CN1908737A - 采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于展宽器的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，是在展宽器中，激光经光栅的第二次衍射光束垂直入射到平面全反镜的光路中，插入一反射式变栅距光栅来实现光谱的整形的。本发明方法的优点是：①改变已往的透射式元件，采用反射式元件不会引入法布里－珀罗效应；②利用了光谱在空间展开的特点，通过空间整形可实现谱宽为几个纳米的窄带激光光谱整形；③光强受到调制而相位保持不变，因此不会引入破坏激光光束质量的相位畸变。

Description

采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法

技术领域

本发明涉及激光光谱，特别是一种采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，特别是啁啾脉冲放大系统中种子啁啾脉冲的光谱整形。

背景技术

啁啾脉冲放大技术和再生放大技术广泛地应用于高功率超短脉冲激光系统中，由于种子脉冲具有一定的光谱宽度，在放大过程中固体激光放大介质的增益窄化效应使得激光脉冲不能充分利用放大介质的增益带宽，从而不能有效地从放大介质中提取能量；此外，啁啾脉冲光谱变窄最终导致光栅压缩后的超短脉冲宽度增加，从而影响了脉冲功率的提高。因此，我们需要利用光谱调制器件将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大器的增益不均匀性。这种光谱调制器在调制带宽内对中心频谱的衰减大于对侧翼频谱的衰减而使得光谱顶端变平甚至在光谱中心产生凹陷。

目前，常用于光谱整形的手段有：

(1)朱鹏飞等人在《中国激光》2003，30(12)：1075～1078上发表的“超短脉冲的光谱整形”一文中介绍了利用窄带干涉滤光片实现超短脉冲的光谱整形。整形原理是：根据待整形激光光谱宽度和透射率曲线的具体要求，在玻璃基片上镀多层介质膜制作出窄带干涉滤光片.限于目前的镀膜工艺水平，滤波带宽设计在十几纳米时无法有效地控制透射率曲线的带宽和中心凹陷程度，因此该整形技术无法实现窄带(几个纳米级)激光的光谱整形。此外透射式光学元件容易引起法布里-珀罗效应而破坏光束的质量。

(2)冷雨欣等人在《光学学报》2002，22(2)：170～174上发表的“掺钛蓝宝石再生放大器的光谱整形》一文中介绍了利用双折射晶体片进行超短脉冲的光谱整形。整形原理是：激光射入双折射晶体中会分成寻常光和非寻常光并产生干涉，从而使不同频率成分的透射率不同。调节激光入射晶体的角度，可使晶体的透射率曲线是中心凹陷的，从而实现光谱的整形。这一整形技术也存在一些缺陷：①透射式元件容易引起法布里-珀罗效应而破坏光束的质量；②双折射晶体的厚度取决于待整形激光脉冲的光谱宽度，激光脉冲的光谱宽度越窄，要求双折射晶体越厚，才能使双折射晶体的透过率曲线的宽度与激光脉冲的光谱宽度匹配。例如对谱宽13纳米的超短脉冲整形要求双折射晶体的厚度为25毫米，而双折射晶体的尺寸很难做大。

发明内容

本发明是针对上述已有光谱整形技术的不足，提出一种适用于展宽器的反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，以解决法布里-珀罗效应，实现谱宽为几个纳米的窄带激光光谱整形；而且光强受到调制而相位保持不变，克服激光光束的相位畸变问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于展宽器的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，其特征是在展宽器中，激光经光栅的第二次衍射光束垂直入射到平面全反镜的光路中，插入一反射式变栅距光栅来实现光谱的整形。

该方法的具体步骤如下：

①由所述的展宽器的未整形激光光谱分布函数和目标光谱分布函数计算出光谱调制深度函数；

②综合考虑并设定所述的展宽器的第二次衍射光束进入反射式变栅距光栅的入射角度Φ、光栅的材料、槽型和槽深，利用光栅衍射严格耦合波理论计算出在所述的展宽器的工作波段内的0级衍射效率的平方R²(x)随光栅周期T(x)变化曲线图，但计算所得的该波段内0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线必须满足第一步里确定的最大和最小的调制深度；

③利用光栅公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式计算出光束经光栅两次衍射后垂直入射到平面全反镜的空间尺寸L，确定所述的反射式变栅距光栅的尺寸L/sinΦ；

