專利名稱：多通脈沖壓縮器及其使用方法
技術領域：
本發明涉及了一種多通脈沖壓縮器及其使用方法，它可以實現對啁啾超短脈沖的 壓縮，獲得更短脈沖寬度的激光脈沖輸出，屬于超短脈沖激光技術領域。
背景技術：
超短脈沖激光具有峰值功率高和脈沖寬度窄等優點，因此在基礎科學研究、國防 尖端技術、醫學和生命科學以及微納加工等領域有著廣泛的應用。通常，超短脈沖激光器直接輸出的超短脈沖含有一定的正啁啾，為了獲得更短脈 沖寬度，即更高峰值功率的脈沖，需要對脈沖的正啁啾進行補償。而對脈沖引入額外的負色 散能夠帶來負啁啾，進而補償直接輸出脈沖的正啁啾。腔外脈沖壓縮器即是利用上述原理， 在壓縮器內對脈沖引入一定量的負色散帶來的負啁啾，從而對脈沖進行壓縮。傳統的腔外 壓縮技術有棱鏡對、光柵對以及色散鏡壓縮技術。棱鏡對技術雖然能量損耗較低，但是為獲 得較大的負色散量的補償時，兩個棱鏡的間距通常很大，甚至達到了 8m。而光柵對技術雖然 能夠在較小的間距下提供較大的負色散補償量，但是由于光柵負1級的單次衍射效率通常 只能達到90%，即使采用高效率透射型光柵，理論上單次衍射效率也只能達到97%，因而 在往返經過光柵對裝置后，其能量損耗很大(0. 974X 100%= 88. 53%)。此外，棱鏡對和光 柵對技術都會引入空間色散，改變脈沖的光束形狀，因而需要一個光路爬高器將光束嚴格 從原始光路的正上方反射回棱鏡對或者光柵對，以便提取壓縮后的脈沖，這就增加了光路 調整的復雜性。色散鏡壓縮技術是更為完善的壓縮技術，它利用專門設計的多層膜系對脈 沖進行負色散補償以實現脈沖壓縮，并且這種設計能夠實現非常高的反射率。2008年出現 了一種新型的高色散補償鏡(high-dispersive mirrors)，其單次反射的色散補償在800nm 處達到了 _1300fs2，780 820nmn的平均反射率達到了 99. 95%，而在1030nm附件波段達 到了 _2500fs2，平均反射率達到了 99.99%。另外，色散鏡補償技術并不引入空間色散，能 夠針對特定的脈沖啁啾情況采取靈活的設計，同時補償低階和高階色散，并可以通過多次 反射提供較大色散量的補償，是一種非常理想的補償技術。但是，傳統的色散鏡補償技術通 常在平面鏡片基底上制作色散補償膜系，在多次反射后，光斑通常變的很大，需要額外增加 縮束元件，帶來了額外的能量損耗，增加了系統的元件數量和復雜性，并且不易方便調節。有關涉及到本發明技術的文獻和報道如下[1]D. Herriott, H. Kogelnik, and R. Kompfner, "Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers, ”Appl. Opt. 3,523-526(1964) “球面鏡干涉儀中的離軸光路，，應 用光學 3,523-526(1964)[2]A. Fernandez, A. Verhoef, V. Pervak,G. Lermann,F.Krausz and A. Apolonski, "Generation of 60-nJ sub-40-fs pulses at 70MHz repetition rate from a Ti sapphire chirped pulse-oscillator, "Appl. Phys. B 87，395-398 (2007) “ 以鈦寶石啁啾 脈沖振蕩器產生70MHz重復頻率的60nJ、亞40fs脈沖”應用物理B 87，395-398 (2007)[3] E. B. Treacy, “ Optical Pulse Compression with DiffractionGratings, “ IEEE