專利名稱：超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短激光脈沖，特別是一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，它是一種采用一塊反射式達(dá)曼(Dammann)光柵分束并補(bǔ)償色散的多發(fā)頻率分辨光學(xué)開光法的超短脈沖測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
超短激光脈沖特別是飛秒(fs＝10-15秒)激光脈沖具有時(shí)域超短、寬光譜和高峰值功率特性，是進(jìn)行各種超快現(xiàn)象和非線性過程研究的有力工具。
飛秒激光脈沖測(cè)量有很多種方法，其中頻率分辨光學(xué)開光法(frequency-resolvedoptical gating，F(xiàn)ROG)[參見在先技術(shù)1“Frequency-Resolved optical GatingTheMeasurement of Ultrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002 Kluwer AcademicPublishers]和光譜位相相干電場(chǎng)重構(gòu)法(spectral phase interferometry for directelectric-field reconstruction，SPIDER)[參見在先技術(shù)2“Spectral phaseinterferometryfor direct electric-field reconstructionof ultrashort optical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue 10 1998]，是目前采用較多的兩種方法。
現(xiàn)有的頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，飛秒激光脈沖光1被分束鏡2分成兩束反射的開關(guān)脈沖和透射的探測(cè)脈沖，開關(guān)脈沖經(jīng)過直角反射鏡3沿著反方向反射。該直角反射鏡3被固定在計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)4上。探測(cè)脈沖被直角反射鏡5和反射鏡6反射并與開關(guān)脈沖平行。然后將兩束脈沖光被透鏡7聚焦到非線性晶體8上，產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換，信號(hào)光通過遮光板9被光譜儀10測(cè)量接收，通過微動(dòng)臺(tái)4改變兩束光的時(shí)延差得到強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間和頻率的二維圖譜(FROG Trace)，對(duì)圖譜應(yīng)用迭代算法[參加在先技術(shù)1]得到飛秒脈沖的振幅和位相。
飛秒激光脈沖特別是非常短的脈沖具有很寬的頻譜，因此理想的分束器應(yīng)當(dāng)具有如下性質(zhì)1.分束器的反射膜對(duì)寬光譜具有平坦的反射率。
2.分束器對(duì)透射光的時(shí)域展寬盡量小，吸收盡量小。
3.分束器的反射率跟入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)。
但事實(shí)上目前的分束器很難達(dá)到上述要求，例如，對(duì)于20飛秒以下的超短脈沖，為了減小對(duì)透射光的時(shí)域展寬，要求反射鏡片厚度不超過50微米，同時(shí)要保證表面平整度和基底強(qiáng)度，這是比較難加工的。另外，具有寬光譜的半透半反的膜層也很難鍍制，成本也很高。
另外頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量方法需要保證兩個(gè)脈沖具有相同的光程，由圖1可以看出使用的反射鏡較多，這就增加了光路調(diào)節(jié)的難度。
在先技術(shù)3[Enwen Dai，Changhe Zhou，and Guowei Li，“Dammann SHG-FROGfor characterization of the ultrashort optical pulses”，Opt.Express，Vol.13，No.16，6145-6152]我們提出了一種利用達(dá)曼光柵測(cè)量超短脈沖的方法，該方法利用三塊反射式達(dá)曼光柵將入射光分束并補(bǔ)償色散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置僅利用單塊反射式達(dá)曼光柵代替分束鏡。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，該裝置僅利用一塊1×2反射式達(dá)曼光柵，還包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)、透鏡、非線性晶體和光譜儀，其位置關(guān)系如下所述的反射式1×2達(dá)曼光柵的周期為d(d□λc)，深度為λc/4，光柵刻槽水平放置，當(dāng)一束中心波長(zhǎng)為λc，寬度為τ0的飛秒脈沖光在豎直平面內(nèi)傳輸并以一個(gè)小角度α入射到所述的反射式1×2達(dá)曼光柵上，在垂直平面內(nèi)被分成-1級(jí)和+1級(jí)兩束光，這兩束光被放置在后面的第一反射鏡重新反射到所述的反射式1×2達(dá)曼光柵上，再次衍射后得到兩束平行出射的光，這兩束光分別被第三反射鏡和置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)上的第二反射鏡反射后，再被所述的透鏡聚焦在非線性晶體上，由該非線性晶體的信號(hào)光被光譜儀采集，得到圖譜，根據(jù)圖譜利用優(yōu)化算法可以得到脈沖的振幅和位相。
所述的角度α小于2°。
因?yàn)檫_(dá)曼光柵是一種衍射光學(xué)器件，可以容易地將一束入射光分束成m×n(m，n為整數(shù))束。當(dāng)一束中心波長(zhǎng)為λ的激光垂直入射到到開口比為1∶2的反射式達(dá)曼光柵時(shí)，反射光會(huì)分成強(qiáng)度相同的兩束光，而且出射光與光柵法線的夾角為θ＝sin-1(λ/d)(1)
光柵深度h與反射光的衍射效率有關(guān)η=I+1=I-1=I04π2sin2φ2]]>φ=4πλh]]>(2)其中I+1，I-1分別為+1級(jí)和-1級(jí)反射光的強(qiáng)度，I0為入射脈沖光的強(qiáng)度，h為光柵的深度。由公式2可以得出當(dāng)h＝λ/4時(shí)，每束反射光具有0最高的衍射效率40.5％，總的衍射效率為81％。
