專利名稱：采用棱鏡/波導耦合單元實現光譜整形的裝置及整形方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種采用棱鏡/波導耦合單元實現光譜整形的裝置，以及利用棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射性質對超短激光脈沖光譜進行整形的方法，屬于激光應用技術領域。
背景技術：
在超短超強激光技術中，許多因素限制了激光系統(tǒng)輸出功率的進一步提高。其中固體激光放大介質的增益窄化效應是一個較為棘手的問題。由于固體激光放大介質的帶寬有限，導致激光脈沖的中心增益高，邊緣的增益低。隨著激光脈沖的逐級放大，激光脈沖的光譜會變得越來越窄，這就是所謂的增益窄化效應。增益窄化效應使激光脈沖不能夠充分利用激光放大介質的增益帶寬，從而得不到有效地放大。為了補償放大介質的增益窄化效應，在超短激光脈沖進入放大介質之前，需先對其光譜進行整形。光譜整形技術已經廣泛地應用于超短超強激光系統(tǒng)中?，F有的光譜整形技術是使激光脈沖通過一濾光片，其透射率曲線是中心凹陷的，這種形狀的透射率曲線可降低激光脈沖光譜中心的透射率，保持邊緣的透射率，從而抵消放大介質的增益窄化效應，使放大后的激光脈沖不致變窄。
現有技術中用于光譜整形的器件有兩種雙折射晶體和干涉濾光片。它們的透射率曲線是中心凹陷的，可抵消放大介質的增益窄化效應。Yuxin Leng等人在《Optics&Laser Technology》Vol.35(2003)pp425-429上發(fā)表的“Broadband spectral shaping in a Tisapphire regenerative amplifier”一文中，介紹了利用雙折射石英晶體進行光譜整形。其整形原理為激光射入雙折射晶體中，由于雙折射，激光束在晶體中會分成尋常光和非常光并產生干涉，從而使激光不同頻率成分的透射率不同。調節(jié)激光射入晶體的角度，可使晶體的透射率曲線是中心凹陷的，從而對光譜實現整形。但這種方法存在一定的缺陷①雙折射晶體是透過式的元件，會對通過它的激光產生副作用，例如引起法布里一珀羅效應、位相畸變等；②雙折射晶體的厚度取決于待整形激光脈沖的光譜寬度，激光脈沖的光譜越窄，要求雙折射晶體越厚，才能使雙折射晶體的透過率曲線的寬度與激光脈沖的光譜寬度匹配。例如，對譜寬13nm(半高全寬)的超短脈沖整形，要求雙折射晶體厚度為25毫米。雙折射晶體不可能做的很大。大的晶體其價格也較高。例如，一片厚12毫米口徑25毫米的A級雙折射晶體價格約為2500元人民幣。
朱鵬飛等人在《中國激光》2003，30(12)1075-1078上發(fā)表的“超短脈沖的光譜整形”一文中，介紹了利用干涉濾光片對超短脈沖進行光譜整形。其整形原理為在玻璃底片上鍍多層介質薄膜，制作一種干涉濾光片，其透射率曲線呈中心凹陷形狀。這種方法存在著一些問題①鍍膜的精度要求較高，目前國內的鍍膜技術很難達到理想的效果，特別對于窄帶(十幾個納米)干涉濾光片，無法很好地控制透射率曲線的帶寬和中心凹陷的深度；②干涉濾光片一旦鍍好之后，它的透射率曲線就無法改變了，缺乏靈活性。③成本高。制作一個窄帶干涉濾光片約3000元人民幣。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有技術的上述不足，提供一種新的采用棱鏡/波導耦合單元實現光譜整形的裝置，以及利用這種裝置進行光譜整形的方法，裝置結構簡單，成本低廉，使用時操作方便，可以有效提高對激光光譜的整形能力。
