專利名稱：采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光譜，特別是一種采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，特別是啁啾脈沖放大系統(tǒng)中種子啁啾脈沖的光譜整形。
背景技術(shù)：
啁啾脈沖放大技術(shù)和再生放大技術(shù)廣泛地應(yīng)用于高功率超短脈沖激光系統(tǒng)中，由于種子脈沖具有一定的光譜寬度，在放大過程中固體激光放大介質(zhì)的增益窄化效應(yīng)使得激光脈沖不能充分利用放大介質(zhì)的增益帶寬，從而不能有效地從放大介質(zhì)中提取能量；此外，啁啾脈沖光譜變窄最終導(dǎo)致光柵壓縮后的超短脈沖寬度增加，從而影響了脈沖功率的提高。因此，我們需要利用光譜調(diào)制器件將輸入到主放大鏈的種子脈沖進行光譜整形來補償放大器的增益不均勻性。這種光譜調(diào)制器在調(diào)制帶寬內(nèi)對中心頻譜的衰減大于對側(cè)翼頻譜的衰減而使得光譜頂端變平甚至在光譜中心產(chǎn)生凹陷。
目前，常用于光譜整形的手段有(1)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”一文中介紹了利用窄帶干涉濾光片實現(xiàn)超短脈沖的光譜整形。整形原理是根據(jù)待整形激光光譜寬度和透射率曲線的具體要求，在玻璃基片上鍍多層介質(zhì)膜制作出窄帶干涉濾光片.限于目前的鍍膜工藝水平，濾波帶寬設(shè)計在十幾納米時無法有效地控制透射率曲線的帶寬和中心凹陷程度，因此該整形技術(shù)無法實現(xiàn)窄帶(幾個納米級)激光的光譜整形。此外透射式光學(xué)元件容易引起法布里-珀羅效應(yīng)而破壞光束的質(zhì)量。
(2)冷雨欣等人在《光學(xué)學(xué)報》2002，22(2)170～174上發(fā)表的“摻鈦藍寶石再生放大器的光譜整形》一文中介紹了利用雙折射晶體片進行超短脈沖的光譜整形。整形原理是激光射入雙折射晶體中會分成尋常光和非尋常光并產(chǎn)生干涉，從而使不同頻率成分的透射率不同。調(diào)節(jié)激光入射晶體的角度，可使晶體的透射率曲線是中心凹陷的，從而實現(xiàn)光譜的整形。這一整形技術(shù)也存在一些缺陷①透射式元件容易引起法布里-珀羅效應(yīng)而破壞光束的質(zhì)量；②雙折射晶體的厚度取決于待整形激光脈沖的光譜寬度，激光脈沖的光譜寬度越窄，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13納米的超短脈沖整形要求雙折射晶體的厚度為25毫米，而雙折射晶體的尺寸很難做大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述已有光譜整形技術(shù)的不足，提出一種適用于展寬器的反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，以解決法布里-珀羅效應(yīng)，實現(xiàn)譜寬為幾個納米的窄帶激光光譜整形；而且光強受到調(diào)制而相位保持不變，克服激光光束的相位畸變問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種適用于展寬器的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，其特征是在展寬器中，激光經(jīng)光柵的第二次衍射光束垂直入射到平面全反鏡的光路中，插入一反射式變柵距光柵來實現(xiàn)光譜的整形。