J. Quantum Electron. QE-5，454-458 (1969) “利用衍射光柵對光學脈沖 的壓縮”量子電子學報QE-5，454-458 (1969)[4]T. Clausnitzer, J. Limpert, K. Zoellner, H. Zellmer, H-J. Fuchs, E-B. Kley, A. Tuennermann, M. Jupe, and D. Ristau,"Highly efficient transmission gratings in fused silica for chirped-pulse amplification systems, "Appl.Opt. 42, 6934-6938(2003) “為啁啾脈沖放大系統設計的高效率透射熔融石英光柵”應用光學42， 6934-6938(2003)[5] V. Pervak, C. Teisset, A. Sugita, S. Naumov, F. Krausz, and A. Apolonski, "Hi gh-dispersive mirrors for femtosecond lasers ,，，Opt. Express 16, 10220-10233 (2008) “針對飛秒激光器的高色散鏡”光學快遞16，10220-10233 (2008)
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供了一種用于實現高負色散量補償的 多通脈沖壓縮器。該裝置能實現對啁啾超短脈沖的壓縮，獲得更短脈沖寬度的激光脈沖輸 出。也能靈活方便調節負色散補償量，能量損耗低，結構靈活。本發明是通過下述技術方案加以實現的一種多通脈沖壓縮器，該多通脈沖壓縮 器由結構相同、按凹球面反射鏡的凹球面共軸相對放置的的第一端鏡I和第二端鏡II構 成，所述的每個端鏡包括圓環狀支座，在圓環狀支座的一側圓環面上配置轉動環，在圓環狀 支座的另一側圓環面上設置調節轉動環繞水平前后方向的X軸轉動士2. 5°的微調旋鈕， 以及調節轉動環繞豎直ζ軸轉動士2. 5°的微調旋鈕，其特征在于，轉動環繞水平左右方向 的y軸轉動的角度為0到360°，轉動環上裝配有凹球面反射鏡，凹球面反射鏡的鏡面直徑 Φ為30 100mm，曲率半徑R為1 20m，厚度D為5 10mm，凹球面反射鏡上開設一條通 透槽，沿鏡面周向的通透槽寬度b為4 10mm，沿鏡面徑向的通透槽長度a為12 40mm， 第一端鏡凹球面反射鏡1與第二端鏡凹球面反射鏡2的凹球面均鍍覆色散補償膜系；或者 在第一端鏡凹球面反射鏡1的凹球面鍍覆色散補償膜系，而在第二端鏡凹球面反射鏡2的 凹球面鍍覆高反射膜系；或者在第一端鏡凹球面反射鏡1的凹球面鍍覆高反射膜系，而在 第二端鏡凹球面反射鏡2的凹球面鍍覆色散補償膜系。上述結構的多通脈沖壓縮器的使用方法，其特征在于包含以下過程1)將第一端鏡I和第二端鏡II按其上的凹球面反射鏡的凹球面相對共軸放置在 待壓縮脈沖的光路中，并保證兩個凹球面反射鏡的凹球面間距L小于2 40m，即兩個凹球 面反射鏡的凹球面間距小于它們的曲率半徑之和；2)采用一個全反射鏡調節待壓縮脈沖光束，使待壓縮脈沖光束經過第一端鏡凹球 面反射鏡1的通透槽入射至第二端鏡凹球面反射鏡2上，并保證入射光束與第一端鏡I和 第二端鏡II的共軸之間的夾角為0°，然后調節第二端鏡II的微調旋鈕8和10，使第二端 鏡凹球面反射鏡2返回的光束落在第一端鏡凹球面反射鏡1上，而后再調節第一端鏡I上 的微調旋鈕7和9，使第一端鏡凹球面反射鏡1返回的光束再落在第二端鏡凹球面反射鏡2 上，如此反復調節第一端鏡的微調旋鈕7和9，使第一端鏡凹球面反射鏡1返回的光束落在 第二端鏡凹球面反射鏡2上，和調節第二端鏡的微調旋鈕8和10，使第二端鏡凹球面反射 鏡2返回的光束落在第一端鏡凹球面反射鏡1上，直至調節到在第一端鏡凹球面反射鏡1
