專利名稱：具有消除群速度色散功能的氣體延遲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種用于飛秒激光脈沖(10-15秒)的時間延遲器。由于本實用新型具有消除群速度色散功能，可以保證飛秒脈沖經(jīng)過延遲器后脈沖寬度不變。
為了使兩束光脈沖在時間上延遲一定的間隔，以往人們采用的是機械延遲線和壓電陶瓷延遲器等裝置。由于機械加工的限制，前者有精度低、振動大、穩(wěn)定性差、光路調(diào)節(jié)難度大等缺點；后者因為改變光程的尺寸微小，而在使用和調(diào)節(jié)時受到極大的限制。這兩種光延遲器的價格都比較昂貴。普通的氣體壓力延遲線克服了上述的缺點，在用于寬脈沖激光、非相干激光、連續(xù)激光等的時間延遲上具有非常理想的特性。但在用于飛秒脈沖時卻存在著群速度色散問題。氣體延遲線的核心部件為高壓氣體腔，由于高壓氣體腔內(nèi)往往要充20個大氣壓的高氣體，因此它兩端的光學(xué)窗口就必須具有足夠的厚度。當(dāng)飛秒超短脈沖經(jīng)過這樣的光學(xué)窗口時就會由于光的群速度色散造成飛秒超短脈沖的寬化，從而改變了光束的質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是提供一種精度高、穩(wěn)定性強、完全無振動、調(diào)節(jié)范圍大，用于飛秒(10-15秒)光脈沖、調(diào)節(jié)精度可達(dá)阿秒(10-18秒)尺度的并具有消除群速度色散功能的光學(xué)時間延遲器。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案利用氣體在不同的氣壓下對光的折射率不同的原理，通過改變氣體壓力的方法改變光程，達(dá)到光線時間延遲的目的。氣體的壓力通過壓力傳感器及其放大、顯示和輸出電路給出，將壓力的改變量換算成氣體的折射率的變化，折射率的變化量再乘上光線通過的光學(xué)氣體腔的長度，即可得到光程的變化。對于不同的充入氣體、不同的光波波長以及不同的溫度，折射率的變化不同。
以下結(jié)合
本實用新型的構(gòu)成。
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)圖。
圖中1-飛秒激光器；2-飛秒激光束；3-分束器；4-分出的飛秒脈沖光束；5-氣體壓力延遲線的光學(xué)氣體腔；6-光學(xué)氣體腔的入射窗口；7-光學(xué)氣體腔的出射窗口；8-光學(xué)氣體腔與高壓氣室的聯(lián)管；9-高壓氣室；10-安全閥；11-放氣閥；12-氣體壓力傳感器；13-氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路；14-時間延遲讀數(shù)顯示器；15-色散棱鏡；16-色散棱鏡；17-具有正的群速度色散的飛秒脈沖激光束；18-經(jīng)過色散補償?shù)娘w秒脈沖激光束；19-復(fù)原的飛秒脈沖激光束。
本實用新型包含有飛秒激光器1，分束器3，光學(xué)氣體腔5，聯(lián)管8，高壓氣室9，氣體壓力傳感器12，氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路13，讀數(shù)顯示器14，色散棱鏡15、16等。分束器3安裝在飛秒激光器1與光學(xué)氣體腔5之間，使被分束器3分束的透射激光進(jìn)入光學(xué)氣體腔5內(nèi)。光學(xué)氣體腔5和高壓氣室9，通過聯(lián)管8聯(lián)結(jié)，高壓氣室9內(nèi)的高壓氣體經(jīng)聯(lián)管8進(jìn)入光學(xué)氣體腔5中，兩者的壓力相同。在高壓氣室9安有氣體壓力傳感器12，氣體壓力傳感器12同氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路13連接，經(jīng)過氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路13的處理，把高壓氣體室9的壓力，也就是光學(xué)氣體室5內(nèi)的壓力，轉(zhuǎn)換成時間延遲量，由讀數(shù)顯示器14顯示。在光學(xué)氣體腔5的出射端放置有色散棱鏡15和16，色散棱鏡15和16成對角設(shè)置，色散棱鏡15使飛秒脈沖產(chǎn)生正的啾啾效應(yīng)，色散棱鏡16使飛秒脈沖產(chǎn)生負(fù)的啾啾效應(yīng)。
光學(xué)氣體腔5的兩端有入射窗口6和出射窗口7，入射窗口6同分束器3相對應(yīng)，從分束器3透過的飛秒激光，經(jīng)入射窗口6進(jìn)入光學(xué)氣體腔5內(nèi)，出射窗口7同色散棱鏡15相對應(yīng)，從出射窗口7出射的激光脈沖首先照射在色散棱鏡15上。
本實用新型的高壓氣室9上有放氣閥11和安全閥10，放氣閥11用來充入和放出高壓氣室9和光學(xué)氣體腔5內(nèi)的氣體。
