專利名稱：利用反射式達曼光柵的超短脈沖測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超短激光脈沖，特別是一種利用反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置。
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展，由于飛秒激光脈沖具有時域超短特性，能夠對物理、化學、生物、醫學等領域進行超快現象的研究。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象研究的有力工具。
飛秒激光脈沖作用下的各種現象的研究是通過飛秒脈沖測量技術實現的，通過對飛秒光的時域、頻域以及傳輸等特性的測量獲得飛秒動態系統響應的物理本質。同時，測量技術的發展對飛秒激光技術本身的發展也有巨大的推動作用，對產生更短持續時間的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，簡稱為FROG)[參見在先技術1“Frequency-Resolved optical GatingThe Measurement of Ultrashort LaserPulses”Rick Trebino，2002 Kluwer Academic Publishers]和光譜位相相干電場重構法(spectral phase interferometry for direct electric-fieldreconstruction，SPIDER)[參見在先技術2“Spectral phaseinterferometryfor direct electric-field reconstructionof ultrashort opticalpulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue 10 1998]，是目前采用較多的兩種方法。
現有的頻率分辨光學開關法測量裝置的基本結構如圖1所示，圖1中2表示的是分束延遲器。飛秒脈沖光1被分束鏡21分成兩光束開關脈沖光束和探測脈沖光束，開關脈沖光束經過直角反射鏡22沿著反方向反射。其中直角反射鏡22被固定在計算機控制的微動臺23上。探測脈沖光束被直角反射鏡24和反射鏡25反射并與開關脈沖光束平行。然后兩束脈沖光束被透鏡4聚焦到非線性晶體5上，產生頻率轉換，信號光通過遮光板6被光譜儀7接收測量，通過微動臺23改變兩束光的時延差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。然而目前大部分超短脈沖測量裝置中的分束器采用的都是半透半反鏡，飛秒激光脈沖是非常短的脈沖，具有很寬的頻譜，因此必然對透射的超短脈沖產生展寬影響，造成測量結果不準確；由圖1還可以看出，該測量裝置中還采用了較多的反射鏡，這不僅增加了調節難度，而且也增加了成本。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題在于克服上述現有技術的缺點，提供一種利用反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，該發明應盡量減少由于透射過程而產生的超短脈沖展寬影響，進一步簡化結構，降低調節難度和降低儀器成本。
本實用新型的技術解決方案如下一種利用反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時器、會聚鏡、非線性晶體、光闌和光譜儀，其特征在于所述的分束延時器是由第一1×2反射式達曼光柵、第二1×2反射式達曼光柵、第三1×2反射式達曼光柵、計算機控制的微動臺、第一擋板和第二擋板立體配置而構成的反射式達曼光柵分束延時器，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，所述的會聚鏡是一反射式會聚鏡，其位置關系是當一束飛秒脈沖光在豎直平面內并以一個小角度α入射到第一反射式1×2達曼光柵(31)，在水平面內被分成-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級光束平行地出射，經反射式會聚鏡反射會聚于非線性晶體，通過光闌被光譜儀接收測量。
所述的反射式1×2達曼光柵的結構相同，周期為d，深度為λc/4，其中λc為所述的超短脈沖激光的中心波長。
所述的小角度α≤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達曼光柵之間的距離L應保證由第一反射式1×2達曼光柵產生的+1級光和-1級光能夠在空間上分離。
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.261995]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的拐點的位置以及位相值實現對入射光束的控制，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)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％。
本實用新型的技術效果由于本實用新型利用反射式達曼光柵制作分束延時器和凹面反射鏡聚焦的無透射器件的超短脈沖測量裝置，即采用的是全反射式結構，有效地避免了飛秒超短脈沖激光由于傳輸過程中穿透介質而產生的脈沖展寬的問題，可消除基底介質對飛秒脈沖的展寬。達曼光柵的反射膜層采用高反射率、寬光譜的金屬膜層，容易加工。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、成本低的優點。另外該裝置的核心只有三塊達曼光柵，很容易實現脈沖的等光程，具有結構緊湊，光路調節方便的優點。
圖1是現有的標準的超短脈沖FROG測量裝置。
圖2是本實用新型利用反射式達曼光柵的超短脈沖測量裝置俯視圖。
圖3是本實用新型利用反射式達曼光柵超短脈沖測量裝置中分束延遲器的側視圖。
圖4是本實用新型根據實驗結果和在先技術1重構出來的超短激光脈沖時域的振幅和位相對比圖。
圖中1-飛秒激光脈沖光束；2-分束延遲器；21-分束鏡；22-直角錐反射鏡；23-計算機控制的微動臺；24-直角錐反射鏡；25-反射鏡；3-達曼光柵分束延遲器；31-第一1×2反射式達曼光柵；32-第二1×2反射式達曼光柵、33-第三1×2反射式達曼光柵；34-計算機控制的微動臺；35-第一遮光板、36-第二遮光板；4-會聚鏡；5-非線性晶體；6-光闌；7-光譜儀。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。