為實現這樣的目的，本發(fā)明的光譜整形裝置中采用了棱鏡/波導耦合單元，利用棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射特性實現超短激光脈沖的光譜整形。理論和實驗均表明棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射曲線呈中心凹陷的形狀，可實現對超短激光脈沖的光譜整形。裝置包括棱鏡/波導耦合單元、轉盤、入射光路中的激光器、偏振器和光學小孔及反射光路中的光電探測器和光譜儀，由棱鏡及沉積在棱鏡上的四層薄膜層組成的棱鏡/波導耦合單元固定在轉盤中心，其衰減全反射曲線寬度與入射激光脈沖的光譜寬度相匹配。通過改變入射角選擇多個衰減全反射曲線中寬度與激光光譜寬度相匹配的衰減全反射曲線，并微調入射角，得到理想的整形光譜。
本發(fā)明的裝置具體結構包括棱鏡/波導耦合單元、轉盤、入射光路和反射光路四部分，棱鏡/波導耦合單元固定在轉盤的中心，入射光路包括激光器、偏振器和光學小孔，處于同一光軸上并依次放置在轉盤外入射方固定的位置上，反射光路包括光電探測器和光譜儀，放在轉盤外反射方，分別接收經分束鏡分開的兩束反射光。
本發(fā)明采用的棱鏡/波導耦合單元由棱鏡和平板波導組成，平板波導包括沉積在棱鏡上的四層薄膜，棱鏡/波導耦合單元的層次關系由上而下依次為棱鏡、覆蓋層、導波層、隔離層和襯底層。設計波導各薄膜層的厚度，使棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射曲線寬度與入射激光脈沖的光譜寬度相匹配。各層的厚度取值分別為覆蓋層為30至50nm，導波層為1.0至2.5μm，隔離層為2μm，襯底層為100nm。棱鏡/波導耦合單元固定在轉盤上，下底面(波導各薄膜層所在面)在轉盤的中心，轉盤可連續(xù)旋轉以改變入射激光相對于波導的入射角。
入射光路的激光器出射超短激光，依次經偏振器和光學小孔，入射到棱鏡/波導耦合單元的棱鏡左側面上，經棱鏡折射后入射到棱鏡與波導的分界面，發(fā)生衰減全反射，反射光經反射光路由光電探測器和光譜儀接收，分別測量反射光的強度和觀察光譜形狀。
基于以上裝置，即可利用棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射性質對超短激光脈沖光譜進行整形。具體方法為旋轉轉盤以改變入射光相對于平板波導的入射角，通過光電探測器測量反射光的光強，可觀察到一系列離散的衰減全反射曲線，在每一衰減全反射曲線的吸收峰(曲線的最低點)所對應的角度下，其曲線寬度不同，這就有多個衰減全反射曲線以供選擇使用，通過改變入射角選擇曲線寬度與激光光譜寬度相匹配的衰減全反射曲線，微調入射角使光電探測器的示數最小，此時的入射角對應衰減全反射曲線的吸收峰，通過光譜儀查看整形后的光譜，繼續(xù)微調入射角，直到出現理想的整形光譜為止。
本發(fā)明裝置在用于光譜整形時，反射式的結構對激光的副作用小，有多個不同頻譜寬度的衰減全反射曲線以供使用，整形能力更強，且制作容易，成本低，操作簡單。


圖1為本發(fā)明裝置結構示意圖。
圖1中，1為棱鏡/波導耦合單元，2為轉盤，3為入射光路，4為反射光路，5為激光器，6為偏振器，7為小孔，8為光電探測器，9為光譜儀。
圖2為本發(fā)明裝置中棱鏡/波導耦合單元結構示意圖。
圖2中，10為棱鏡，11為覆蓋層，12為導波層，13為隔離層，14為襯底層。
圖3為不同入射角情況下的衰減全反射曲線。
圖4為各衰減全反射曲線的吸收峰對應的反射率-波長曲線。
圖5為本發(fā)明實施例1中四個模式的衰減全反射曲線所對應的整形后光譜。