4的凹球面上和第二端鏡凹球面反射鏡2的凹球面上形成封閉環狀的光斑軌跡為止；當此之 時，旋轉第二端鏡轉動環6帶動第二端鏡凹球面反射鏡2轉動，使得由第一端鏡凹球面反射 鏡1上封閉環狀光斑軌跡的最后一個光斑返回的光束通過第二端鏡凹球面反射鏡2上的通 透槽輸出；3)當完成上述步驟的調節時，光束每經過第一端鏡凹球面反射鏡1或第二端鏡凹 球面反射鏡2的色散補償膜系的一次反射，就獲得了相應的單次色散補償量Ddm對應的壓縮 效果；通過旋轉第二端鏡轉動環6，令光束從第二端鏡凹球面反射鏡2上的封閉環狀光斑軌 跡的不同位置經第二端鏡凹球面反射鏡2的通透槽輸出，則每個不同的輸出位置對應著光 束在多通脈沖壓縮器內不同的反射次數(反射次數可以從凹球面反射鏡上的光斑個數直 接觀察)；當第一端鏡凹球面反射鏡1和第二端鏡凹球面反射鏡2均鍍覆有單次色散補償 量為Ddm的色散補償膜系時，該裝置是以Ddm的兩倍即2Ddm為單位對脈沖實現壓縮的離散調 節；當第一端鏡凹球面反射鏡1和第二端鏡凹球面反射鏡2中的一個凹球面鍍覆有單次色 散補償量為Ddm的色散補償膜系而另一個鍍覆高反射膜系時，該裝置是以Ddm為單位對脈沖 實現壓縮的離散調節。本發明的技術方案具有如下優點1.該多通脈沖壓縮器在滿足穩態條件(即兩個凹球面反射鏡的凹球面間距小于 它們的曲率半徑之和)下使用時，凹球面反射鏡的設計能夠使光束每經過凹球面反射鏡反 射一次，都會被周期性的重新會聚，這就有效抑制了光束固有的衍射作用引起的光斑擴展， 同時簡化了光路的調節；2.在多通脈沖壓縮器內，通過旋轉第二端鏡轉動環來旋轉第二端鏡凹球面反射鏡 上的通透槽，進而調節鏡面上的反射光斑數，實現了以色散補償膜系單次反射色散補償量 Ddm或者兩倍色散補償量2Ddm為單位的離散色散補償調節；3.與光柵對技術和棱鏡對技術相比，多通脈沖壓縮器不引入額外的空間色散，不 需要額外引入一個光束爬高器，只需一對鏡片即可實現對脈沖的壓縮，系統內的元件數量 更少，因此整個系統更加簡單，成本更加低廉；4.與光柵對技術相比，由于多通脈沖壓縮器采用了多層介質色散補償膜系的設 計，其壓縮的能量損耗非常小，因而能夠實現很高的能量通過率，更加適于獲得高功率、高 能量的超短脈沖；5.與棱鏡對補償技術相比，多通脈沖壓縮器的鏡面間距L只要小于兩個曲率半徑 之和(即穩態條件)時，該間距L可靈活選取，不需要像棱鏡對補償技術那樣必須引入非常 長的光路，最終實現緊湊、低損耗的超短脈沖壓縮器。
圖1為本發明多通脈沖壓縮器的結構示意圖。圖中1為第一端鏡，II為第二端鏡；1為第一端鏡凹球面反射鏡，2為第二端鏡凹 球面反射鏡，3為第一端鏡圓環狀支座，4為第二端鏡圓環狀支座，5為第一端鏡轉動環，6為 第二端鏡轉動環，7為微調第一端鏡轉動環繞χ軸轉動的旋鈕，8為微調第二端鏡轉動環繞 χ軸轉動的旋鈕，9為微調第一端鏡轉動環繞ζ軸轉動的旋鈕，10為微調第二端鏡轉動環繞 ζ軸轉動的旋鈕。
圖2為圖1中第一端鏡凹球面反射鏡1或第二端鏡凹球面反射鏡2的結構示意圖。圖中b為通透槽沿鏡面周向的寬度，a為通透槽沿鏡面徑向的槽長，Φ為凹球面 反射鏡的鏡面直徑。圖3為圖2的左視剖面圖。圖中D為凹球面反射鏡的厚度，R為凹球面反射鏡的凹球面曲率半徑。圖4為光束在本發明多通脈沖壓縮器中傳輸軌跡的示意圖。圖中L為圖1中的第一端鏡凹球面反射鏡1和第二端鏡凹球面反射鏡2之間的 凹球面間距。圖5為兩個凹球面反射鏡的間距L為30cm時，在第一端鏡凹球面反射鏡鏡面上由 22個光斑形成封閉環狀光斑軌跡的照片。圖6為兩個凹球面反射鏡的間距L為20cm時，在第一端鏡凹球面反射鏡鏡面上由 22個光斑形成封閉環狀光斑軌跡的照片。圖7為兩個凹球面反射鏡的間距L為IOcm時，在第一端鏡凹球面反射鏡鏡面上由 20個光斑形成封閉環狀光斑軌跡的照片。