④确定反射式变栅距光栅中心位置的光栅周期T(0)：利用光栅公式和光的反射公式计算出中心波长为λ₀的光入射在所述的反射式变栅距光栅上的位置并确定为x＝0，在第①步里的光谱调制深度函数上读出中心波长为λ₀的调制深度R²(0)，再对照第②步里的0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线找出该调制深度对应的光栅周期，从而确定为所述的反射式变栅距光栅该位置的光栅周期T(0)；

⑤确定反射式变栅距光栅两边缘位置的光栅周期：根据由第①步所确定的光谱调制深度函数的要求的所述的反射式变栅距光栅两边缘x1和x2的0级衍射效率R(x1)和R(x2)，相应的调制深度为R²(x1)和R²(x2)，再对照第二步里的0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线找出该调制深度对应的光栅周期，从而确定反射式变栅距光栅位置x1和x2的光栅周期T(x1)和T(x2)；

⑥制备所述的反射式变栅距光栅：根据变栅距光栅的光栅周期T(x1)-T(0)-T(x2)制备所述的反射式变栅距光栅；

⑦安装：将第⑥步制成的反射式变栅距光栅按入射角Φ插入经光栅第二次衍射光的光路中，然后调整所述的平面全反镜使该平面全反镜的反射光经反射式变栅距光栅衍射后沿原路返回到原光路中。

所述的T(x1)＝T(x2)。

本发明可以很好的解决已往激光脉冲光谱整形技术中存在的若干问题：

①改变已往的透射式元件，采用反射式元件不会引入法布里-珀罗效应；

②利用了光谱在空间展开的特点，通过空间整形可实现谱宽为几个纳米的窄带激光光谱整形；③光强受到调制而相位保持不变，因此不会引入破坏激光光束质量的相位畸变。

本发明中，变栅距光栅的0级衍射光垂直入射到平面全反镜上从而反射回原光路中，取用0级衍射光的理由是：①设入射光表示为 $E(x,z)E_y{e}^{t\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x\sin \mathrm{\θ}+z\cos \mathrm{\θ})}$ 时0级衍射光可表示为 $E_0(x,z)=E_{y,0}{e}^{t\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x\sin \mathrm{\θ}+z\cos \mathrm{\θ})},$ 可见0级光的幅度E_y，0得到了调制而相位因子 $\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x\sin \mathrm{\θ}+z\cos \mathrm{\θ})$ 保持不变，即没有引入相位调制从而避免了相位畸变问题；②根据光栅公式d(sinθ+sinθ′)＝mλ，0级衍射光的衍射方向为光栅的镜面反射方向(θ′＝-θ)，与波长无关，便于将其反射回原光路中；而其它级次的衍射方向与波长有关，因而无法将各频谱衍射光反射回原光路中。

由于TM入射情况下光栅的吸收较TE模大，而且TM模对光栅制作工艺上引起的误差比较敏感，TE模入射情况下理论计算值与实验值更加吻合，因此选用电场矢量方向垂直于入射面的TE模入射。

本发明利用了啁啾脉冲放大系统展宽器中特定部位(见附图1)光谱具有空间分布的特性，种子光经展宽器中的光栅4的两次衍射后，带宽仅为几个纳米的光束可以在平面全反镜2处按波长空间展开，因此我们可以利用具有一定光强空间调制曲线的调制器置于平面全反镜2的位置来实现光谱的整形。与已有技术相比，该发明解决了窄带(几个纳米)激光的光谱整形。

附图说明

图1为现有的单光栅双通脉冲展宽器结构图；间断线和点线分别表示两不同波长的光路，可见种子光经光栅4两次衍射后在平面全反镜2处光谱具有空间分布的特点。

图1中：1、2、平面全反镜；3、柱面镜；4、光栅；5、偏振片；6、1/4波片。

图2为本发明反射式变栅距光栅在展宽器中的安装位置示意图。

图2中：1、2、平面全反镜；3、柱面镜；4、光栅；5、偏振片；6、1/4波片；7、反射式变栅距光栅。

图3为利用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的原理图。具有光谱空间分布的激光经具有空间光强整形能力的反射式变栅距光栅7衍射后，其光谱得到了调制；然后0级衍射光垂直入射到平面全反镜2从而原路反射回原光路中。

