專利名稱：飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及飛秒脈沖時空變換整形裝置，特別指一種基于平板光學(xué)基礎(chǔ)上的飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，飛秒激光脈沖是目前人類實驗室條件下所能獲得的最短的一個時間過程，因此飛秒激光脈沖的測量和控制不可能指望通過另一個更快的其它的物理效應(yīng)來實現(xiàn)。飛秒激光脈沖通過時空變換技術(shù)將時域信息變換到空域，通過空域的處理再返回到時域是實現(xiàn)飛秒激光脈沖整形、測量和控制的一項重要技術(shù)，也是唯一的而且最有效的操縱飛秒脈沖的方法。自Heritage等人介紹飛秒脈沖時空變換整形這個領(lǐng)域以來，已得到了迅速發(fā)展，現(xiàn)已成為一個重要的前沿學(xué)科。在應(yīng)用方面，可產(chǎn)生各種所需要的波形，應(yīng)用在信號處理和量子系統(tǒng)的連續(xù)控制、安全通訊、存儲、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)成像、化學(xué)和物理等方面。例如2003年科學(xué)雜志(SCIENCE)上報道了依賴于時間和位置顯微尺寸的晶格振動波的時空相干控制產(chǎn)生了太赫茲的晶格振動波、整形的飛秒脈沖作為新的反應(yīng)物來改變分子分解和重排的過程、整形的飛秒脈沖裝置建立一個共線的三脈沖序列用于兩維光譜中的核磁共振等。這些報道的共同特點是都運用了飛秒脈沖整形技術(shù)來控制超短脈沖的形狀、存儲和恢復(fù)探測脈沖形狀?？梢婏w秒脈沖時空變換整形技術(shù)已成為當(dāng)今研究的熱點，是物理學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科的研究重要工具。可以預(yù)期，由于飛秒激光時空變換脈沖整形在學(xué)術(shù)研究上的重要性和廣泛現(xiàn)實的應(yīng)用性，它必將成為光電子學(xué)領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容之一。
在先技術(shù)[1](參見C.Froehly，B.Colombeau，and M.Vampouille，“Shaping and analysis of picosecond light pulses，”Progress in Optics.20，65-153(1983))中所描述的是最基本的、應(yīng)用最廣泛的透射式4f系統(tǒng)的脈沖時空變換整形裝置。雖然其具備了整形的能力，但穩(wěn)定性差，抗干擾能力如機械和熱效應(yīng)弱，且存在透鏡的色散問題。
在先技術(shù)[2](參見D.H.Reitze，A.M.Weiner，and D.E.Leaird，“Shapingof wide bandwidth 20 femtosecond optical pulses，”Appl.Phys.Lett.61，1260-1262(1992))中描述的無色散的透射式脈沖整形裝置。該裝置中用反射式球面鏡代替在先用的透鏡可以避免透鏡的色散問題，得到無色散的過程。但其抗干擾能力如空氣流的影響是不可避免的。
在先技術(shù)[3](M.C.Nuss，M.Li，T.H.Chiu，A.M.Weiner，and A.Partovi，“Time-to-space mapping of femtosecond pulses，”O(jiān)pt.Lett.19，664-666(1994))中描述的是全息飛秒脈沖整形技術(shù)。模板由兩光束干涉形成，再由其中一束光讀出。它同樣具有抗干擾能力差和透鏡的色散問題，同時模板是固定的，不能實現(xiàn)動態(tài)整形。整個裝置不夠緊湊，體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置，它應(yīng)具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強的特點。
本實用新型解決的技術(shù)方案如下一種飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置，其特征在于其構(gòu)成包括由第一光學(xué)平板和第二光學(xué)平板相互構(gòu)成的框架中在所述的第一光學(xué)平板嵌設(shè)有第一反射式透鏡和第二反射式透鏡，在所述的第二光學(xué)平板上依次等間距地嵌設(shè)有第一高密度光柵、反射式模板和第二高密度光柵，所述的第一光學(xué)平板嵌設(shè)的元件與第二光學(xué)平板上嵌設(shè)的元件相互交錯地分立設(shè)置并滿足下列關(guān)系式f＝hcosθC＝2fsinθ
