專利名稱：一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于飛秒激光調(diào)制技術(shù)，具體涉及一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器(acoustic-optical modulator, AOM)，它尤其適合于多光子激 光掃描測(cè)量、成像、激光微加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用聲光調(diào)制器對(duì)激光功率的快速調(diào)制是一種應(yīng)用非常廣的技術(shù)，尤 其在激光測(cè)量、成像和微加工等方面。并且聲光調(diào)制器在國內(nèi)外已有很大 的市場(chǎng)。但這些聲光調(diào)制器都是針對(duì)連續(xù)光源，不能應(yīng)用于超短脈沖激光。 而超短脈沖高瞬間峰值功率和高層析能力在激光成像和微加工領(lǐng)域有著非 常重要的應(yīng)用，是近幾年來國內(nèi)外應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。美國專利No. 6， 804， 000 B2中使用單個(gè)棱鏡1補(bǔ)償單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器2 的空間色散(如圖1)，該發(fā)明不能對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器的時(shí)間色散進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng) 入射光波長改變時(shí)從棱鏡出射的光束會(huì)偏離光軸，使得后續(xù)的光路不再準(zhǔn) 直甚至無法使用。由于對(duì)于某個(gè)特定波長的激光，在光路中的光程是固定 的，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的調(diào)制。在E. A. Donley的"Double-pass acousto-optic modulator syst,em" (Review of Scientific Instruments, 2005)文章的中，使用了一個(gè)聲光 偏轉(zhuǎn)器2、 一個(gè)凸透鏡3和一個(gè)反射鏡4的結(jié)構(gòu)(如圖2)，聲光偏轉(zhuǎn)器2 和反射鏡4分別位于凸透鏡3的前焦面和后焦面上，反射鏡4使光束原路 返回。這種結(jié)構(gòu)決定了不能對(duì)聲光調(diào)制器帶來的時(shí)間色散進(jìn)行任何的補(bǔ)償， 反而會(huì)二次展寬脈沖寬度，使得出射光的脈沖寬度展寬許多，該系統(tǒng)主要 應(yīng)用于連續(xù)光領(lǐng)域，不能應(yīng)用于飛秒激光。同樣，光束在這種結(jié)構(gòu)的光程 也是恒定的，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的調(diào)制。另外，由于這種結(jié)構(gòu)使得各個(gè)不同 波長的激光束都能原路返回，使得各個(gè)波長的激光混疊在一起，不能實(shí)現(xiàn) 對(duì)各個(gè)波長激光進(jìn)行選擇性快速的切換。
飛秒激光的光譜寬度相對(duì)單色光來說非常寬，而聲光偏轉(zhuǎn)器是一種高色 散光學(xué)元件，飛秒激光經(jīng)過聲光偏轉(zhuǎn)器后產(chǎn)生空間和時(shí)間色散，引起脈沖展寬和光斑發(fā)散。如圖3所示，入射光以布拉格角度i入射。零極光按直線傳播。 一級(jí)光與零極光之間夾角為e。當(dāng)該裝置用于飛秒激光調(diào)制時(shí)，--級(jí)光因光譜存在帶寬而存在A^的發(fā)散角，這會(huì)使原來的圓形光斑在掃描方 向展為一橢圓，在脈沖時(shí)間寬度上也會(huì)因材料色散被展寬。該裝置降低了 飛秒激光的瞬時(shí)功率和激發(fā)效率，喪失了飛秒激光的優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有系統(tǒng)中 通常采用光柵對(duì)或棱鏡對(duì)來實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間色散的壓縮。聲光調(diào)制器近幾 年來在激光光強(qiáng)調(diào)制的應(yīng)用中越來越來廣泛，但主要應(yīng)用于連續(xù)光領(lǐng)域， 如果應(yīng)用于飛秒激光就會(huì)造成嚴(yán)重的空間和時(shí)間色散。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器，該裝置 可以很好地補(bǔ)償聲光調(diào)制器帶來的時(shí)間和空間色散。本實(shí)用新型提供的用于飛秒脈沖的聲光調(diào)制器，包括兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器， 兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器反向平行放置，且聲波頻率相等，兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的間距 為L， L值滿足(I)式要求式中v和/分別為聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波速度和頻率，GDD",為二個(gè)聲光偏 轉(zhuǎn)器帶來的群延時(shí)，A為激光波長。