圖6為本發(fā)明實施例2中三個模式的衰減全反射曲線所對應的整形后光譜。
圖7為本發(fā)明實施例3中三個不同銀膜厚度的棱鏡/波導耦合單元m＝0模式的衰減全反射曲線所對應的整形后光譜。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
本發(fā)明裝置結構如圖1所示，由棱鏡/波導耦合單元1、轉盤2、入射光路3和反射光路4四部分組成，棱鏡/波導耦合單元1固定在轉盤2上，入射光路3包括處于同一光軸上的激光器5、偏振器6和光學小孔7，依次放置在轉盤2外入射方，反射光路4包括光電探測器8和光譜儀9，放在轉盤2外反射方，分別接收經分束鏡分開的兩束反射光。
激光經入射光路3射入棱鏡/波導耦合單元1的棱鏡左側面上，經棱鏡折射后入射到棱鏡與波導的分界面，發(fā)生衰減全反射，反射光經反射光路由光電探測器8和光譜儀9接收。
本發(fā)明裝置中采用的棱鏡/波導耦合單元結構如圖2所示，由棱鏡10和平板波導組成，平板波導由沉積在棱鏡上的四層薄膜組成，薄膜層由上而下依次為覆蓋層薄膜11、導波層薄膜12、隔離層薄膜13和襯底層薄膜14。波導各薄膜層的厚度取值使棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射曲線寬度與入射激光脈沖的光譜寬度相匹配。
棱鏡/波導耦合單元1固定在轉盤2上，波導各薄膜層的底面位于轉盤2的中心，通過連續(xù)旋轉轉盤2可以改變入射激光相對于波導的入射角，尋找衰減全反射曲線的吸收峰，通過光譜儀9觀察整形后光譜，微調入射角，直到出現理想的整形光譜為止。
圖3為不同入射角情況下的衰減全反射曲線。
圖4為各衰減全反射曲線的吸收峰對應的反射率一波長曲線。
以下通過具體的實施例說明本發(fā)明的技術特征及應用效果。
實施例采用圖1、圖2所示結構的光譜整形裝置。
實施例1入射激光參數為中心波長800納米，半寬10納米。棱鏡/波導耦合單元參數為棱鏡10的折射率為1.784，覆蓋層11為銀膜，厚度為40納米，介電常數為ε＝-20+i，導波層12采用交鏈型有機聚合物，厚度為1.7微米，折射率為1.71，隔離層13為PMMA，厚度為2微米，折射率為1.5，襯底層14為銀膜，厚度為100納米，介電常數為ε＝-20+i。
調節(jié)偏振器6使偏振方向為水平，對應TM模式，旋轉轉盤2，同時觀察光電探測器測得的光強，使光強達到最小值，觀察光譜儀上整形后的光譜，繼續(xù)微調入射角，直到光譜的凹陷中心對應激光的中心波長，得到利用波導第一個模式(m＝0)的衰減全反射曲線得到的整形后光譜。繼續(xù)旋轉轉盤2，重復以上步驟，可得到所有四個模式的衰減全反射曲線所對應的整形后光譜，如圖5所示。
由圖5可見，在以上參數下，利用波導的第4個模式(m＝3)，對半寬10nm，中心波長800納米的激光進行整形時，可達到較為理想的效果。
實施例2入射激光參數為中心波長1310納米，半寬10納米。棱鏡/波導耦合單元參數為棱鏡10的折射率為1.784，覆蓋層11為銀膜，厚度為40納米，介電常數為ε＝-54+4i，導波層12采用的交鏈型有機聚合物，厚度為1.7微米，折射率為1.71，隔離層13為PMMA，厚度為2微米，折射率為1.5，襯底層14為銀膜，厚度為100納米，介電常數為ε＝-54+4i。
調節(jié)偏振器6使偏振方向為水平，對應TM模式，旋轉轉盤2，同時觀察光電探測器測得的光強，使光強達到最小值，然后觀察光譜儀上整形后的光譜，繼續(xù)微調入射角，直到光譜的凹陷中心對應激光的中心波長，得到利用波導第一個模式(m＝0)的衰減全反射曲線得到的整形后光譜。繼續(xù)旋轉轉盤2，重復以上步驟，可得到所有三個模式的衰減全反射曲線所對應的整形后光譜，如圖6所示。
