專利名稱：超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超短激光脈沖，特別是一種超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，它是一種采用反射式達曼(Dammann)光柵的單發(fā)頻率分辨光學開關法的超短脈沖測量裝置，該裝置為雙層三光柵結(jié)構，其中一個光柵作為移動臂。
背景技術：
自二十世紀九十年代以來超短脈沖特別是飛秒(fs＝10-15秒)激光技術取得了快速的發(fā)展，由于飛秒激光脈沖具有時域超短特性，能夠?qū)ξ锢?、化學、生物、醫(yī)學等領域進行超快現(xiàn)象的研究。同時，飛秒激光脈沖還具有極高的峰值功率，是進行各種非線性現(xiàn)象研究的有力工具。
飛秒激光脈沖作用下各種現(xiàn)象的研究是通過飛秒脈沖測量技術實現(xiàn)的，通過對飛秒光的時域、頻域以及傳輸?shù)忍匦缘臏y量獲得飛秒動態(tài)系統(tǒng)響應的物理本質(zhì)。同時，測量技術的發(fā)展對飛秒激光技術本身的發(fā)展也有巨大的推動作用，對產(chǎn)生更短持續(xù)時間的激光脈沖具有巨大的指導作用。
飛秒激光脈沖測量有很多種方法，其中頻率分辨光學開關法(frequency-resolved optical gating，F(xiàn)ROG)[參見在先技術1“Frequency-Resolved optical GatingThe Measurement ofUltrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002 Kluwer AcademicPublishers]和光譜位相相干電場重構法(spectral phaseinterferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)[參見在先技術2“Spectral phase interferometryfor directelectric-field reconstructionof ultrashort optical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue 10 1998]都是目前采用較多的兩種方法。
頻率分辨光學開關法測量裝置基本結(jié)構是將飛秒脈沖通過半透半反的分束鏡使之分成兩束光，一束光作為探測脈沖，另一束光作為開關脈沖。然后將兩束脈沖光以一定角度聚焦到非線性晶體上，產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換，改變開關脈沖光的光程并利用光譜儀測量對應的頻率轉(zhuǎn)換光，得到強度相對于時間和頻率的二維圖譜(FROG Trace)，對圖譜應用迭代算法[參加在先技術1]得到飛秒脈沖的振幅和位相。
圖1是頻率分辨光學開關法的標準測量裝置，該裝置采用了半透半反的光分束器1。飛秒激光脈沖特別是非常短的脈沖具有很寬的頻譜，因此理想的分束器應當具有如下性質(zhì)1.分束器的反射膜對寬光譜具有平坦的反射率。
2.分束器對透射光的時域展寬盡量小，吸收盡量小。
3.分束器的反射率跟入射光的偏振狀態(tài)無關。
但事實上目前的分束器很難達到上述要求，例如，對于20飛秒以下超短脈沖，為了減小對透射光的時域展寬，要求反射鏡片厚度不超過50微米，而且要保證表面平整度和基底強度，這是比較難加工的。另外，具有寬光譜的半透半反的膜層也很難鍍制，成本也很高。
另外頻率分辨光學開關法測量方法需要保證兩個脈沖具有相同的光程，由圖1可以看出使用的反射鏡較多，這也增加了光路調(diào)節(jié)的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，應具有能消除基底介質(zhì)對飛秒脈沖的展寬，加工方便、結(jié)構緊湊、光路調(diào)節(jié)方便和成本低的優(yōu)點。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，包括分束器、計算機控制的微動臺、透鏡、非線性晶體、光闌和光譜儀，其特征在于所述的分束器是由第一1×2反射式達曼光柵、第二1×2反射式達曼光柵和第三1×2反射式達曼光柵立體配置而構成的反射式達曼光柵分束器，所述的第二1×2反射式達曼光柵置于計算機控制的微動臺上，其位置關系是當一束飛秒脈沖光在豎直平面內(nèi)并以一個小角度入射到周期為d，深度為λc/4的第一反射式1×2達曼光柵上，在水平面內(nèi)被分成-1級P光束和+1級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達曼光柵和第三反射式1×2達曼光柵所衍射，又分別產(chǎn)生P-1級、P+1級兩束光和G-1級、G+1級兩束光，其中第二反射式1×2達曼光柵衍射的P+1級光束被第一擋板遮住，第三反射式1×2達曼光柵所衍射的G-1級光被第二擋板遮住，而第二反射式1×2達曼光柵衍射的P-1級光束和第三反射式1×2達曼光柵所衍射的G光+1級平行地入射到透鏡，會聚于非線性晶體，通過光闌被光譜儀接收。
所述的小角度小于2°。
