專利名稱：多層體光柵脈沖激光整形裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖激光光束整形，尤其是一種多層體光柵脈沖激光光束整形裝置及 方法。
背景技術(shù)：
隨著脈沖激光光束產(chǎn)生技術(shù)的發(fā)展，光脈沖整形技術(shù)作為脈沖激光光束產(chǎn)生的補 充手段，為超快光譜學，非線性光學和強場物理提供了前所未有的控制激光脈沖波形的手 段而得到了廣泛的研究。人們已經(jīng)發(fā)展了一系列光波形合成或脈沖整形的技術(shù)方法。在先 技術(shù)[1] (A. M. ffeiner, J. P. Heritage, and Ε. Μ. Kirschner,"High resolution femtosecond pulse shaping,，，J. Opt. Soc. Am. B5,1563-1572，1988)利用時域 Fourier 變換進行，其核心 是利用模板對在空間色散開來的各頻率成分進行平行調(diào)制，最終達到脈沖整形的目的。但 是，所用的模板有利用微細加工制作的振幅掩模板和相位掩模板，不易提供連續(xù)的位相變 化，每個實驗必須制造新的模板。由于體全息光柵易于實現(xiàn)動態(tài)處理，多功能化和易于集成等優(yōu)點，使它在脈沖激 光光束的傳輸整形中得到了應(yīng)用。在先技術(shù)[2](王春花，等，超短脈沖激光光束體全息光 柵整形裝置，發(fā)明專利，申請?zhí)?200610024096. 0)提出了一種基于單個體光柵的超短脈沖 激光整形裝置，通過調(diào)制入射脈沖的偏振狀態(tài)和體光柵特征參量來實現(xiàn)。但是，現(xiàn)有技術(shù)中 使用的寬帶偏振旋轉(zhuǎn)器由于超短脈沖包含的頻譜成分很多而難以制作，而且體光柵對某些 偏振態(tài)的輸入脈沖的衍射效率會很低，限制了該脈沖整形裝置的應(yīng)用。另外，現(xiàn)有技術(shù)中使 用了單個體全息光柵，可選擇調(diào)整的光柵參量少。這些缺點無疑限制了體全息光柵對脈沖 激光整形技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，因此我們需要研制一種衍射效率高，并能進行多自由度光柵參 量調(diào)節(jié)的激光脈沖整形方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多層體光柵脈沖激光整形 裝置及方法，利用多層體光柵對脈沖激光光束的衍射作用，優(yōu)化體光柵的層數(shù)、厚度和光柵 周期等參數(shù)，對脈沖激光光束進行整形，具有可調(diào)節(jié)參量多，整形范圍廣的優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種多層體光柵脈沖激光整形裝置，特點在于其構(gòu)成包括起偏器、多層體光柵、第 一檢偏器和第二檢偏器，所述的起偏器將待整形入射脈沖激光Ltl變?yōu)榫€偏振光束并入射到 所述的多層體光柵，所述的第一檢偏器置于所述的多層體光柵的透射脈沖激光光束L1S 向，所述的第二檢偏器置于所述的多層體光柵的衍射脈沖激光光束L2方向。所述的多層體光柵是在全息記錄介質(zhì)上記錄產(chǎn)生的兩個或兩個以上空間分離的 透射型或反射型體光柵，每兩個體光柵之間有一折射率均勻的填充層，每個體光柵和填充 層的層數(shù)、厚度和光柵周期等參數(shù)的確定要根據(jù)脈沖激光帶寬和波形的需要，先用多層體 光柵脈沖整形方法進行參數(shù)優(yōu)化，然后再制作多層體光柵。
所述的第一檢偏器的通光軸方向相對于所述的起偏器的通光軸方向具有旋轉(zhuǎn)一 定角度θ工的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)透射脈沖激光光束的輸出波形。所述的第二檢偏器的通光軸方向相對于所述的起偏器的通過方向具有旋轉(zhuǎn)一定 角度θ 2的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)衍射脈沖激光光束的輸出波形。一種所述的多層體光柵脈沖激光整形方法，該方法包括下列步驟
①選定待整形的脈沖激光光束的波形，確定其中心波長、脈沖寬度和光譜寬度；②根據(jù)待整形脈沖激光的整形要求，根據(jù)多層體光柵的衍射光束和透射光束的振 幅或光強表達式用計算機編程優(yōu)化選取相應(yīng)光柵參量的多層體光柵，根據(jù)確定的光柵參量 包括體光柵的光柵周期、光柵矢量方向、單層體光柵厚度、填充層厚度和多層體光柵層數(shù)制 備多層體光柵；③根據(jù)入射脈沖激光光束的偏振狀態(tài)，將所述的起偏器置于所述的多層體光柵之 前待整形入射脈沖激光Ltl方向，調(diào)整放置在入射光束方向的起偏器的通光軸方向使得入射 脈沖激光光束為線偏振光，使待整形入射脈沖激光Ltl變?yōu)榫€偏振光束并使之入射到所述的 多層體光柵；④將所述的第一檢偏器置于所述的多層體光柵的透射脈沖激光光束L1方向，所述 的第二檢偏器置于所述的多層體光柵的衍射脈沖激光光束L2方向，調(diào)整透射脈沖激光光束 方向的第一檢偏器和衍射脈沖激光光束方向的第二檢偏器的通光軸方向，得到所需的脈沖 激光光束。本發(fā)明的技術(shù)效果由于本發(fā)明用多層空間分離的體光柵代替了單層體光柵，通過合理選擇表征多層 體光柵的層數(shù)、單層光柵厚度、填充層的厚度和光柵周期等參數(shù)實現(xiàn)對入射脈沖激光的時 空整形。突出優(yōu)點是多層體光柵可選擇的自由度更多，便于脈沖激光濾波整形功能的最優(yōu) 化，有利于整個脈沖激光整形裝置向高速、全光化和集成化光學器件方向發(fā)展。


