專利名稱：利用反射式達(dá)曼光柵的超短脈沖測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及超短激光脈沖，特別是一種利用反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)九十年代以來超短脈沖特別是飛秒(fs 10-15秒)激光技術(shù)取得了快速的發(fā)展，由于飛秒激光脈沖具有時(shí)域超短特性，能夠?qū)ξ锢怼⒒瘜W(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行超快現(xiàn)象的研究。同時(shí)，飛秒激光脈沖還具有極高的峰值功率，是進(jìn)行各種非線性現(xiàn)象研究的有力工具。
飛秒激光脈沖作用下的各種現(xiàn)象的研究是通過飛秒脈沖測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)飛秒光的時(shí)域、頻域以及傳輸?shù)忍匦缘臏y量獲得飛秒動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的物理本質(zhì)。同時(shí)，測量技術(shù)的發(fā)展對(duì)飛秒激光技術(shù)本身的發(fā)展也有巨大的推動(dòng)作用，對(duì)產(chǎn)生更短持續(xù)時(shí)間的光脈沖具有巨大的指導(dǎo)作用。
飛秒激光脈沖測量有很多種方法，其中頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(frequency-resolved optical gating，簡稱為FROG)[參見在先技術(shù)1“Frequency-Resolved optical GatingThe Measurement of Ultrashort LaserPulses”Rick Trebino，2002 Kluwer Academic Publishers]和光譜位相相干電場重構(gòu)法(spectral phase interferometry for direct electric-fieldreconstruction，SPIDER)[參見在先技術(shù)2“Spectral phaseinterferometryfor direct electric-field reconstructionof ultrashort opticalpulses”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)開關(guān)法測量裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中2表示的是分束延遲器。飛秒脈沖光1被分束鏡21分成兩光束開關(guān)脈沖光束和探測脈沖光束，開關(guān)脈沖光束經(jīng)過直角反射鏡22沿著反方向反射。其中直角反射鏡22被固定在計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)23上。探測脈沖光束被直角反射鏡24和反射鏡25反射并與開關(guān)脈沖光束平行。然后兩束脈沖光束被透鏡4聚焦到非線性晶體5上，產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換，信號(hào)光通過遮光板6被光譜儀7接收測量，通過微動(dòng)臺(tái)23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。然而目前大部分超短脈沖測量裝置中的分束器采用的都是半透半反鏡，飛秒激光脈沖是非常短的脈沖，具有很寬的頻譜，因此必然對(duì)透射的超短脈沖產(chǎn)生展寬影響，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確；由圖1還可以看出，該測量裝置中還采用了較多的反射鏡，這不僅增加了調(diào)節(jié)難度，而且也增加了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種利用反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，該發(fā)明應(yīng)盡量減少由于透射過程而產(chǎn)生的超短脈沖展寬影響，進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)，降低調(diào)節(jié)難度和降低儀器成本。