本實(shí)用新型裝置可以將不同波長的入射激光共軸輸出，即入射光波長 改變時(shí)出射光仍按原方向出射。并且可以完全補(bǔ)償聲光調(diào)制器帶來的時(shí)間 和空間色散。本實(shí)用新型不僅可以用于飛秒激光也可以直接用于連續(xù)光的 調(diào)制，它可以在一定波長間隔的連續(xù)光或飛秒激光間進(jìn)行快速的切換。對(duì) 某一固定波長的激光可以通過改變光程來實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的快速調(diào)制。由于本 實(shí)用新型即能實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制器的空間和時(shí)間色散，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的快速 調(diào)制，因此適用于多光子系統(tǒng)，包括多光子激光掃描測(cè)量成像、激光微加 工等領(lǐng)域。


圖1為棱鏡補(bǔ)償單個(gè)聲光調(diào)制器空間色散原理圖示意圖。圖2為用一個(gè)聲光調(diào)節(jié)器利用凸透鏡和反射鏡補(bǔ)償空間色散原理示意圖。圖3為聲光調(diào)制器對(duì)飛秒激光空間和時(shí)間色散示意圖。圖4為實(shí)現(xiàn)共軸輸出時(shí)入射光波長與聲光調(diào)制器工作頻率的光系圖。圖5為本實(shí)用新型裝置原理示意圖。圖6為二個(gè)聲光調(diào)制器間間距與出射激光脈沖寬度的關(guān)系圖。 圖7為二個(gè)聲光調(diào)制器間距為65cm時(shí)，入射激光的波長與出射激光脈 沖寬度的關(guān)系圖。圖8為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的原理示意圖。 圖9為頻差與相差關(guān)系圖。圖10為本實(shí)用新型切換740nm、 780nm、 820nm、 860nra、 900nm五個(gè)波 長的飛秒激光入射和出射系統(tǒng)時(shí)的光譜圖。光譜成分沒有損失。 圖11為本實(shí)用新型裝置的應(yīng)用實(shí)例圖。 圖12為最大調(diào)制功率下波長與系統(tǒng)透過率關(guān)系圖。 圖13為本實(shí)用新型裝置另一種應(yīng)用實(shí)例圖。圖14a為原始飛秒激光的脈沖寬度；圖14b為飛秒激光經(jīng)過一個(gè)聲光 調(diào)制器時(shí)展寬的脈沖寬度；圖14c為飛秒激光經(jīng)過本裝置補(bǔ)償時(shí)間色散后 的脈沖寬度。圖15為用補(bǔ)償后的飛秒激光和沒有補(bǔ)償?shù)娘w秒激光對(duì)熒光層做Z掃描 時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同入射激光進(jìn)入系統(tǒng)后，出射光不偏離光軸，聲光調(diào)制器中的聲波頻率需要做相應(yīng)調(diào)制。激光經(jīng)過聲光調(diào)制器后出射角^公式如下<formula>formula see original document page 5</formula> (I)
其中A為入射激光的波長，/為聲光調(diào)制器中聲音的發(fā)射頻率，v為聲 波在聲光晶體中的速度。如果入射激光的波長和聲光調(diào)制器中聲波頻率的乘積是一常數(shù)便可實(shí) 現(xiàn)共軸調(diào)制。假設(shè)幵始調(diào)光路時(shí)是按某一波長人,激光和聲光調(diào)制器工作在某一頻率.z;,下進(jìn)行的，對(duì)于不同波長A,的入射光聲光調(diào)制器的頻率/,計(jì)算方法如下,么仏 (11)義 義/聲光調(diào)制器工作頻率和波長義的關(guān)系如圖4所示。如圖5所示，本實(shí)用新型包括第一聲光偏轉(zhuǎn)器5和第二聲光偏轉(zhuǎn)器6， 二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器反向放置使得聲波的傳播方向相反，距離為L， L值計(jì)算方 法如下、/ 、， 2肌一/13(III)其中，c為光速，000, 是二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器晶體材料所帶來的群延時(shí)，如 果需要補(bǔ)償光路中其他色散元件帶來的時(shí)間色散，此時(shí)GDDJ、S取光路中所 有元件帶來的群延時(shí)量的總合，從而同時(shí)補(bǔ)償光路中其他色散元件帶來的 時(shí)間色散。圖6為脈沖寬度與距離L的關(guān)系圖。在飛秒激光波長800nm，初始脈寬 為141fs，聲光偏轉(zhuǎn)器所加頻率為96MHz的情況下，二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器之間距 離L改變時(shí)，出射光的脈沖寬度。從圖中可以看出當(dāng)L增加時(shí)，補(bǔ)償量增 加，脈沖寬度減小，在距離約為65cm時(shí)完全補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)間色散。當(dāng)L〉65cm 時(shí)進(jìn)入過補(bǔ)償區(qū)域，脈沖帶寬開始增加。