該方法的具體步驟如下①由所述的展寬器的未整形激光光譜分布函數(shù)和目標光譜分布函數(shù)計算出光譜調(diào)制深度函數(shù)；②綜合考慮并設(shè)定所述的展寬器的第二次衍射光束進入反射式變柵距光柵的入射角度Φ、光柵的材料、槽型和槽深，利用光柵衍射嚴格耦合波理論計算出在所述的展寬器的工作波段內(nèi)的0級衍射效率的平方R2(x)隨光柵周期T(x)變化曲線圖，但計算所得的該波段內(nèi)0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線必須滿足第一步里確定的最大和最小的調(diào)制深度；③利用光柵公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式計算出光束經(jīng)光柵兩次衍射后垂直入射到平面全反鏡的空間尺寸L，確定所述的反射式變柵距光柵的尺寸L/sinΦ；④確定反射式變柵距光柵中心位置的光柵周期T(0)利用光柵公式和光的反射公式計算出中心波長為λ0的光入射在所述的反射式變柵距光柵上的位置并確定為x＝0，在第①步里的光譜調(diào)制深度函數(shù)上讀出中心波長為λ0的調(diào)制深度R2(0)，再對照第②步里的0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線找出該調(diào)制深度對應(yīng)的光柵周期，從而確定為所述的反射式變柵距光柵該位置的光柵周期T(0)；⑤確定反射式變柵距光柵兩邊緣位置的光柵周期根據(jù)由第①步所確定的光譜調(diào)制深度函數(shù)的要求的所述的反射式變柵距光柵兩邊緣x1和x2的0級衍射效率R(x1)和R(x2)，相應(yīng)的調(diào)制深度為R2(x1)和R2(x2)，再對照第二步里的0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線找出該調(diào)制深度對應(yīng)的光柵周期，從而確定反射式變柵距光柵位置x1和x2的光柵周期T(x1)和T(x2)；⑥制備所述的反射式變柵距光柵根據(jù)變柵距光柵的光柵周期T(x1)-T(0)-T(x2)制備所述的反射式變柵距光柵；⑦安裝將第⑥步制成的反射式變柵距光柵按入射角Φ插入經(jīng)光柵第二次衍射光的光路中，然后調(diào)整所述的平面全反鏡使該平面全反鏡的反射光經(jīng)反射式變柵距光柵衍射后沿原路返回到原光路中。
所述的T(x1)＝T(x2)。
本發(fā)明可以很好的解決已往激光脈沖光譜整形技術(shù)中存在的若干問題①改變已往的透射式元件，采用反射式元件不會引入法布里-珀羅效應(yīng)；②利用了光譜在空間展開的特點，通過空間整形可實現(xiàn)譜寬為幾個納米的窄帶激光光譜整形；③光強受到調(diào)制而相位保持不變，因此不會引入破壞激光光束質(zhì)量的相位畸變。
本發(fā)明中，變柵距光柵的0級衍射光垂直入射到平面全反鏡上從而反射回原光路中，取用0級衍射光的理由是①設(shè)入射光表示為E(x,z)Eyet2πλ(xsinθ+zcosθ)]]>時0級衍射光可表示為E0(x,z)=Ey,0et2πλ(xsinθ+zcosθ),]]>可見0級光的幅度Ey，0得到了調(diào)制而相位因子2πλ(xsinθ+zcosθ)]]>保持不變，即沒有引入相位調(diào)制從而避免了相位畸變問題；②根據(jù)光柵公式d(sinθ+sinθ′)＝mλ，0級衍射光的衍射方向為光柵的鏡面反射方向(θ′＝-θ)，與波長無關(guān)，便于將其反射回原光路中；而其它級次的衍射方向與波長有關(guān)，因而無法將各頻譜衍射光反射回原光路中。
由于TM入射情況下光柵的吸收較TE模大，而且TM模對光柵制作工藝上引起的誤差比較敏感，TE模入射情況下理論計算值與實驗值更加吻合，因此選用電場矢量方向垂直于入射面的TE模入射。
本發(fā)明利用了啁啾脈沖放大系統(tǒng)展寬器中特定部位(見附圖1)光譜具有空間分布的特性，種子光經(jīng)展寬器中的光柵4的兩次衍射后，帶寬僅為幾個納米的光束可以在平面全反鏡2處按波長空間展開，因此我們可以利用具有一定光強空間調(diào)制曲線的調(diào)制器置于平面全反鏡2的位置來實現(xiàn)光譜的整形。與已有技術(shù)相比，該發(fā)明解決了窄帶(幾個納米)激光的光譜整形。


圖1為現(xiàn)有的單光柵雙通脈沖展寬器結(jié)構(gòu)圖；間斷線和點線分別表示兩不同波長的光路，可見種子光經(jīng)光柵4兩次衍射后在平面全反鏡2處光譜具有空間分布的特點。
圖1中1、2、平面全反鏡；3、柱面鏡；4、光柵；5、偏振片；6、1/4波片。
