公司的摻鈦蘭寶石(Ti: Sapphire)激光諧振腔出射的飛 秒激光脈沖作為待壓縮脈沖，經(jīng)過如圖1所示的結(jié)構(gòu)后，得到壓縮脈沖。初始 脈沖和壓縮后的脈沖均由標(biāo)準(zhǔn)的FROG裝置進行測量(參考在先技術(shù)7[Rick Trebino, "Frequency-Resolved Optical Gating: The Measurement of Ultrashort Laser Pulsed," Kluwer Academic Publishers, (2002)])，結(jié)果示于圖4，圖4 (1) 和圖4 (2)分別給出了脈沖壓縮前后的時譜圖，圖5給出的是壓縮前后脈沖 寬度的時間曲線。
由FROG裝置測量得到，輸入脈沖寬度(FW畫)為73.9fs (飛秒)，譜寬約 21.8nm，調(diào)節(jié)第二光柵2與第一光柵1的間距,使輸入脈沖的群速色散基本得 到補償，測量輸出脈沖寬度為43.2fs，與理論計算的42.6fs很接近。此時第二光
柵2和第一光柵1之間的距離約0.8mm。
本發(fā)明首次提出使用亞波長深刻蝕透射式光柵實現(xiàn)飛秒脈沖的壓縮，使得 壓縮裝置極其小巧，效率非常高，同時深刻蝕亞波長光柵具有在寬的光譜范圍 內(nèi)高效率特性，這一點是以往的高密度全息光柵所不具有的，本發(fā)明裝置可
以替代棱鏡對，用于腔內(nèi)腔外壓縮，從而大大縮小激光器的體積，因此具有廣 闊的商用化前景。
權(quán)利要求
1、一種飛秒脈沖壓縮裝置，特征在于其構(gòu)成包括兩個平行放置的第一光柵(1)和第二光柵(2)，該兩塊光柵具有光柵條紋的一面位于光柵對的內(nèi)側(cè)，所述的第二光柵(2)位于第一光柵(1)透射負(fù)一級衍射級次方向上，所述的第一光柵(1)和第二光柵(2)均為結(jié)構(gòu)相同的周期為d的亞波長深刻蝕透射式光柵，待壓縮的飛秒激光脈沖以Bragg角θ入射到第一光柵(1)并滿足光柵方程
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的飛秒脈沖壓縮裝置，其特征在于所述光柵的周 期d滿足
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖壓縮裝置，其特征是在所述的第二光 柵(2)透射負(fù)一級衍射級次方向上并與該衍射方向垂直地設(shè)置第一反射鏡(3)，該第一反射鏡(3)可沿豎直方向轉(zhuǎn)動一個小于5。的角度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛秒脈沖壓縮裝置，其特征是經(jīng)所述的第一反 射鏡(3)返回并從所述的第一光柵(！)輸出的光路上設(shè)有第二反射鏡(4)。
全文摘要
一種飛秒脈沖壓縮裝置，其構(gòu)成包括兩個平行放置的第一光柵和第二光柵，該兩塊光柵具有光柵條紋的一面位于光柵對的內(nèi)側(cè)，所述的第一光柵和第二光柵均為結(jié)構(gòu)相同的周期為d的亞波長深刻蝕透射式光柵，所述的第二光柵位于第一光柵透射負(fù)一級衍射級次方向上，待壓縮的飛秒激光脈沖以Bragg角θ入射到第一光柵并滿足光柵方程sinθ＝λ₀/2d，其中θ為入射角，λ₀為飛秒激光脈沖的中心波長。本發(fā)明利用亞波長深刻蝕透射式光柵構(gòu)成的飛秒脈沖壓縮裝置飛秒脈沖壓縮裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高的特點。
文檔編號G02F1/35GK101187770SQ20071004818
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者周常河, 偉 賈 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所