具體實施例方式獲得多通脈沖壓縮器的具體實施方案如下選取第一端鏡凹球面反射鏡1和第二 端鏡凹球面反射鏡2的鏡面直徑均為50mm，凹球面曲率半徑均為2m，厚度D均為6mm，且各 凹球面反射鏡上均開設一條寬度b為6mm、長度a為20mm的通透槽。1和2的凹球面上均 鍍覆有GT膜系(一種色散補償膜系)，它由一組高折射率材料為氧化鉭(Ta2O5)、低折射率 材料為熔融石英(SiO2)的多層高、低折射率膜層相間構成，該膜系對于1030 1050nm波 段內光束的單次反射率為99. 99%，單次反射色散補償量Ddm為-1500fs2。將第一端鏡圓環狀支座3和第二端鏡圓環狀支座4固定于光學平臺上，確保兩個 端鏡的凹球面反射鏡的凹球面以間距L共軸相對放置，實驗過程分別選用了 L = 30cm,20cm 和IOcm三種間距進行測試。利用一個反射鏡反射一束中心波長為1040nm、光譜寬度為6nm 的待壓縮脈沖光束，使光束經過第一端鏡凹球面反射鏡1的通透槽入射至第二端鏡凹球面 反射鏡2上，并保證入射光束與兩個端鏡的共軸之間的夾角為0°，再調節第二端鏡圓環狀 支座4上的微調旋鈕8和10，使經過第二端鏡凹球面反射鏡2返回的光束落在第一端鏡凹 球面反射鏡1上，而后繼續調節第一端鏡圓環狀支座3上的微調旋鈕7和9，使得經過第一 端鏡凹球面反射鏡1再次返回的光束落在第二端鏡凹球面反射鏡2上，如此反復調節第一 端鏡圓環狀支座3上的微調旋鈕7、9和第二端鏡圓環狀支座4上的微調旋鈕8、10，直至兩 個端鏡的凹球面反射鏡上形成如圖5所示的封閉橢圓環狀的光斑軌跡。而光束每經過鍍覆有GT膜系的凹球面反射鏡的一次反射，就獲得了 Ddm ="1500fs2的色散補償量對應的壓縮效果。旋轉第二端鏡轉動環6帶動第二端鏡凹球面 反射鏡2轉動，使得由第一端鏡凹球面反射鏡1上封閉環狀光斑軌跡的最后一個光斑返回 的光束通過第二端鏡凹球面反射鏡2上的通透槽輸出。旋轉第二端鏡轉動環6帶動第二端鏡凹球面反射鏡2繞水平左右方向的y軸旋 轉，令光束從封閉環狀光斑軌跡上的不同位置經2的通透槽輸出，每個不同位置對應著光 束在多通脈沖壓縮器內不同的反射次數，即同時調節了兩個凹球面反射鏡上的反射光斑數，以單次色散補償量Ddm = -1500fs2的兩倍2Ddm = -3000fs2為單位對脈沖實現壓縮的 離散調節。這樣，光束通過該多通脈沖壓縮器后，如圖5和圖6所示，在兩個凹球面反射鏡 的凹球面間距L分別為30cm和20cm時，調節至每個鏡片上出現22個光斑，此時的效率為 (99. 99% )44 = 99. 56%，同時脈沖可獲得量值為 2X22X (_1500fs2) = -66000fs2 的負色 散補償對應的壓縮效果；如圖7所示，在凹球面間距L為IOcm時，調節至每個鏡面上出現20 個光斑，此時的效率為(99. 99% )40 = 99. 60%，同時脈沖可獲得量值為2X20X (-1500fs2) =-eoooofs2的負色散補償對應的壓縮效果。
權利要求