图3中：2、平面全反镜，0级衍射光垂直入射于该平面全反镜；7、反射式变栅距光栅。

图4为实例中未经光谱整形的激光光谱曲线。

图5为实例中经光谱整形后的激光光谱曲线。

图6为实例的光谱调制函数曲线。

图7为实例中0级衍射效率的平方与刻线周期的关系，其中入射角度为40°、TE膜入射；渡金膜；矩形刻槽、占宽比0.5、槽深842nm；

图8为实例中的变栅距光栅的周期分布情况；图中原点取在光栅中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以便于对本发明及其优点的理解。但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1为现有的单光栅双通脉冲展宽器结构图；间断线和点线分别表示两不同波长的光路，可见种子光经光栅4两次衍射后在平面全反镜2处光谱具有空间分布的特点。图1中：1、2、平面全反镜；3、柱面镜；4、光栅；5、偏振片；6、1/4波片。

图2为本发明适用于展宽器的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法的反射式变栅距光栅在展宽器中的安装位置示意图。由图可见，本发明适用于展宽器的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，是在展宽器图1所述的展宽器中，激光经光栅4的第二次衍射光束垂直入射到平面全反镜2的光路中，插入一反射式变栅距光栅7来实现光谱的整形的。

该方法的具体实施步骤如下：

①由所述的展宽器的未整形激光光谱分布函数和目标光谱分布函数计算出光谱调制深度函数；

②综合考虑并设定所述的展宽器的第二次衍射光束进入所述的反射式变栅距光栅7的入射角度Φ、光栅的材料、槽型和槽深，利用光栅衍射严格耦合波理论计算出在所述的展宽器的工作波段内的0级衍射效率的平方R²(x)随光栅周期T(x)变化曲线图，但计算所得的该波段内0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线必须满足第一步里确定的最大和最小的调制深度；

③利用光栅公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式计算出光束经光栅4两次衍射后垂直入射到平面全反镜2的空间尺寸L，确定所述的反射式变栅距光栅7的尺寸L/sinΦ；

④利用光栅公式和光的反射公式计算出中心波长为λ₀的光入射在所述的反射式变栅距光栅7上的位置并确定为x＝0，在第①步里的光谱调制深度函数上读出中心波长为λ₀的调制深度R²(0)，再对照第②步里的0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线找出该调制深度对应的光栅周期，从而确定为所述的反射式变栅距光栅7该位置的光栅周期T(0)；

⑤根据由第①步所确定的光谱调制深度函数的要求的所述的反射式变栅距光栅7两边缘x1和x2的0级衍射效率R(x1)和R(x2)，相应的调制深度为R²(x1)和R²(x2)，再对照第二步里的0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线找出该调制深度对应的光栅周期，从而确定反射式变栅距光栅7位置x1和x2的光栅周期T(x1)和T(x2)；

⑥根据变栅距光栅7的光栅周期T(x1)-T(0)-T(x2)制备所述的反射式变栅距光栅7；

⑦将制成的反射式变栅距光栅7按入射角Φ插入经光栅4第二次衍射光的光路中，然后调整所述的平面全反镜2使该平面全反镜2的反射光经反射式变栅距光栅7衍射后沿原路返回到原光路中。

所述的T(x1)＝T(x2)。

啁啾脉冲放大系统展宽器中，入射到反射式变栅距光栅7的激光束为TE模入射的线偏振光，中心波长为1053nm，谱宽为6nm，光束按波长入射在反射式变栅距光栅7上的相应位置，中心波长调制深度要求为0.3。

变栅距光栅参数的确定步骤：

第一步：由未整形激光光谱分布函数(图4所示)和目标光谱分布函数(图5所示)计算出光谱调制深度函数(图6所示)。

第二步：利用光栅衍射严格耦合波理论计算出在该波段内0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线图，如图7所示。本实施例采用的参数为：入射角度为40°、TE膜入射；镀金膜；矩形刻槽、占宽比0.5、槽深842nm。

第三步：利用光栅公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式计算出光束经两次衍射后垂直入射到平面全反镜2的空间尺寸为4.5厘米，确定变栅距光栅的尺寸为4.5/cos(40°)＝5.874厘米。

第四步：通过图7来找出波长λ的调制深度所对应的周期值来确定波长λ在反射式变栅距光栅入射位置的光栅周期；比如中心波长为λ₀的调制深度0.3对应的0级衍射效率为 $\sqrt{0.3}\≈0.5477,$ 衍射效率0.5477对应的周期T(0)为930线/毫米，见图7，由于中心波长的光入射在变栅距光栅的中心位置x＝0，因此变栅距光栅的中心处光栅周期为930线/毫米；

第五步：确定反射式变栅距光栅边缘的光栅周期：光谱整形要求侧翼有较高的效率，周期为863线/毫米时取得最大衍射效率0.9184，调制深度为0.9184²＝0.8435，因此侧翼刻线周期取为863线/毫米；即T(x1)＝T(x2)＝863线/毫米，周期取在863～930线/毫米如图8所示，可实现0.3～0.8435的调制深度。