先請參閱圖2和圖3，由圖可見，本實用新型利用反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時器、會聚鏡4、非線性晶體5、光闌6和光譜儀7，其特征在于所述的分束延時器3是由第一1×2反射式達曼光柵31、第二1×2反射式達曼光柵32、第三1×2反射式達曼光柵33、計算機控制的微動臺34、第一擋板35和第二擋板36立體配置而構成的反射式達曼光柵分束延時器，所述的第二1×2反射式達曼光柵32置于計算機控制的微動臺34上，所述的會聚鏡4是一反射式會聚鏡，其位置關系是當一飛秒激光脈沖光束1在豎直平面內并以一個小角度入射到第一反射式1×2達曼光柵31上，在水平面內被分成-1級P光束和+1級G光束，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32和第三反射式1×2達曼光柵33所衍射，又分別產生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32衍射的P+1級光束被第一擋板35遮住，第三反射式1×2達曼光柵33所衍射的G-1級光被第二擋板36遮住，而第二反射式1×2達曼光柵32衍射的P-1級光束和第三反射式1×2達曼光柵33所衍射的G光+1級光束平行地出射，經所述的反射式會聚鏡4會聚于非線性晶體5，通過光闌6被光譜儀7接收測量。
所述的反射式1×2達曼光柵的結構相同，周期為d，深度為λc/4，其中λc為所述的超短脈沖激光的中心波長。
所述的小角度α≤2°。
所述的第二反射式1×2達曼光柵32和第三反射式1×2達曼光柵33與第一反射式1×2達曼光柵31的距離L應保證由第一反射式1×2達曼光柵31產生的+1級光和-1級光能夠在空間上分離。
一束中心波長為λc，寬度為τ0的飛秒脈沖光1在豎直平面內沿著以一個小角度α(α小于2度)入射到周期為d(d＞＞λc)，深度為λc/4的反射式1×2達曼光柵31上，在水平面內被分成-1級P和+1級G兩束光，這兩束光分別被放置在后面L(應保證+1級光和-1級光能夠在空間上分離)處并且在同一平面的同周期的反射式1×2達曼光柵32，33所衍射，分別產生兩束光，其中光柵32被置于計算機控制的微動臺34上，微動臺可以調節光柵32的位置，從而可以改變兩個脈沖的光程差。利用擋板35和36分別將光束P的+1級光，G的-1級光遮住，根據光柵方程可知光束P的-1級光和G的+1光是平行的。另外根據[在先技術4 GuoweiLi，Changhe Zhou，and Enwen Dai，“Splitting of femtosecond laser pulses byusing a Dammann grating and compensation gratings”，J.Opt.Soc.Am.A，22(2005)]可以得出脈沖光經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。
兩束光被凹面鏡4聚焦在非線性晶體5中產生信號光，信號光通過遮光板6被光譜儀7接收產生頻率分辨，利用微動臺改變時延差實現光學開關，即可得到FROG圖譜。
綜上所述，本實用新型用三塊反射達曼光柵實現了全反射式的超短脈沖光測量，從而消除了傳統的透/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、成本低的優點利用該裝置我們成功的測量了中心波長800nm，脈沖寬度11.7個飛秒的超短脈沖，其中反射式達曼光柵的周期d＝100μm，刻蝕深度為0.2μm，表面鍍金。凹面鏡的焦距為300mm。非線性晶體采用的是30微米厚的BBO晶體，α＝1.5°。通過計算機控制的微動臺34變光程并用光譜儀7量和頻光得到FROG圖譜。圖4是根據實驗結果和在先技術1重構出來的超短激光脈沖時域的振幅和位相，結果如下表所示。
可以看出重構誤差很小，證明了該裝置的實用有效性。
權利要求1.一種利用反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時器、會聚鏡(4)、非線性晶體(5)、光闌(6)和光譜儀(7)，其特征在于所述的分束延時器(3)是由第一1×2反射式達曼光柵(31)、第二1×2反射式達曼光柵(32)、第三1×2反射式達曼光柵(33)、計算機控制的微動臺(34)、第一擋板(35)和第二擋板(36)立體配置而構成的反射式達曼光柵分束延時器，所述的第二1×2反射式達曼光柵(32)置于計算機控制的微動臺(34)上，所述的會聚鏡(4)是一反射式會聚鏡，其位置關系是當一飛秒激光脈沖光束(1)在豎直平面內并以一個小角度α入射到第一反射式1×2達曼光柵(31)上，在水平面內被分成-1級P光束和+1級G光束，該兩光束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(32)和第三反射式1×2達曼光柵(33)所衍射，又分別產生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(32)衍射的P+1級光束被第一擋板(35)遮住，第三反射式1×2達曼光柵(33)所衍射的G-1級光被第二擋板(36)遮住，而第二反射式1×2達曼光柵(32)衍射的P-1級光束與第三反射式1×2達曼光柵(33)所衍射的G光+1級光束平行地出射，經所述的反射式會聚鏡(4)會聚于非線性晶體(5)，通過光闌(6)被光譜儀(7)接收測量。
2.根據權利要求1所述的反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，其特征在于所述的反射式1×2達曼光柵的結構相同，周期為d，深度為λc/4，其中λc為所述的超短脈沖激光(1)的中心波長。
3.根據權利要求1所述的反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，其特征在于所述的小角度α≤2°。
4.根據權利要求1所述的反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，其特征在于所述的第二反射式1×2達曼光柵(32)和第三反射式1×2達曼光柵(33)與第一反射式1×2達曼光柵(31)之間的距離L應保證由第一反射式1×2達曼光柵(31)產生的+1級光束和-1級光束能夠在空間上分離。
專利摘要一種利用反射式達曼光柵的超短激光脈沖測量裝置，包括分束延時器、會聚鏡、非線性晶體、光闌和光譜儀，其特征在于所述的分束延時器是由三快1×2反射式達曼光柵和兩塊擋光板立體配置而構成的反射式達曼光柵分束延時器，所述的會聚鏡是一反射式會聚鏡。本實用新型是一種全反射式超短激光脈沖測量裝置，解決了超短激光脈沖測量過程由于光束透過介質而產生的超短脈沖展寬的問題，具有結構簡化、調節方便和儀器成本低的特點。
文檔編號G01J11/00GK2861993SQ20052004681
公開日2007年1月24日 申請日期2005年11月23日 優先權日2005年11月23日
發明者周常河, 戴恩文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所