本實用新型的具體工作原理和過程如下由飛秒激光器1發(fā)出的飛秒脈沖激光束2首先由分束器3進(jìn)行分光，分束器3對激光束2的整個頻譜具有相同的反射率，不會造成選頻效應(yīng)。分出的激光束4由于沒有穿過光學(xué)元件而沒有群速度色散的產(chǎn)生，飛秒脈沖的寬度沒有發(fā)生改變。激光束4在實際應(yīng)用中可作為另外一束激光，如在四波混頻的實驗中作為非延遲光束。透過分束器3的飛秒脈沖光束穿過氣體5的入射窗口6和出射窗口7，在本實施例中入射窗口6和出射窗口7采用K9玻璃材料或石英玻璃材料，折射率約為1.5。由于入射窗口6、出射窗口7以及分束器3的作用，會使飛秒脈沖產(chǎn)生正的啾啾效應(yīng)，因此，從出射窗口7出射的飛秒脈沖寬度已經(jīng)展開，并發(fā)生了頻率分離。出射的激光束17經(jīng)由色散棱鏡15將光脈沖按頻率進(jìn)一步分離，使低頻部分超前，高頻部分滯后，脈沖寬度進(jìn)一步展寬變?yōu)槊}沖激光束18；脈沖激光束18照射在另外一塊色散棱鏡16上，產(chǎn)生負(fù)的啾啾效應(yīng)，從而使飛秒脈沖的時間寬度復(fù)原。將氣體壓力延遲線的光學(xué)氣體腔5和高壓氣室9充入高壓氣體，本實施例采用氮氣，光氣體腔5的初始壓力為20個大氣壓。打開放氣閥11，使光學(xué)氣體腔5和高壓氣室9內(nèi)的氣壓均勻緩慢地降低。光線經(jīng)過光學(xué)入射窗口6和出射窗口7穿過氣體壓力延遲線的光學(xué)氣體腔5，由放氣閥11排出的氣體調(diào)整光學(xué)氣體腔5內(nèi)的壓力，因此，改變了飛秒脈沖激光束的光程。通過氣體壓力傳感器12測定光學(xué)氣體腔5體內(nèi)的氣體壓力，氣壓信號經(jīng)過放大與時間延遲量的轉(zhuǎn)換電路13變?yōu)榭芍苯幼x出時間延遲量的數(shù)值和光程的變化，由讀數(shù)顯示器14顯示。
以上所描述的裝置，其光程延遲精度取決于所使用的壓力傳感器的精度。如壓力傳感器的測量精度為1000Pa，時間延遲的精度約為10-18秒。而機械延遲線的精度要達(dá)到1飛秒，就意味著超高精度的機械加工和昂貴的價格。本實用新型由于沒有機械活動部分，因此氣體延遲線完全無振動，不會造成光線抖動和偏折。相對于壓電陶瓷的光程延遲方法來說，氣體延遲線具有大的調(diào)節(jié)范圍。該范圍取決于延遲線光學(xué)氣體腔的長度和可充入氣體的最大氣壓。在氣體延遲線的高壓光學(xué)氣體腔的長度為30厘米，充入氣體(氮氣)的壓力為20個大氣壓時，光程的最大變化為0-6000飛秒。充入氣體的光學(xué)氣體腔長度越長，充氣壓力越大，光程變化范圍也就越大。為了消除飛秒脈沖通過氣體延遲線前后窗口時產(chǎn)生的正的啾啾效應(yīng)，消除群速度色散，用兩塊折射率為1.5的三角棱鏡對角放置，做色散補償，即產(chǎn)生負(fù)的啾啾效應(yīng)，使飛秒脈沖復(fù)原。因此，本實用新型具有精度高、調(diào)節(jié)范圍大、穩(wěn)定性高、無振動、無散射、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價低廉等特點。
權(quán)利要求1.一種具有消除群速度色散功能的氣體延遲器，主要由飛秒激光器(1)，分束器(3)，光學(xué)氣體腔(5)，聯(lián)管(8)，高壓氣室(9)，氣體壓力傳感器(12)，氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路(13)，讀數(shù)顯示器14，色散棱鏡15、16等組成，其特征是在飛秒激光器(1)與光學(xué)氣體腔(5)之間安裝有分束器(3)，光學(xué)氣體腔(5)和高壓氣室(9)通過聯(lián)管(8)聯(lián)結(jié)，安在高壓氣室(9)上的氣體壓力傳感器(12)同氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路(13)連接，氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路(13)的輸出，同讀數(shù)顯示器(14)連接，在光學(xué)氣體腔(5)的出射端放置有色散棱鏡(15)和(16)，色散棱鏡(15)和(16)成對角設(shè)置；飛秒激光器(1)發(fā)出的脈沖激光光束(2)，在分束器(3)處分光，透過的脈沖激光束進(jìn)入光學(xué)氣體腔(5)，從光學(xué)氣體腔(5)出射的脈沖激光束(17)先經(jīng)過色散棱鏡(15)，然后經(jīng)色散棱鏡(16)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消除群速度色散功能的氣體延遲器，其特征是光學(xué)氣體腔(5)的入射窗口(6)同分束器(3)相對應(yīng)，出射窗口(7)同色散棱鏡(15)相對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有消除群速度色散功能的氣體延遲器，其特征是高壓氣室(9)上安裝有安全閥(10)和放氣閥(11)。
專利摘要本實用新型屬于一種用于光學(xué)技術(shù)中具有消除群速度色散功能的飛秒激光脈沖氣體時間延遲器。主要包含有飛秒激光器,分束器,光學(xué)氣體腔,聯(lián)管,高壓氣室,氣體壓力傳感器,氣壓信號放大與時間延遲量轉(zhuǎn)換電路,讀數(shù)顯示器,色散棱鏡等。由于它具有消除群速度色散功能,可以保證飛秒脈沖經(jīng)過該延遲器后脈沖寬度不變。本實用新型的時間延遲精度可高達(dá)阿秒(10～18秒),另外具有時間延遲調(diào)節(jié)范圍大、穩(wěn)定性高、無振動、無散射、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價低廉等特點。
文檔編號G01J9/00GK2420631SQ00235019
公開日2001年2月21日 申請日期2000年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月11日
發(fā)明者秦偉平, 陳寶玖, 黃世華, 王海宇, 呂少哲 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所