所述的第二反射式1×2達曼光柵和第三反射式1×2達曼光柵與第一反射式1×2達曼光柵的距離L應保證由第一反射式1×2達曼光柵產(chǎn)生的+1級光和-1級光能夠在空間上分離。
本發(fā)明的技術效果如下1、本發(fā)明裝置的核心是采用三塊達曼光柵，很容易實現(xiàn)脈沖的等光程，具有結(jié)構緊湊，光路調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點。
2、由于采用反射式達曼光柵代替分束鏡，可消除分束鏡基底介質(zhì)對飛秒脈沖的展寬，由于達曼光柵的制造技術與微電子加工技術相兼容，具有易加工、成本低的優(yōu)點。


圖1現(xiàn)有的標準的超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置結(jié)構示意圖。
圖2為本發(fā)明超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置結(jié)構俯視示意圖。
圖3為圖2測量裝置示側(cè)視圖。
圖4利用本發(fā)明超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置測量得到的圖譜。
圖5利用超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置測量得到的圖譜。
圖6根據(jù)圖譜2和3解算出的脈沖的振幅和位相。
圖其中1-分束器；2-微動臺；3-直角錐反射鏡；4為直角錐反鏡；5為反射鏡；6為透鏡；7為非線性晶體；8為光闌；9為光譜儀；11-第一1×2反射式達曼光柵；12-第二1×2反射式達曼光柵；13-第三1×2反射式達曼光柵；2-計算機控制的微動臺；31-第一遮光板；32-第二遮光板。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
先請參閱圖2和圖3，本發(fā)明超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，包括分束器1、計算機控制的微動臺2、透鏡6、非線性晶體7、光闌8和光譜儀9，其特征在于所述的分束器1是由第一1×2反射式達曼光柵11、第二1×2反射式達曼光柵12和第三1×2反射式達曼光柵13立體配置而構成的反射式達曼光柵分束器，所述的第二1×2反射式達曼光柵12置于計算機控制的微動臺2上，其位置關系是當一束飛秒脈沖光在豎直平面內(nèi)并以一個小于2°的小角度入射到周期為d，深度為λc/4的第一反射式1×2達曼光柵11上，在水平面內(nèi)被分成-1級P光束和+1級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達曼光柵12和第三反射式1×2達曼光柵13所衍射，又分別產(chǎn)生P-1級、P+1級兩束光和G-1級、G+1級兩束光，其中第二反射式1×2達曼光柵12衍射的P+1級光束被第一擋板31遮住，第三反射式1×2達曼光柵13所衍射的G-1級光被第二擋板32遮住，而第二反射式1×2達曼光柵12衍射的P-1級光束和第三反射式1×2達曼光柵13所衍射的G光+1級平行地入射到透鏡6，會聚于非線性晶體7，通過光闌8被光譜儀9接收。
對本發(fā)明裝置的技術效果分析如下達曼光柵[參見在先技術3“Numerical study of Dammann arrayilluminators”Changhe Zhou，and Liren Liu Applied Optics，Vol.34，No.26 1995]是一種衍射光學器件，目前廣泛地應用于陣列照明。通過控制達曼光柵一個周期內(nèi)的拐點的位置以及位相值實現(xiàn)對入射光束的控制，達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的反射式達曼的光柵時，反射光會分成強度相同的兩束光，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η=I+1=I-1=I04π2sin2φ2---(2a)]]>φ=4πλh---(2b)]]>其中I+1，I-1分別為+1級和-1級反射光的強度，I0為入射脈沖光的強度，h為光柵的深度。由公式2可以得出當h＝λ/4時每束反射光具有最高的衍射效率40.5％，總的衍射效率為81％。
本發(fā)明超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置結(jié)構示意的俯視圖和側(cè)視圖分別如圖2、圖3所示，一束中心波長為λc，寬度為τ0的飛秒脈沖光在豎直平面內(nèi)以一個小角度(小于2度)入射到周期為d，深度為λc/4的第一反射式1×2達曼光柵11上，在水平面內(nèi)被分成-1級P和+1級G兩束光，這兩束光分別被放置在后面距離L處并且被在同一平面的第二反射式1×2達曼光柵12和第三反射式1×2達曼光柵13所衍射，分別產(chǎn)生兩束光，利用第一擋板31和第二擋板32分別將光束P的+1級光，G的-1級光遮住，根據(jù)光柵方程可知光束P的-1級光和G的+1光是平行且等光程的。另外根據(jù)[在先技術4 Guowei Li，Changhe Zhou，andEnwen Dai，“Splitting of femtosecond laser pulses by using aDammann grating and compensation gratings”，J.Opt.Soc.Am.A，22(2005)]可以得出脈沖光經(jīng)過光柵對后的脈沖寬度。