如圖7所示，當(dāng)確定L后波長;i改變時(shí)脈寬仍然有被壓縮的效果，均小 于160fs。在飛秒激光波長800nm,聲光偏轉(zhuǎn)器所加頻率為96MHZ， 二個(gè)聲 光偏轉(zhuǎn)器之間距離L為65cm的情況下。不同波長的飛秒激光入射時(shí)，出射 激光的脈沖寬度。本實(shí)用新型的這種結(jié)構(gòu)除了具有作為聲光調(diào)制器所應(yīng)具備調(diào)制激光強(qiáng) 度的基本功能外，還具備如下功能對(duì)于不同波長的入射光仍可以共軸輸 出；既能補(bǔ)償聲光器件本身的空間和時(shí)間色散外還可以補(bǔ)償光路中其他色 散元件帶來的時(shí)間色散；又可以對(duì)相位進(jìn)行快速調(diào)制；還可以直接應(yīng)用于
連續(xù)激光系統(tǒng)或連續(xù)激光和飛秒激光的混合系統(tǒng)。由于飛秒激光經(jīng)過兩個(gè)反向平行放置的聲光偏轉(zhuǎn)器時(shí)空間色散量為<formula>formula see original document page 7</formula>其中f,， f2分別為第一個(gè)和第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波的頻率，V為聲光 晶體中的傳播速度。所以當(dāng)f,和f2相等時(shí)即可消除系統(tǒng)中的空間色散。如圖8所示，對(duì)于某一波長的入射光，假定二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器工作在頻率y下，當(dāng)二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器工作頻率變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 7</formula>時(shí)，相差A(yù)w為其中L為二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的間距，這個(gè)間距滿足公式(III)， 為聲光 晶體的布拉格角。^的范圍為9921rad，所能提供的相差范圍為9921rad， 并且沒有空間和時(shí)間色散。圖9為頻差和相差關(guān)系圖。由于第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的通光孔徑有限，并且二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器相隔L和 布拉格角的作用，使得本方明有可調(diào)諧濾波的作用，由前所述，每個(gè)波長 的入射光A都對(duì)應(yīng)者與之相匹配的頻率,，如果,的取值與2不相匹，則從 第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器出來的光會(huì)偏離光軸使得經(jīng)過第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器時(shí)衍射 效率非常低甚至不能通過通光孔徑，所以可以實(shí)現(xiàn)快速切換 -定間隔波長 的功能，這是圖2所示結(jié)構(gòu)所無法做到的。由于連續(xù)激光沒冇時(shí)間色散的 問題，所以本方明可以直接應(yīng)用于連續(xù)激光。對(duì)于飛秒激光，波長分辨率 為30rnn (如圖10所示)，使得飛秒激光所有光譜成分通過并可以有效區(qū)分 間隔30nm的飛秒或連續(xù)激光，這樣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長激光(包括飛秒激光 和連續(xù)激光)間的快速切換。最后對(duì)出射激光強(qiáng)度的調(diào)制可以通過對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器功率的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。如果聲光偏轉(zhuǎn)器會(huì)改變偏振態(tài)，則二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器間設(shè)有1/2波片；如果聲光偏轉(zhuǎn)器不改變偏振態(tài)，則二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器間可不設(shè)1/2波片。實(shí)例1:根據(jù)圖ll所示，從激光器7出射的準(zhǔn)直激光(800 )經(jīng)過工作頻率 都在96MHz的第一和第二聲光偏轉(zhuǎn)器5、 6后打到白屏9上，用CCD 8觀察