式中f為第一反射式透鏡和第二反射式透鏡的焦距；h為第一光學(xué)平板和第二光學(xué)平板之間的距離；C為各元件的中心間距；θ為飛秒脈沖激光的入射角。
所述的第一反射式透鏡和第二反射式透鏡是偏心率e為常數(shù)的橢圓光柵，且e＝sinθ。是適合于斜入射的反射式非球面透鏡。
所述的模板為反射式位相板、可變形鏡、液晶空間光調(diào)制器、微機械數(shù)字微轉(zhuǎn)鏡或反射式動態(tài)空間光調(diào)制器。
本實用新型與在先技術(shù)相比具有的優(yōu)點與在先技術(shù)相比，由于采用平板結(jié)構(gòu)的裝置，把各元件鑲嵌為一體，所以結(jié)構(gòu)更緊湊；一般整形裝置長度至少需要40厘米，本實用新型的最長需要20厘米，所以體積較?。灰驗槠湓诠潭ǖ膸缀醴忾]的盒子里，所以相對于機械和熱效應(yīng)的具有較好的穩(wěn)定性，傳播中不易受外界如空氣氣流等干擾，且本實用新型裝置中用的透鏡是反射式透鏡，入射波僅由反射來聚焦，所以效率相對應(yīng)該較高。


圖1為本實用新型飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2為反射式非球面平板透鏡2的平面圖，圖3為圖2反射式非球面平板透鏡2沿y軸的截面圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明。
先請參閱圖1，圖1為本實用新型飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置結(jié)構(gòu)的剖面圖。有圖可見，本實用新型飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置其構(gòu)成包括由第一光學(xué)平板11和第二光學(xué)平板12相互構(gòu)成的框架中在所述的第一光學(xué)平板11嵌設(shè)有第一反射式透鏡2和第二反射式透鏡3，在所述的第二光學(xué)平板12上依次等間距地嵌設(shè)有第一高密度光柵5、反射式模板6和第二高密度光柵7，所述的第一光學(xué)平板11嵌設(shè)的元件與第二光學(xué)平板12上嵌設(shè)的元件相互交錯地分立設(shè)置并滿足下列關(guān)系式f＝hcosθC＝2fsinθ式中f為第一反射式透鏡2和第二反射式透鏡3的焦距；h為第一光學(xué)平板11和第二光學(xué)平板12之間的距離；C為各元件的中心間距；θ為飛秒脈沖激光的入射角。
所述的第一反射式透鏡2和第二反射式透鏡3是偏心率e為常數(shù)的橢圓光柵，且e＝sinθ。
本實用新型的基本依據(jù)如下光信號在介質(zhì)表面沿折疊路徑從一個元件到另一個元件傳播。實際上，這個裝置是一個4f時空變換的脈沖整形系統(tǒng)。
本實用新型的原理主要是建立在線性、時間不變的濾波器上。線性過濾可在時域描述，也可在頻域描述。在時域中，濾波器可用脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)表示其特性，濾波器的輸出eout(t)可由輸入脈沖ein(t)和h(t)的卷積表示eout(t)＝ein(t)*h(t)＝∫dt′ein(t′)h(t-t′)(1)如果輸入脈沖是δ函數(shù)，則輸出僅僅是h(t)。因此對于足夠短的輸入脈沖產(chǎn)生特定的輸出脈沖形狀的問題相當(dāng)于制造一個包含有所希望的脈沖響應(yīng)的線性濾波器問題。
在頻域，濾波器可由頻率響應(yīng)H(ω)表示其特性，線性濾波器的輸出Eout(ω)是輸入信號Ein(ω)和頻率響應(yīng)H(ω)的積，即Eout(ω)＝Ein(ω)H(ω)(2)
這里ein(t)、eout(t)、h(t)和Ein(ω)、Eout(ω)、H(ω)分別是傅立葉變換對，即H(ω)＝∫dth(t)e-iωt(3)h(t)=12π∫dωH(ω)eiωt---(4)]]>對于一個δ函數(shù)的輸入脈沖，輸入光譜Ein(ω)是不變的，輸出光譜Eout(ω)等于濾波器的頻率響應(yīng)H(ω)。因此，由于傅立葉變換關(guān)系，所希望的輸出波形的產(chǎn)生可由實現(xiàn)帶有所希望的頻率響應(yīng)的濾波器來完成，脈沖整形的方法都是由這種頻率域觀點來描述的。需要指出的是對于基于平板光學(xué)基礎(chǔ)上的飛秒脈沖整形中的透鏡光譜是斜入射的，這樣像差很大，對于高斯光學(xué)中的透鏡已不再適合。這里我們需重新設(shè)計一種適合于平板光學(xué)的反射式透鏡。