第六步：制备反射式变栅距光栅7；

第七步：安装：将制成的反射式变栅距光栅7按入射角Φ插入经光栅4第二次衍射光的光路中，将反射式变栅距光栅7、平面全反镜2按附图2的位置安装，激光入射角度为40°，中心波长入射在变栅距光栅7的中心；然后利用平面全反镜2将0级衍射光原路反射回所述的反射式变栅距光栅上，光束再一次经反射式变栅距光栅的衍射后，其中已获得光谱整形的0级衍射光可以返回到展宽器原光路中，从而实现了啁啾脉冲的光谱整形。

经试用表明，整形效果可对比图4、图5，可见在以上参数下实现了从0.3到0.8435的调制深度，获得了理想的光谱调制效果。

本发明利用反射式变栅距光栅的空间整形能力来实现激光光谱的整形，实现了谱宽为6纳米的窄带激光从0.3到0.8435的调制深度，从而补偿了激光放大过程中的增益窄化效应，有效地提取了放大介质中的能量，获得了更窄的输出脉冲，从而可以获得更高的激光输出功率。

本发明采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，可以很好的解决已往激光脉冲光谱整形技术中存在的若干问题：

①改变已往的透射式元件，采用反射式元件不会引入法布里-珀罗效应；

②利用展宽器中特定部位光谱在空间展开的特点，参看附图1，将平面全反镜2换为附图2所示的反射式变栅距光栅光谱整形器件，见附图3，可实现谱宽为几个纳米的窄带激光光谱整形；

③光强受到调制而相位保持不变，因此不会引入破坏激光光束质量的相位畸变。

Claims (3)

1、一种适用于展宽器的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，其特征是在展宽器中，激光经光栅(4)的第二次衍射光束垂直入射到平面全反镜(2)的光路中，插入一反射式变栅距光栅(7)来实现光谱的整形。

2、根据权利要求1所述的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

①由所述的展宽器的未整形激光光谱分布函数和目标光谱分布函数计算出光谱调制深度函数；

②综合考虑并设定所述的展宽器的第二次衍射光束进入反射式变栅距光栅(7)的入射角度Φ、光栅的材料、槽型和槽深，利用光栅衍射严格耦合波理论计算出在所述的展宽器的工作波段内的0级衍射效率的平方R²(x)随光栅周期T(x)变化曲线图，但计算所得的该波段内0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线必须满足第一步里确定的最大和最小的调制深度；

③利用光栅公式d(sinθ+sinθ′)＝λ和光的反射公式计算出光束经光栅(4)两次衍射后垂直入射到平面全反镜(2)的空间尺寸L，确定所述的反射式变栅距光栅(7)的尺寸L/sinΦ；

④确定反射式变栅距光栅(7)中心位置的光栅周期T(0)：利用光栅公式和光的反射公式计算出中心波长为λ₀的光入射在所述的反射式变栅距光栅(7)上的位置并确定为x＝0，在第①步里的光谱调制深度函数上读出中心波长为λ₀的调制深度R²(0)，再对照第②步里的0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线找出该调制深度对应的光栅周期，从而确定为所述的反射式变栅距光栅(7)该位置的光栅周期T(0)；

⑤确定反射式变栅距光栅(7)两边缘位置的光栅周期：根据由第①步所确定的光谱调制深度函数的要求的所述的反射式变栅距光栅(7)两边缘x1和x2的0级衍射效率R(x1)和R(x2)，相应的调制深度为R²(x1)和R²(x2)，再对照第二步里的0级衍射效率的平方随光栅周期变化曲线找出该调制深度对应的光栅周期，从而确定反射式变栅距光栅(7)位置x1和x2的光栅周期T(x1)和T(x2)；

⑥制备所述的反射式变栅距光栅(7)：根据变栅距光栅(7)的光栅周期T(x1)-T(0)-T(x2)制备所述的反射式变栅距光栅(7)；

⑦安装：将第⑥步制成的反射式变栅距光栅(7)按入射角Φ插入经光栅(4)第二次衍射光的光路中，然后调整所述的平面全反镜(2)使该平面全反镜(2)的反射光经反射式变栅距光栅(7)衍射后沿原路返回到原光路中。

3、根据权利要求2所述的采用反射式变栅距光栅实现激光光谱整形的方法，其特征在于所述的T(x1)＝T(x2)。

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