一種多通脈沖壓縮器，該多通脈沖壓縮器由結構相同、按凹球面反射鏡的凹球面共軸相對放置的的第一端鏡I和第二端鏡II構成，所述的每個端鏡包括圓環狀支座，在圓環狀支座的一側圓環面上配置轉動環，在圓環狀支座的另一側圓環面上設置調節轉動環繞水平前后方向的x軸轉動±2.5°的微調旋鈕，以及調節轉動環繞豎直z軸轉動±2.5°的微調旋鈕，其特征在于，轉動環繞水平左右方向的y軸轉動的角度為0到360°，轉動環上裝配有凹球面反射鏡，凹球面反射鏡的鏡面直徑φ為30～100mm，曲率半徑R為1～20m，厚度D為5～10mm，凹球面反射鏡上開設一條通透槽，沿鏡面周向的通透槽寬度b為4～10mm，沿鏡面徑向的通透槽長度a為12～40mm，第一端鏡凹球面反射鏡(1)與第二端鏡凹球面反射鏡(2)的凹球面上均鍍覆色散補償膜系；或者在第一端鏡凹球面反射鏡(1)的凹球面上鍍覆色散補償膜系，而在第二端鏡凹球面反射鏡(2)的凹球面上鍍覆高反射膜系；或者在第一端鏡凹球面反射鏡(1)的凹球面上鍍覆高反射膜系，而在第二端鏡凹球面反射鏡(2)的凹球面上鍍覆色散補償膜系。
2.一種按權利要求1所述的多通脈沖壓縮器的使用方法，其特征在于包括以下過程1)將第一端鏡I和第二端鏡II按其上的凹球面反射鏡的凹球面相對共軸放置在待壓 縮脈沖的光路中，并保證兩個凹球面反射鏡的凹球面間距L小于2m 40m，即兩個凹球面反 射鏡的的凹球面間距小于它們的曲率半徑之和；2)采用一個全反射鏡調節待壓縮脈沖光束，使待壓縮脈沖光束經過第一端鏡凹球面 反射鏡的通透槽入射至第二端鏡凹球面反射鏡上，并保證入射光束與第一端鏡和第二端鏡 的共軸之間的夾角為0°，然后調節第二端鏡上的微調旋鈕，使第二端鏡凹球面反射鏡返回 的光束落在第一端鏡凹球面反射鏡上，而后再調節第一端鏡上的微調旋鈕，使第一端鏡凹 球面反射鏡返回的光束再落在第二端鏡凹球面反射鏡上，如此反復調節第一端鏡的微調旋 鈕，使第一端鏡凹球面反射鏡返回的光束落在第二端鏡凹球面反射鏡上，和調節第二端鏡 的微調旋鈕，使第二端鏡凹球面反射鏡返回的光束落在第一端鏡凹球面反射鏡上，直至調 節到在第一端鏡凹球面反射鏡的凹球面上的光斑和第二端鏡凹球面反射鏡的凹球面上的 光斑形成封閉環狀的光斑軌跡為止；當此之時，旋轉第二端鏡轉動環帶動第二端鏡凹球面 反射鏡轉動，使得由第一端鏡凹球面反射鏡上封閉環狀光斑軌跡的最后一個光斑返回的光 束通過第二端鏡凹球面鏡上的通透槽輸出；3)當完成上述步驟的調節時，光束每經過第一端鏡凹球面反射鏡或第二端鏡凹球面反 射鏡的色散補償膜系的一次反射，就獲得了相應的單次色散補償量Ddm對應的壓縮效果；通 過旋轉第二端鏡轉動環，令光束從第二端鏡凹球面反射鏡上的封閉環狀光斑軌跡的不同位 置經第二端鏡凹球面反射鏡上的通透槽輸出，則每個不同的輸出位置對應著光束在多通脈 沖壓縮器內不同的反射次數；當第一端鏡凹球面反射鏡和第二端鏡凹球面反射鏡均鍍覆有 單次色散補償量為Ddm的色散補償膜系時，則該裝置是以Ddm的兩倍即2Ddm為單位對脈沖實 現壓縮的離散調節；當第一端鏡凹球面反射鏡和第二端鏡凹球面反射鏡其中的一個凹球面 鍍覆有單次色散補償量為Ddm的色散補償膜系而另一個鍍覆高反射膜系時，則該裝置是以 Ddm為單位對脈沖實現壓縮的離散調節。
全文摘要
本發明公開了一種多通脈沖壓縮器及其使用方法。壓縮器的主體為兩個凹球面相對共軸放置的端鏡，端鏡上配有轉動環，其中裝有凹球面反射鏡。凹球面反射鏡的凹球面鍍覆有色散補償膜系，且鏡片上加工有通透槽。使用該裝置時，通過設置并反復調節兩個端鏡可在凹球面上獲得封閉環狀光斑軌跡，而后通過旋轉轉動環對脈沖的壓縮實現離散調節。本發明的優點在于該壓縮器的損耗低，結構緊湊，無空間色散光路，凹球面反射能夠有效抵消光束的衍射效應帶來的光束展寬，有效克服了現有光柵對技術、棱鏡對技術和基于平面鏡的色散鏡補償技術的缺點，且使用調節方法簡單方便。
文檔編號G02F1/35GK101950115SQ201010268498
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月1日 優先權日2010年9月1日
發明者宋有建, 柴路, 王清月, 胡明列, 謝辰 申請人:天津大學