τ=τ02+(2kβ2L)2τ02---(3)]]>其中β=λc2/(2πcd),]]>k＝2π/λc，c為光速。
達曼光柵12固定在計算機控制的微動臺上2，微動臺2可以調(diào)節(jié)第二反射式1×2達曼光柵12的位置，從而可以改變兩個脈沖的光程差。兩束光被透鏡6聚焦在非線性晶體7中產(chǎn)生信號光，信號光通過遮光板8被光譜儀9接收產(chǎn)生頻率分辨，利用微動臺2改變光程實現(xiàn)光學開關，即可得到FROG圖譜。
綜上所述，本發(fā)明用三塊反射達曼光柵實現(xiàn)了全反射式的超短脈沖光測量，從而消除了傳統(tǒng)的透/反射式光分束器對脈沖光的影響，同時達曼光柵的制造技術與微電子加工技術相兼容，因此具有易加工、成本低的優(yōu)點。
利用周期d＝100μm表面鍍金的反射式達曼光柵的二次諧波FROG法測量。
考慮超短脈沖中心波長λc＝818nm時域?qū)挾?7飛秒的情況。根據(jù)公式(1)可以求出，兩束反射光的夾角θ為1.4724°，光柵的深度為λ/4＝0.2045μm時，反射光的中心波長衍射效率最大。L＝300mm時根據(jù)公式(3)可以得到77.004飛秒。BBO晶體具有很高的二次諧波轉(zhuǎn)換效率，可以測量較弱的飛秒脈沖光，因此非線性晶體7采用BBO作為頻率上轉(zhuǎn)換晶體。通過計算機控制的微動臺2改變光程并用光譜儀9測量和頻光得到FROG圖譜。如圖4所示。圖5是用標準FROG測量裝置得到的圖譜。圖6是根據(jù)圖譜4和圖5利用在先技術1解算出的脈沖的振幅和位相。
具體實驗結(jié)果如下時域半高全寬 譜寬 誤差達曼FROG 77.3fs19.54nm0.00094標準FROG 77.1fs19.42nm0.00188可以看出在λc＝818nm，譜寬20nm范圍內(nèi)達曼FROG與標準FROG具有非常接近的測量結(jié)果，證明了該裝置在此光譜范圍的有效性，由于金的反射率在很寬的光譜范圍內(nèi)都具有平坦的反射率，因此可以保證該裝置對其他光譜范圍仍然是有效的。
權利要求
1.一種超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，包括分束器(1)、計算機控制的微動臺(2)、透鏡(6)、非線性晶體(7)、光闌(8)和光譜儀(9)，其特征在于所述的分束器(1)是由第一1×2反射式達曼光柵(11)、第二1×2反射式達曼光柵(12)和第三1×2反射式達曼光柵(13)立體配置而構成的反射式達曼光柵分束器，所述的第二1×2反射式達曼光柵(12)置于計算機控制的微動臺(2)上，其位置關系是當一束飛秒脈沖光在豎直平面內(nèi)并以一個小角度入射到周期為d，深度為λc/4的第一反射式1×2達曼光柵(11)上，在水平面內(nèi)被分成-1級P光束和+1級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達曼光柵(12)和第三反射式1×2達曼光柵(13)所衍射，又分別產(chǎn)生P-1級、P+1級兩束光和G-1級、G+1級兩束光，其中第二反射式1×2達曼光柵(12)衍射的P+1級光束被第一擋板(31)遮住，第三反射式1×2達曼光柵(13)所衍射的G-1級光被第二擋板(32)遮住，而第二反射式1×2達曼光柵(12)衍射的P-1級光束和第三反射式1×2達曼光柵(13)所衍射的G光+1級平行地入射到透鏡(6)，會聚于非線性晶體(7)，通過光闌(8)被光譜儀(9)接收。
2.根據(jù)權利要求1所述的超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，其特征在于所述的小角度小于2°。
3.根據(jù)權利要求1所述的超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，其特征在于所述的第二反射式1×2達曼光柵(12)和第三反射式1×2達曼光柵(13)與第一反射式1×2達曼光柵(11)的距離L應保證由第一反射式1×2達曼光柵(11)產(chǎn)生的+1級光和-1級光能夠在空間上分離。
全文摘要
一種超短脈沖頻率分辨光學開關法測量裝置，包括分束器、計算機控制的微動臺、透鏡、非線性晶體、光闌和光譜儀，其特征在于所述的分束器是由第一1×2反射式達曼光柵、第二1×2反射式達曼光柵和第三1×2反射式達曼光柵立體配置而構成的反射式達曼光柵分束器，所述的第二1×2反射式達曼光柵置于計算機控制的微動臺上。本發(fā)明具有結(jié)構緊湊，光路調(diào)節(jié)方便、易加工、成本低等優(yōu)點。
文檔編號G01J11/00GK1693861SQ20051002655
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權日2005年6月8日
發(fā)明者周常河, 戴恩文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所