圖2為本發(fā)明反射式變柵距光柵在展寬器中的安裝位置示意圖。
圖2中1、2、平面全反鏡；3、柱面鏡；4、光柵；5、偏振片；6、1/4波片；7、反射式變柵距光柵。
圖3為利用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的原理圖。具有光譜空間分布的激光經(jīng)具有空間光強整形能力的反射式變柵距光柵7衍射后，其光譜得到了調(diào)制；然后0級衍射光垂直入射到平面全反鏡2從而原路反射回原光路中。
圖3中2、平面全反鏡，0級衍射光垂直入射于該平面全反鏡；7、反射式變柵距光柵。
圖4為實例中未經(jīng)光譜整形的激光光譜曲線。
圖5為實例中經(jīng)光譜整形后的激光光譜曲線。
圖6為實例的光譜調(diào)制函數(shù)曲線。
圖7為實例中0級衍射效率的平方與刻線周期的關(guān)系，其中入射角度為40°、TE膜入射；渡金膜；矩形刻槽、占寬比0.5、槽深842nm；圖8為實例中的變柵距光柵的周期分布情況；圖中原點取在光柵中心。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，以便于對本發(fā)明及其優(yōu)點的理解。但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖1和圖2，圖1為現(xiàn)有的單光柵雙通脈沖展寬器結(jié)構(gòu)圖；間斷線和點線分別表示兩不同波長的光路，可見種子光經(jīng)光柵4兩次衍射后在平面全反鏡2處光譜具有空間分布的特點。圖1中1、2、平面全反鏡；3、柱面鏡；4、光柵；5、偏振片；6、1/4波片。
圖2為本發(fā)明適用于展寬器的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法的反射式變柵距光柵在展寬器中的安裝位置示意圖。由圖可見，本發(fā)明適用于展寬器的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，是在展寬器圖1所述的展寬器中，激光經(jīng)光柵4的第二次衍射光束垂直入射到平面全反鏡2的光路中，插入一反射式變柵距光柵7來實現(xiàn)光譜的整形的。
該方法的具體實施步驟如下①由所述的展寬器的未整形激光光譜分布函數(shù)和目標光譜分布函數(shù)計算出光譜調(diào)制深度函數(shù)；②綜合考慮并設(shè)定所述的展寬器的第二次衍射光束進入所述的反射式變柵距光柵7的入射角度Φ、光柵的材料、槽型和槽深，利用光柵衍射嚴格耦合波理論計算出在所述的展寬器的工作波段內(nèi)的0級衍射效率的平方R2(x)隨光柵周期T(x)變化曲線圖，但計算所得的該波段內(nèi)0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線必須滿足第一步里確定的最大和最小的調(diào)制深度；③利用光柵公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式計算出光束經(jīng)光柵4兩次衍射后垂直入射到平面全反鏡2的空間尺寸L，確定所述的反射式變柵距光柵7的尺寸L/sinΦ；④利用光柵公式和光的反射公式計算出中心波長為λ0的光入射在所述的反射式變柵距光柵7上的位置并確定為x＝0，在第①步里的光譜調(diào)制深度函數(shù)上讀出中心波長為λ0的調(diào)制深度R2(0)，再對照第②步里的0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線找出該調(diào)制深度對應(yīng)的光柵周期，從而確定為所述的反射式變柵距光柵7該位置的光柵周期T(0)；⑤根據(jù)由第①步所確定的光譜調(diào)制深度函數(shù)的要求的所述的反射式變柵距光柵7兩邊緣x1和x2的0級衍射效率R(x1)和R(x2)，相應(yīng)的調(diào)制深度為R2(x1)和R2(x2)，再對照第二步里的0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線找出該調(diào)制深度對應(yīng)的光柵周期，從而確定反射式變柵距光柵7位置x1和x2的光柵周期T(x1)和T(x2)；⑥根據(jù)變柵距光柵7的光柵周期T(x1)-T(0)-T(x2)制備所述的反射式變柵距光柵7；⑦將制成的反射式變柵距光柵7按入射角Φ插入經(jīng)光柵4第二次衍射光的光路中，然后調(diào)整所述的平面全反鏡2使該平面全反鏡2的反射光經(jīng)反射式變柵距光柵7衍射后沿原路返回到原光路中。