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種利用反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時(shí)器、會(huì)聚鏡、非線性晶體、光闌和光譜儀，其特征在于所述的分束延時(shí)器是由第一1×2反射式達(dá)曼光柵、第二1×2反射式達(dá)曼光柵、第三1×2反射式達(dá)曼光柵、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)、第一擋板和第二擋板立體配置而構(gòu)成的反射式達(dá)曼光柵分束延時(shí)器，所述的第二1×2反射式達(dá)曼光柵置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)上，所述的會(huì)聚鏡是一反射式會(huì)聚鏡，其位置關(guān)系是當(dāng)一束飛秒脈沖光在豎直平面內(nèi)并以一個(gè)小角度α入射到第一反射式1×2達(dá)曼光柵(31)，在水平面內(nèi)被分成-1級(jí)P光束和+1級(jí)G束光，這兩束光分別被放置在后面距離L處并且在同一平面的第二反射式1×2達(dá)曼光柵和第三反射式1×2達(dá)曼光柵所衍射，又分別產(chǎn)生P-1級(jí)、P+1級(jí)兩束光和G-1級(jí)、G+1級(jí)兩束光，其中第二反射式1×2達(dá)曼光柵衍射的P+1級(jí)光束被第一擋板遮住，第三反射式1×2達(dá)曼光柵所衍射的G-1級(jí)光被第二擋板遮住，而第二反射式1×2達(dá)曼光柵衍射的P-1級(jí)光束和第三反射式1×2達(dá)曼光柵所衍射的G光+1級(jí)光束平行地出射，經(jīng)反射式會(huì)聚鏡反射會(huì)聚于非線性晶體，通過光闌被光譜儀接收測量。
所述的反射式1×2達(dá)曼光柵的結(jié)構(gòu)相同，周期為d，深度為λc/4，其中λc為所述的超短脈沖激光的中心波長。
所述的小角度α≤2°。
所述的第二反射式1×2達(dá)曼光柵和第三反射式1×2達(dá)曼光柵與第一反射式1×2達(dá)曼光柵之間的距離L應(yīng)保證由第一反射式1×2達(dá)曼光柵產(chǎn)生的+1級(jí)光和-1級(jí)光能夠在空間上分離。
達(dá)曼光柵[參見在先技術(shù)3“Numerical study of Dammann arrayilluminators”Changhe Zhou，and Liren Liu Applied Optics，Vol.34，No.261995]是一種衍射光學(xué)器件，目前廣泛地應(yīng)用于陣列照明。通過控制達(dá)曼光柵一個(gè)周期內(nèi)的拐點(diǎn)的位置以及位相值實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的控制，達(dá)曼光柵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)一束中心波長為λ的激光垂直入射到到開口比為1∶2的反射式達(dá)曼的光柵時(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---(2a)]]>
φ=4πλh---(2b)]]>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)每束反射光具有最高的衍射效率40.5％，總的衍射效率為81％。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果由于本實(shí)用新型利用反射式達(dá)曼光柵制作分束延時(shí)器和凹面反射鏡聚焦的無透射器件的超短脈沖測量裝置，即采用的是全反射式結(jié)構(gòu)，有效地避免了飛秒超短脈沖激光由于傳輸過程中穿透介質(zhì)而產(chǎn)生的脈沖展寬的問題，可消除基底介質(zhì)對(duì)飛秒脈沖的展寬。達(dá)曼光柵的反射膜層采用高反射率、寬光譜的金屬膜層，容易加工。由于達(dá)曼光柵的制造技術(shù)與微電子加工技術(shù)相兼容，具有易加工、成本低的優(yōu)點(diǎn)。另外該裝置的核心只有三塊達(dá)曼光柵，很容易實(shí)現(xiàn)脈沖的等光程，具有結(jié)構(gòu)緊湊，光路調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的超短脈沖FROG測量裝置。
圖2是本實(shí)用新型利用反射式達(dá)曼光柵的超短脈沖測量裝置俯視圖。
圖3是本實(shí)用新型利用反射式達(dá)曼光柵超短脈沖測量裝置中分束延遲器的側(cè)視圖。
圖4是本實(shí)用新型根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和在先技術(shù)1重構(gòu)出來的超短激光脈沖時(shí)域的振幅和位相對(duì)比圖。