該反射式透鏡的設(shè)計原理如下對于平板光學(xué)的反射式透鏡(又稱衍射透鏡)準(zhǔn)直的特殊設(shè)計已由Shiono和Ogawa(T.Shiono and H.Ogawa，“Diffraction-limited blazedreflection diffractive microlenses for oblique incidence fabricated byelectron-beam lithography，”Appl.Opt.30，3643(1991))描述。圖2和圖3是所提出的反射式的、適于斜入射的反射式透鏡的結(jié)構(gòu)圖。圖3中8為反射層，9為焦點，10是入射的平面波。在X-Y平面上，平面波沿z軸以θ角傳播和沿對稱于入射波軸的光軸而會聚的球面波之間的位相差為Φ(x，y)＝n′k[(x2+y2-2yfsinθ+f2)1/2-f+ysinθ]， (5)這里k＝2π/λ (6)λ是自由空間的波長，n′＝1是介質(zhì)空氣的折射率，f是焦距。因此，在X-Y平面產(chǎn)生Φ位相差的透鏡能無像差地聚焦斜入射波。衍射透鏡的位相差為ΦF，是由Φ以模2π的整數(shù)倍來分
ΦF＝Φ(x，y)-2mπ(7)其中m是整數(shù)，滿足0≤ΦF≤2π。Φ和ΦF在X方向上對稱，yc軸表示等位相的中心位置，而Φ在Y方向上為反對稱的曲線，以Φ或|y|改變到一Y方向。這意味著Y軸上在ΦF里由波帶周期給出的光柵周期在正區(qū)域里比較小。
接著考慮透鏡波帶邊緣的光柵周期的模式。從ΦF＝0可得到x2(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′+(y-ycm)2cos2θ(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′=1---(8)]]>其中ycm＝-mλtanθ/n′cosθ (9)很明顯(8)式表示以(0，ycm)為中心，Y為主軸的橢圓。ycm正比于對應(yīng)于邊緣橢圓級次的整數(shù)m。主軸的長度和最短軸的長度可表示為Sym＝2/cosθ[(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′]1/2， (10)Sxm＝2[(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′]1/2(11)如果M是m的最大值，透鏡Sx和Sy分別由SxM和SyM給出。M由下式給出M=n′cos2θ/λ[-f+(f2+Sy2/4)1/2]---(12)]]>M也顯示出光柵波帶的總數(shù)。由式(10)和(11)可知，主軸相對于最短軸比率為Sym/Sxm＝1/cosθ， (13)橢圓的離心率根據(jù)橢圓尺寸定義為e＝[1-(Sxm/Sym)2]1/2＝sinθ (14)由(14)式可看出離心率不依賴于級次m，僅由入射角θ決定。因此，適于斜入射的衍射受限的透鏡是由偏心率e為常數(shù)的橢圓光柵組成，他們的中心位置偏離-Y方向，正比于級次m。
下面計算透鏡的厚度。適于斜入射的反射式透鏡由橢圓光柵組成。為了簡化分析，我們分析反射式柱面透鏡，考慮透鏡在每個區(qū)域的趨向，結(jié)果可用在θ的位置中的有效入射角θE標(biāo)定。θF在透鏡的區(qū)域定義為
θE＝θcosρ，(15)這里ρ是和正Y軸之間的夾角。例如，θE＝θ在透鏡的正Y軸上，θE＝-θ在透鏡的負(fù)Y軸上。在X軸上θE＝0。
L為透鏡的厚度(柱面透鏡)，即反射層下的槽深，n是組成閃耀層的材料的折射率。對薄透鏡的位相偏移為2Lnkcosθ，最優(yōu)化的衍射效率的最大厚度為LR＝λ/2ncosθ，(16)上式是使每個波帶邊緣位相差為2π得到的。因此反射衍射透鏡的膜厚輪廓可寫為L(x，y)＝LR[1-ΦF(x，y)/2π]。
(17)從方程(17)可得，最大的厚度與入射角有關(guān)。對于圓柱透鏡，這個結(jié)果表示對于斜入射的透鏡有一個依賴于ρ的最佳厚度。例如，在最短軸上，最佳厚度為LR＝λ/2n，而在主軸上的最佳厚度為LR＝λ/2ncosθ。
這樣的透鏡沒有色差，是橢圓的、非球面的凹面鏡結(jié)構(gòu)。因為入射波僅由反射來聚焦，此透鏡的衍射效率比較高，。同理可根據(jù)需要來設(shè)計透鏡的大小，孔徑角等。
如圖1所示的本實用新型的基于平板光學(xué)的飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置結(jié)構(gòu)，其一個實施例是選用的20cm×5cm×5cm大小的空心介質(zhì)的框架。所以，中間介質(zhì)是折射率為1的空氣。此裝置中各元件間的距離是c是相等的。光源1為中心波長為800nm的鈦寶石飛秒激光器。