所述的T(x1)＝T(x2)。
啁啾脈沖放大系統(tǒng)展寬器中，入射到反射式變柵距光柵7的激光束為TE模入射的線偏振光，中心波長為1053nm，譜寬為6nm，光束按波長入射在反射式變柵距光柵7上的相應(yīng)位置，中心波長調(diào)制深度要求為0.3。
變柵距光柵參數(shù)的確定步驟
第一步由未整形激光光譜分布函數(shù)(圖4所示)和目標光譜分布函數(shù)(圖5所示)計算出光譜調(diào)制深度函數(shù)(圖6所示)。
第二步利用光柵衍射嚴格耦合波理論計算出在該波段內(nèi)0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線圖，如圖7所示。本實施例采用的參數(shù)為入射角度為40°、TE膜入射；鍍金膜；矩形刻槽、占寬比0.5、槽深842nm。
第三步利用光柵公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式計算出光束經(jīng)兩次衍射后垂直入射到平面全反鏡2的空間尺寸為4.5厘米，確定變柵距光柵的尺寸為4.5/cos(40°)＝5.874厘米。
第四步通過圖7來找出波長λ的調(diào)制深度所對應(yīng)的周期值來確定波長λ在反射式變柵距光柵入射位置的光柵周期；比如中心波長為λ0的調(diào)制深度0.3對應(yīng)的0級衍射效率為0.3≈0.5477,]]>衍射效率0.5477對應(yīng)的周期T(0)為930線/毫米，見圖7，由于中心波長的光入射在變柵距光柵的中心位置x＝0，因此變柵距光柵的中心處光柵周期為930線/毫米；第五步確定反射式變柵距光柵邊緣的光柵周期光譜整形要求側(cè)翼有較高的效率，周期為863線/毫米時取得最大衍射效率0.9184，調(diào)制深度為0.91842＝0.8435，因此側(cè)翼刻線周期取為863線/毫米；即T(x1)＝T(x2)＝863線/毫米，周期取在863～930線/毫米如圖8所示，可實現(xiàn)0.3～0.8435的調(diào)制深度。
第六步制備反射式變柵距光柵7；第七步安裝將制成的反射式變柵距光柵7按入射角Φ插入經(jīng)光柵4第二次衍射光的光路中，將反射式變柵距光柵7、平面全反鏡2按附圖2的位置安裝，激光入射角度為40°，中心波長入射在變柵距光柵7的中心；然后利用平面全反鏡2將0級衍射光原路反射回所述的反射式變柵距光柵上，光束再一次經(jīng)反射式變柵距光柵的衍射后，其中已獲得光譜整形的0級衍射光可以返回到展寬器原光路中，從而實現(xiàn)了啁啾脈沖的光譜整形。
經(jīng)試用表明，整形效果可對比圖4、圖5，可見在以上參數(shù)下實現(xiàn)了從0.3到0.8435的調(diào)制深度，獲得了理想的光譜調(diào)制效果。
本發(fā)明利用反射式變柵距光柵的空間整形能力來實現(xiàn)激光光譜的整形，實現(xiàn)了譜寬為6納米的窄帶激光從0.3到0.8435的調(diào)制深度，從而補償了激光放大過程中的增益窄化效應(yīng)，有效地提取了放大介質(zhì)中的能量，獲得了更窄的輸出脈沖，從而可以獲得更高的激光輸出功率。
本發(fā)明采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，可以很好的解決已往激光脈沖光譜整形技術(shù)中存在的若干問題①改變已往的透射式元件，采用反射式元件不會引入法布里-珀羅效應(yīng)；②利用展寬器中特定部位光譜在空間展開的特點，參看附圖1，將平面全反鏡2換為附圖2所示的反射式變柵距光柵光譜整形器件，見附圖3，可實現(xiàn)譜寬為幾個納米的窄帶激光光譜整形；③光強受到調(diào)制而相位保持不變，因此不會引入破壞激光光束質(zhì)量的相位畸變。