圖中1-飛秒激光脈沖光束；2-分束延遲器；21-分束鏡；22-直角錐反射鏡；23-計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)；24-直角錐反射鏡；25-反射鏡；3-達(dá)曼光柵分束延遲器；31-第一1×2反射式達(dá)曼光柵；32-第二1×2反射式達(dá)曼光柵、33-第三1×2反射式達(dá)曼光柵；34-計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)；35-第一遮光板、36-第二遮光板；4-會(huì)聚鏡；5-非線性晶體；6-光闌；7-光譜儀。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
先請參閱圖2和圖3，由圖可見，本實(shí)用新型利用反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時(shí)器、會(huì)聚鏡4、非線性晶體5、光闌6和光譜儀7，其特征在于所述的分束延時(shí)器3是由第一1×2反射式達(dá)曼光柵31、第二1×2反射式達(dá)曼光柵32、第三1×2反射式達(dá)曼光柵33、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)34、第一擋板35和第二擋板36立體配置而構(gòu)成的反射式達(dá)曼光柵分束延時(shí)器，所述的第二1×2反射式達(dá)曼光柵32置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)34上，所述的會(huì)聚鏡4是一反射式會(huì)聚鏡，其位置關(guān)系是當(dāng)一飛秒激光脈沖光束1在豎直平面內(nèi)并以一個(gè)小角度入射到第一反射式1×2達(dá)曼光柵31上，在水平面內(nèi)被分成-1級(jí)P光束和+1級(jí)G光束，這兩束光分別被放置在后面距離L處并且在同一平面的第二反射式1×2達(dá)曼光柵32和第三反射式1×2達(dá)曼光柵33所衍射，又分別產(chǎn)生P-1級(jí)、P+1級(jí)兩束光和G-1級(jí)、G+1級(jí)兩束光，其中第二反射式1×2達(dá)曼光柵32衍射的P+1級(jí)光束被第一擋板35遮住，第三反射式1×2達(dá)曼光柵33所衍射的G-1級(jí)光被第二擋板36遮住，而第二反射式1×2達(dá)曼光柵32衍射的P-1級(jí)光束和第三反射式1×2達(dá)曼光柵33所衍射的G光+1級(jí)光束平行地出射，經(jīng)所述的反射式會(huì)聚鏡4會(huì)聚于非線性晶體5，通過光闌6被光譜儀7接收測量。
所述的反射式1×2達(dá)曼光柵的結(jié)構(gòu)相同，周期為d，深度為λc/4，其中λc為所述的超短脈沖激光的中心波長。
所述的小角度α≤2°。
所述的第二反射式1×2達(dá)曼光柵32和第三反射式1×2達(dá)曼光柵33與第一反射式1×2達(dá)曼光柵31的距離L應(yīng)保證由第一反射式1×2達(dá)曼光柵31產(chǎn)生的+1級(jí)光和-1級(jí)光能夠在空間上分離。
一束中心波長為λc，寬度為τ0的飛秒脈沖光1在豎直平面內(nèi)沿著以一個(gè)小角度α(α小于2度)入射到周期為d(d＞＞λc)，深度為λc/4的反射式1×2達(dá)曼光柵31上，在水平面內(nèi)被分成-1級(jí)P和+1級(jí)G兩束光，這兩束光分別被放置在后面L(應(yīng)保證+1級(jí)光和-1級(jí)光能夠在空間上分離)處并且在同一平面的同周期的反射式1×2達(dá)曼光柵32，33所衍射，分別產(chǎn)生兩束光，其中光柵32被置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)34上，微動(dòng)臺(tái)可以調(diào)節(jié)光柵32的位置，從而可以改變兩個(gè)脈沖的光程差。利用擋板35和36分別將光束P的+1級(jí)光，G的-1級(jí)光遮住，根據(jù)光柵方程可知光束P的-1級(jí)光和G的+1光是平行的。另外根據(jù)[在先技術(shù)4 GuoweiLi，Changhe Zhou，and Enwen Dai，“Splitting of femtosecond laser pulses byusing a Dammann grating and compensation gratings”，J.Opt.Soc.Am.A，22(2005)]可以得出脈沖光經(jīng)過光柵對(duì)后的脈沖寬度。
τ=τ02+(2kβ2L)2τ02---(3)]]>其中β=λc2/(2πcd),]]>k＝2π/λc，c為光速。
兩束光被凹面鏡4聚焦在非線性晶體5中產(chǎn)生信號(hào)光，信號(hào)光通過遮光板6被光譜儀7接收產(chǎn)生頻率分辨，利用微動(dòng)臺(tái)改變時(shí)延差實(shí)現(xiàn)光學(xué)開關(guān)，即可得到FROG圖譜。