對于斜入射時透鏡的數(shù)值孔徑定義為NA=nSx/2(f2+Sx2/4)1/2---(18)]]>本實施例中用上述方法設(shè)計的透鏡的材料為折射率n＝1.5的玻璃，最大級數(shù)為20，最大厚度Lmax＝0.304μm，當(dāng)入射角θ＝28.69°，焦距為f＝h/cosθ＝3.85cm，Sx＝0.22cm。相對孔徑為f/Sx＝17.5，數(shù)值孔徑NA＝0.6355(對于折射率n＝1.5)。各元件間的橫截距離c＝2fsinθ＝3.697cm。各元件的交叉距離即透鏡的焦距f＝3.85cm。
在本實施例中，采用中心波長為800nm的鈦寶石飛秒激光器作為光源，所述的第一高密度光柵5和第二高密度光柵7為1200L/mm的高密度光柵。飛秒激光1以28.69°入射到第一高密度光柵5上，超短脈沖中的各自的頻率成份由第一高密度光柵5角色散，由布拉格衍射匹配條件d(sinθi+sinθd)＝λ可得衍射角也為28.69°。衍射光照到第一反射式透鏡2上，在第一反射式透鏡2的后焦平面上進行了空間分離，以相同的衍射角度會聚到反射式模板6上，再由反射式模板6整形后反射到第二反射式透鏡3上，由第二反射式透鏡3會聚到同樣的1200L/mm的第二高密度光柵7上。最后由該第二高密度光柵7以28.69°角衍射輸出光束4。第二反射式透鏡3和第二高密度光柵7把這些分離的所有頻率成份重新組合成一個簡單的相互碰撞的光束4，這樣就得到了一個整形輸出脈沖4，這個輸出脈沖的形狀由光譜面上模板6的模式給出。其中模板6為變形鏡、液晶空間光調(diào)制器、微機械數(shù)字微轉(zhuǎn)鏡等動態(tài)器件，以實現(xiàn)動態(tài)的時控變換。
實踐表明，本實用新型能有效地對飛秒脈沖進行整形，結(jié)構(gòu)簡單可靠，緊湊體積小，抗干擾能力強，可有效地避免空氣擾動等因素的影響，成本便宜。
權(quán)利要求1.一種飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置，其特征在于其構(gòu)成包括由第一光學(xué)平板(11)和第二光學(xué)平板(12)相互構(gòu)成的框架中在所述的第一光學(xué)平板(11)嵌設(shè)有第一反射式透鏡(2)和第二反射式透鏡(3)，在所述的第二光學(xué)平板(12)上依次等間距地嵌設(shè)有第一高密度光柵(5)、反射式模板(6)和第二高密度光柵(7)，所述的第一光學(xué)平板(11)嵌設(shè)的元件與第二光學(xué)平板(12)上嵌設(shè)的元件相互交錯地分立設(shè)置并滿足下列關(guān)系式f＝hcosθC＝2fsinθ式中f為第一反射式透鏡(2)和第二反射式透鏡(3)的焦距，h為第一光學(xué)平板(11)和第二光學(xué)平板(12)之間的距離，C為各元件的中心間距，θ為飛秒脈沖激光的入射角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置，其特征在于所述的第一反射式透鏡(2)和第二反射式透鏡(3)是偏心率e為常數(shù)的橢圓光柵，且e＝sinθ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置，其特征在于所述的模板(6)為反射式位相板、變形鏡、液晶空間光調(diào)制器、微機械數(shù)字微轉(zhuǎn)鏡或反射式動態(tài)空間光調(diào)制器。
專利摘要一種飛秒脈沖動態(tài)時空變換整形裝置，其構(gòu)成包括由第一光學(xué)平板和第二光學(xué)平板相互構(gòu)成的框架中在所述的第一光學(xué)平板嵌設(shè)有第一反射式透鏡和第二反射式透鏡，在所述的第二光學(xué)平板上依次等間距地嵌設(shè)有第一高密度光柵、反射式模板和第二高密度光柵，所述的第一光學(xué)平板嵌設(shè)的元件與第二光學(xué)平板上嵌設(shè)的元件相互交錯地分立設(shè)置并滿足關(guān)系式f＝hcosθ；C＝2fsinθ。式中f為第一反射式透鏡和第二反射式透鏡的焦距；h為第一光學(xué)平板和第二光學(xué)平板之間的距離；C為各元件的中心間距；θ為飛秒脈沖激光的入射角。本實用新型能有效地對飛秒脈沖進行整形，結(jié)構(gòu)簡單可靠，緊湊體積小，抗干擾能力強，可有效地避免空氣擾動等因素的影響，成本便宜。
文檔編號G02B27/10GK2773643SQ20052004034
公開日2006年4月19日 申請日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者周常河, 鄒華 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所