并記錄下位置，改變激光器的波長(710nm)，此時(shí)激光不能通過系統(tǒng)，白 屏9上沒有光點(diǎn)，改變二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的工作頻率為108. 2MHz，用CCD 8 觀察到激光又打到了白屏9上的同一位置。改變激光器7波長為990nm，此 時(shí)白屏上沒有光點(diǎn)，改變二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的工作頻率到77.6MHz，用CCD8 觀察到激光仍打到了白屏9上的同一位置。改變這二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器中的任 意一個(gè)或二個(gè)的功率可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射效率的調(diào)制，調(diào)制范圍為0-89%，整個(gè) 系統(tǒng)對(duì)不同波長;i的最大透過率為77-89% (如圖12所示)。本裝置不僅可 以用于飛秒激光，而且可以直接應(yīng)用于連續(xù)激光，因?yàn)檫B續(xù)光不存在時(shí)間 色散的問題，所以本實(shí)用新型可以應(yīng)用于連續(xù)激光和飛秒激光的混合系統(tǒng) 中，并且可以通過對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器頻率的設(shè)定來對(duì)特定波長進(jìn)行快速切換 (腦Hz)。實(shí)例2:根據(jù)圖13所示原理示意圖， 一束脈沖寬度為141fs (如圖14a)的飛 秒激光(800nm)經(jīng)過第一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器5，此時(shí)聲光偏轉(zhuǎn)器的頻率設(shè)為 96MHz，此時(shí)飛秒激光被展寬為345fs (如圖14b)，并且有空間色散，當(dāng)飛 秒激光在二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器之間傳輸距離L后，時(shí)間色散被過補(bǔ)償，其過補(bǔ) 償量剛好可以抵消第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器6所帶來的時(shí)間色散。飛秒激光經(jīng)過 第二個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器6后，其空間色散也完全補(bǔ)償了，并且出射光也沒有了 時(shí)間色散，其脈沖寬度仍為141fs (如圖14c)。分別用完全色散補(bǔ)償后的 141fs和沒有色散補(bǔ)償?shù)?45fs相同功率激光(2mW)對(duì)綠色熒光樣品層13 用40倍物鏡12做Z向掃描，二色鏡10用來分離激發(fā)光和熒光，用PMTll 來采集熒光信號(hào)。141fs的飛秒脈沖可以激發(fā)熒光蛋白，M5fs的光束在此 功率下不能激發(fā)熒光蛋白產(chǎn)生熒光信號(hào)(如圖15所示)。圖屮分別用完全 色散補(bǔ)償(本實(shí)用新型裝置)后的141fs激光和經(jīng)過單個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器沒有 色散補(bǔ)償?shù)?45fs激光在激光器輸出功率相同的情況下，激發(fā)綠色熒光樣 品所得的信號(hào)強(qiáng)度，其強(qiáng)度比約為5.8: 1。
權(quán)利要求1、一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器，其特征在于包括兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器，兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器反向平行放置，且聲波頻率相等，兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的間距為L，L值滿足(I)式要求
2、 一種用于飛秒激光的聲光調(diào)制器，其特征在于兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器之間設(shè) 有1/2波片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于飛秒脈沖的聲光調(diào)制器，包括兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器，兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器反向平行放置，且聲波頻率相等，兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器的間距為L±10％L，L值滿足(I)式要求，式中v和f分別為聲光偏轉(zhuǎn)器中聲波速度和頻率，GDD_m為聲光偏轉(zhuǎn)器帶來的材料色散，λ為激光波長。本實(shí)用新型在聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)不同波長激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)共軸調(diào)制，同時(shí)也補(bǔ)償了聲光晶體對(duì)超短脈沖造成的時(shí)間和空間色散。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)靈活、易于調(diào)制，適用于多光子掃描、成像和激光微加工等領(lǐng)域。L=GDD_m(2πc²/λ³)(v/f)²
文檔編號(hào)G02F1/35GK201018186SQ20062016336
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者曾紹群, 李德榮, 昆 畢, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)