權(quán)利要求
1.一種適用于展寬器的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，其特征是在展寬器中，激光經(jīng)光柵(4)的第二次衍射光束垂直入射到平面全反鏡(2)的光路中，插入一反射式變柵距光柵(7)來實現(xiàn)光譜的整形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下①由所述的展寬器的未整形激光光譜分布函數(shù)和目標光譜分布函數(shù)計算出光譜調(diào)制深度函數(shù)；②綜合考慮并設(shè)定所述的展寬器的第二次衍射光束進入反射式變柵距光柵(7)的入射角度Φ、光柵的材料、槽型和槽深，利用光柵衍射嚴格耦合波理論計算出在所述的展寬器的工作波段內(nèi)的0級衍射效率的平方R2(x)隨光柵周期T(x)變化曲線圖，但計算所得的該波段內(nèi)0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線必須滿足第一步里確定的最大和最小的調(diào)制深度；③利用光柵公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式計算出光束經(jīng)光柵(4)兩次衍射后垂直入射到平面全反鏡(2)的空間尺寸L，確定所述的反射式變柵距光柵(7)的尺寸L/sinΦ；④確定反射式變柵距光柵(7)中心位置的光柵周期T(0)利用光柵公式和光的反射公式計算出中心波長為λ0的光入射在所述的反射式變柵距光柵(7)上的位置并確定為x＝0，在第①步里的光譜調(diào)制深度函數(shù)上讀出中心波長為λ0的調(diào)制深度R2(0)，再對照第②步里的0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線找出該調(diào)制深度對應(yīng)的光柵周期，從而確定為所述的反射式變柵距光柵(7)該位置的光柵周期T(0)；⑤確定反射式變柵距光柵(7)兩邊緣位置的光柵周期根據(jù)由第①步所確定的光譜調(diào)制深度函數(shù)的要求的所述的反射式變柵距光柵(7)兩邊緣x1和x2的0級衍射效率R(x1)和R(x2)，相應(yīng)的調(diào)制深度為R2(x1)和R2(x2)，再對照第二步里的0級衍射效率的平方隨光柵周期變化曲線找出該調(diào)制深度對應(yīng)的光柵周期，從而確定反射式變柵距光柵(7)位置x1和x2的光柵周期T(x1)和T(x2)；⑥制備所述的反射式變柵距光柵(7)根據(jù)變柵距光柵(7)的光柵周期T(x1)-T(0)-T(x2)制備所述的反射式變柵距光柵(7)；⑦安裝將第⑥步制成的反射式變柵距光柵(7)按入射角Φ插入經(jīng)光柵(4)第二次衍射光的光路中，然后調(diào)整所述的平面全反鏡(2)使該平面全反鏡(2)的反射光經(jīng)反射式變柵距光柵(7)衍射后沿原路返回到原光路中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，其特征在于所述的T(x1)＝T(x2)。
全文摘要
一種適用于展寬器的采用反射式變柵距光柵實現(xiàn)激光光譜整形的方法，是在展寬器中，激光經(jīng)光柵的第二次衍射光束垂直入射到平面全反鏡的光路中，插入一反射式變柵距光柵來實現(xiàn)光譜的整形的。本發(fā)明方法的優(yōu)點是①改變已往的透射式元件，采用反射式元件不會引入法布里－珀羅效應(yīng)；②利用了光譜在空間展開的特點，通過空間整形可實現(xiàn)譜寬為幾個納米的窄帶激光光譜整形；③光強受到調(diào)制而相位保持不變，因此不會引入破壞激光光束質(zhì)量的相位畸變。
文檔編號G02F1/00GK1908737SQ20061003028
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者郭愛林, 楊慶偉, 謝興龍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所