由圖6可見，在以上參數下，利用波導的第3個模式(m＝2)，對半寬10nm，中心波長1310納米的激光進行整形時，可達到較為理想的效果。
實施例3入射激光參數為中心波長800納米，半寬10納米。棱鏡/波導耦合單元參數為棱鏡10的折射率為1.784，覆蓋層11為銀膜，厚度分別為40、50和60納米，介電常數為ε＝-20+i，導波層12采用的交鏈型有機聚合物，厚度為1.7微米，折射率為1.71，隔離層13為PMMA，厚度為2微米，折射率為1.5，襯底層14為銀膜，厚度為100納米，介電常數為ε＝-20+i。
調節(jié)偏振器6使偏振方向為水平，對應TM模式，旋轉轉盤2，同時觀察光電探測器測得的光強，使光強達到最小值，然后觀察光譜儀上整形后的光譜，繼續(xù)微調入射角，直到光譜的凹陷中心對應激光的中心波長，得到利用波導第一個模式(m＝0)的衰減全反射曲線得到的整形后光譜。重復以上步驟，可得到三個不同銀膜厚度的棱鏡/波導耦合單元m＝0模式的整形后光譜，如圖7所示。
由圖7可見，不同的銀膜厚度可得到不同光譜寬度，不同衰減程度的整形后光譜，在銀膜厚度為40納米和50納米的情況下，都可以得到理想的整形后光譜，可滿足不同的應用。
權利要求
1.一種采用棱鏡/波導耦合單元實現光譜整形的裝置，包括入射光路(3)和反射光路(4)，其特征在于還包括棱鏡/波導耦合單元(1)、轉盤(2)，棱鏡/波導耦合單元(1)固定在轉盤(2)上，入射光路(3)中處于同一光軸上的激光器(5)、偏振器(6)和光學小孔(7)依次放置在轉盤(2)外入射方，反射光路(4)包括光電探測器(8)和光譜儀(9)，放在轉盤(2)外反射方，分別接收經分束鏡分開的兩束反射光，棱鏡/波導耦合單元(1)包括棱鏡(10)和沉積在棱鏡上的四層波導薄膜層，波導薄膜層依次為覆蓋層(11)、導波層(12)、隔離層(13)和襯底層(14)，其厚度取值使棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射曲線寬度與入射激光脈沖的光譜寬度相匹配。
2.一種利用權利要求1所述裝置進行光譜整形的方法，其特征在于旋轉轉盤(2)以改變入射激光相對于波導的入射角，通過光電探測器(8)測量反射光的光強，得到一系列離散的衰減全反射曲線，選擇曲線寬度與激光光譜寬度相匹配的衰減全反射曲線，微調入射角使光電探測器(8)的示數最小，此時的入射角對應衰減全反射曲線的吸收峰，通過光譜儀(9)觀察整形后的光譜，繼續(xù)微調入射角，直到出現理想的整形光譜為止。
全文摘要
一種采用棱鏡/波導耦合單元實現光譜整形的裝置及整形方法，利用棱鏡/波導耦合單元的衰減全反射曲線實現超短激光脈沖的光譜整形，裝置包括棱鏡/波導耦合單元、轉盤、入射光路中的激光器、偏振器和光學小孔及反射光路中的光電探測器和光譜儀，由棱鏡及沉積在棱鏡上的四層薄膜層組成的棱鏡/波導耦合單元固定在轉盤中心，其衰減全反射曲線寬度與入射激光脈沖的光譜寬度相匹配。通過改變入射角從多個衰減全反射曲線中選擇寬度與激光光譜寬度相匹配的衰減全反射曲線，并微調入射角，得到理想的整形光譜。本發(fā)明的反射式結構對激光的副作用小，整形能力更強，且制作容易，成本低，操作簡單。
文檔編號G02F1/35GK1584723SQ20041002468
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月27日 優(yōu)先權日2004年5月27日
發(fā)明者朱鵬飛, 劉向民, 曹莊琪, 沈啟舜, 鄧曉旭 申請人:上海交通大學