與在先技術(shù)3相比該技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)只用一塊反射式達(dá)曼光柵，成本降低。
該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)出射光束的自動(dòng)平行，調(diào)節(jié)更為方便。
出射光路與入射光具有相同的高度，方便測(cè)量。
結(jié)構(gòu)緊湊，裝置體積減小。
綜上所述，本發(fā)明用一塊反射達(dá)曼光柵和三塊反射鏡實(shí)現(xiàn)了超短脈沖光測(cè)量，從而消除了傳統(tǒng)的透/反射式光分束器對(duì)脈沖光的影響，同時(shí)達(dá)曼光柵的制造技術(shù)與微電子加工技術(shù)相兼容，因此具有易加工、成本低的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是標(biāo)準(zhǔn)的超短脈沖FROG測(cè)量裝置。
其中1為入射超短脈沖；2為分束鏡；3為直角錐反射鏡；4計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)；5為直角錐反射鏡；6為反射鏡；7為透鏡；8為非線性晶體；9為光闌；10為光譜儀。
圖2是本發(fā)明利用一塊反射式達(dá)曼光柵的超短脈沖FROG測(cè)量裝置示俯視圖。
圖3是本發(fā)明利用一塊反射式達(dá)曼光柵的超短脈沖FROG測(cè)量裝置示側(cè)視圖。
其中11為入射光；12為1×2反射式達(dá)曼光柵；13，14-1，14-2為反射鏡，15為計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)；16為透鏡；17為非線性晶體；18為光譜儀。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
先請(qǐng)參閱圖2、圖3，圖2和圖3分別是本發(fā)明的測(cè)量裝置的俯視圖和側(cè)視圖，由圖可見本發(fā)明超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，僅利用一塊1×2反射式達(dá)曼光柵12，還包括第一反射鏡13、第二反射鏡14-1、第三反射鏡14-2、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)15、透鏡16、非線性晶體17和光譜儀18，其位置關(guān)系如下所述的反射式1×2達(dá)曼光柵12的周期為d(d□λc)，深度為λc/ 4，光柵刻槽水平放置，當(dāng)一束中心波長(zhǎng)為λc，寬度為τ0的飛秒脈沖光11在豎直平面內(nèi)傳輸并以一個(gè)小角度α入射到所述的反射式1×2達(dá)曼光柵12上，在垂直平面內(nèi)被分成-1級(jí)和+1級(jí)兩束光，這兩束光被放置在后面的第一反射鏡13重新反射到所述的反射式1×2達(dá)曼光柵12上，再次衍射后得到兩束平行出射的光，這兩束光分別被第三反射鏡14-2和置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)15上的第二反射鏡14-1反射后，再被所述的透鏡16聚焦在非線性晶體17上，由該非線性晶體17的信號(hào)光被光譜儀18采集。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，采用周期d＝100μm表面鍍金的反射式達(dá)曼光柵12測(cè)量中心波長(zhǎng)800nm的超短激光脈沖11。光柵12的深度為λ/4＝0.2μm時(shí)，裝置的衍射效率最大。反射式達(dá)曼光柵12和第一反射鏡13的距離為150mm。α＝1.5度。透鏡16焦距200mm，非線性晶體17采用偏硼酸鋇(BBO)晶體作為頻率上轉(zhuǎn)換晶體。通過計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)15改變光程并用光譜儀18測(cè)量和頻光得到了FROG圖譜。
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，其特征在于該裝置僅利用一塊1×2反射式達(dá)曼光柵(12)，還包括第一反射鏡(13)、第二反射鏡(14-1)、第三反射鏡(14-2)、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)(15)、透鏡(16)、非線性晶體(17)和光譜儀(18)，其位置關(guān)系如下所述的反射式1×2達(dá)曼光柵(12)的周期為d(d□λc)，深度為λc/4，光柵刻槽水平放置，當(dāng)一束中心波長(zhǎng)為λc，寬度為τ0的飛秒脈沖光(11)在豎直平面內(nèi)傳輸并以一個(gè)小角度α入射到所述的反射式1×2達(dá)曼光柵(12)上，在垂直平面內(nèi)被分成-1級(jí)和+1級(jí)兩束光，這兩束光被放置在后面的第一反射鏡(13)再反射到所述的反射式1×2達(dá)曼光柵(12)上，再次衍射后得到兩束平行出射的光，這兩束光分別被第三反射鏡(14-2)和置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)(15)上的第二反射鏡(14-1)反射后，再被所述的透鏡(16)聚焦在非線性晶體(17)上，由該非線性晶體(17)的信號(hào)光被光譜儀(18)采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，其特征在于所述的角度α小于2°。
全文摘要
一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開光法測(cè)量裝置，該裝置僅利用一塊1×2反射式達(dá)曼光柵，還包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)、透鏡、非線性晶體和光譜儀，本發(fā)明僅用一塊反射達(dá)曼光柵和三塊反射鏡實(shí)現(xiàn)了超短脈沖光測(cè)量，從而消除了傳統(tǒng)的透/反射式光分束器對(duì)脈沖光的影響，同時(shí)達(dá)曼光柵的制造技術(shù)與微電子加工技術(shù)相兼容，因此具有易加工、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J11/00GK1888835SQ20061002842
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者戴恩文, 周常河 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所