綜上所述，本實(shí)用新型用三塊反射達(dá)曼光柵實(shí)現(xiàn)了全反射式的超短脈沖光測量，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)利用該裝置我們成功的測量了中心波長800nm，脈沖寬度11.7個(gè)飛秒的超短脈沖，其中反射式達(dá)曼光柵的周期d＝100μm，刻蝕深度為0.2μm，表面鍍金。凹面鏡的焦距為300mm。非線性晶體采用的是30微米厚的BBO晶體，α＝1.5°。通過計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)34變光程并用光譜儀7量和頻光得到FROG圖譜。圖4是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和在先技術(shù)1重構(gòu)出來的超短激光脈沖時(shí)域的振幅和位相，結(jié)果如下表所示。

可以看出重構(gòu)誤差很小，證明了該裝置的實(shí)用有效性。
權(quán)利要求1.一種利用反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時(shí)器、會(huì)聚鏡(4)、非線性晶體(5)、光闌(6)和光譜儀(7)，其特征在于所述的分束延時(shí)器(3)是由第一1×2反射式達(dá)曼光柵(31)、第二1×2反射式達(dá)曼光柵(32)、第三1×2反射式達(dá)曼光柵(33)、計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)(34)、第一擋板(35)和第二擋板(36)立體配置而構(gòu)成的反射式達(dá)曼光柵分束延時(shí)器，所述的第二1×2反射式達(dá)曼光柵(32)置于計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)(34)上，所述的會(huì)聚鏡(4)是一反射式會(huì)聚鏡，其位置關(guān)系是當(dāng)一飛秒激光脈沖光束(1)在豎直平面內(nèi)并以一個(gè)小角度α入射到第一反射式1×2達(dá)曼光柵(31)上，在水平面內(nèi)被分成-1級(jí)P光束和+1級(jí)G光束，該兩光束分別被放置在后面距離L處并且在同一平面的第二反射式1×2達(dá)曼光柵(32)和第三反射式1×2達(dá)曼光柵(33)所衍射，又分別產(chǎn)生P-1級(jí)、P+1級(jí)兩束光和G-1級(jí)、G+1級(jí)兩束光，其中第二反射式1×2達(dá)曼光柵(32)衍射的P+1級(jí)光束被第一擋板(35)遮住，第三反射式1×2達(dá)曼光柵(33)所衍射的G-1級(jí)光被第二擋板(36)遮住，而第二反射式1×2達(dá)曼光柵(32)衍射的P-1級(jí)光束與第三反射式1×2達(dá)曼光柵(33)所衍射的G光+1級(jí)光束平行地出射，經(jīng)所述的反射式會(huì)聚鏡(4)會(huì)聚于非線性晶體(5)，通過光闌(6)被光譜儀(7)接收測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，其特征在于所述的反射式1×2達(dá)曼光柵的結(jié)構(gòu)相同，周期為d，深度為λc/4，其中λc為所述的超短脈沖激光(1)的中心波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，其特征在于所述的小角度α≤2°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，其特征在于所述的第二反射式1×2達(dá)曼光柵(32)和第三反射式1×2達(dá)曼光柵(33)與第一反射式1×2達(dá)曼光柵(31)之間的距離L應(yīng)保證由第一反射式1×2達(dá)曼光柵(31)產(chǎn)生的+1級(jí)光束和-1級(jí)光束能夠在空間上分離。
專利摘要一種利用反射式達(dá)曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時(shí)器、會(huì)聚鏡、非線性晶體、光闌和光譜儀，其特征在于所述的分束延時(shí)器是由三快1×2反射式達(dá)曼光柵和兩塊擋光板立體配置而構(gòu)成的反射式達(dá)曼光柵分束延時(shí)器，所述的會(huì)聚鏡是一反射式會(huì)聚鏡。本實(shí)用新型是一種全反射式超短激光脈沖測量裝置，解決了超短激光脈沖測量過程由于光束透過介質(zhì)而產(chǎn)生的超短脈沖展寬的問題，具有結(jié)構(gòu)簡化、調(diào)節(jié)方便和儀器成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J11/00GK2861993SQ20052004681
公開日2007年1月24日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者周常河, 戴恩文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所