圖1為本發(fā)明多層體光柵脈沖激光整形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-起偏器，2-多層體光柵，3-第一檢偏器，4-第二檢偏器，Ltl-待整形脈沖 激光，L1-透射脈沖激光，L2-衍射脈沖激光。圖2為輸入脈沖寬度為50fs時，整形后的衍射脈沖激光光束L2的歸一化強度譜 隨著填充層厚度的變化曲線。圖3為輸入脈沖寬度為50fs時，整形后的衍射脈沖激光光束L2的歸一化強度譜 隨著兩個體光柵厚度之比T1Zt2的變化曲線。圖4為輸入脈沖寬度為50fs時，整形后的衍射脈沖激光光束L2的歸一化強度譜 隨著多層體光柵的光柵周期增加的變化曲線。圖5為輸入脈沖寬度為50fs時，整形后的衍射脈沖激光光束L2的歸一化強度譜 隨著多層體光柵層數(shù)增加的變化曲線。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明多層體光柵脈沖激光整形裝置一個具體實施例的基 本結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明多層體光柵脈沖激光整形裝置的構(gòu)成包括起偏器1、多層 體光柵2、第一檢偏器3和第二檢偏器4，所述的起偏器1置于所述的多層體光柵2之前待 整形入射脈沖激光Ltl方向，將待整形入射脈沖激光Ltl變?yōu)榫€偏振光束并使之入射到所述的 多層體光柵2，所述的第一檢偏器3置于所述的多層體光柵2的透射脈沖激光光束L1方向， 所述的第二檢偏器4置于所述的多層體光柵2的衍射脈沖激光光束L2方向。
所述的多層體光柵2為在全息記錄介質(zhì)上記錄產(chǎn)生的兩個或多個空間分離的透 射型或反射型體光柵，每兩個體光柵之間有一折射率均勻的填充層。每個體光柵和填充層 的層數(shù)、厚度和光柵周期等參數(shù)的確定要根據(jù)脈沖激光光束帶寬和波形的需要，先用所述 的多層體光柵脈沖激光整形方法進行參數(shù)優(yōu)化，然后再制作此多層體光柵2。所述的起偏器1置于的作用是使得被整形的輸入脈沖激光光束Ltl為線偏振光束。所述的第一檢偏器3的通光軸方向相對于所述的起偏器1的通光軸方向具有旋轉(zhuǎn) 一定角度θ工的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)透射脈沖激光光束的輸出波形。所述的第二檢偏器4的通光軸方向相對于所述的起偏器1的通過方向具有旋轉(zhuǎn)一 定角度θ 2的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)衍射脈沖激光光束的輸出波形。待整形的脈沖激光光束Ltl經(jīng)過起偏器1，以θ角入射到多層體光柵2上，且在多 層體光柵2中的折射角即為該多層體光柵記錄時的布拉格衍射角，經(jīng)多層體光柵2的衍射 作用后，輸出透射脈沖激光光束L1和衍射脈沖激光光束L2,它們分別經(jīng)過置于多層體光柵2 后沿著透射脈沖激光光束L1和衍射脈沖激光光束L2傳播方向上的第一檢偏器3和第二檢 偏器4，得到所需的整形脈沖激光光束。本發(fā)明的工作原理如下令待整形的脈沖激光光束Ltl振幅分布為Utl(CO),經(jīng)過起偏器1后，以角度θ入射 到多層體光柵2上，在第η層體光柵內(nèi)的電場包含有透射振幅和衍射振幅Rn(Z，ω)和Sn(Z, ω)，滿足關(guān)系式<formula>formula see original document page 5</formula>其中&和1^分別是透過光和衍射光的波矢，I和化分別為其偏振矢量，且與光柵 矢量K滿足布拉格條件1^ = b-K。根據(jù)圖1，假設(shè)第η層體光柵左邊和右邊的透射脈沖和 衍射脈沖光場分別為Rnl，Snl和Rm，Snr,<formula>formula see original document page 5</formula>其中；矩陣mn為多層體光柵2第η層體光柵衍射的特征矩陣。根據(jù)Kogenik耦合 波理論，對于厚度為Tn的第η層體光柵，<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>對于經(jīng)過第η層體光柵衍射后的衍射脈沖激光和透射脈沖激光通過第η填充層前 后的光場分布之間的關(guān)系可表示為，P叫=帖舊(3>
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其中[AJ= 0 exp(_y^}是第η填充層的特征矩陣，dn為兩個體光柵之間填
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充層厚度。根據(jù)矩陣光學理論，對于振幅為Utl(CO)的初始入射待整形激光脈沖，經(jīng)N個體光 柵介質(zhì)和N-I個填充層的多次衍射和傳播后，所得到的透射脈沖激光和衍射脈沖激光光束 的光場可表示為，<formula>formula see original document page 6</formula>其中包含N個體光柵和N-I個填充層的多層體光柵2的總厚度為
<formula>formula see original document page 6</formula>，總特征矩陣為[Mc] = mA-Λ-!-DnIIin-D1IIi10 =1 =1因此，已知待整形脈沖激光光束的振幅分布Utl ( ω )和多個體光柵及其填充層的總 特征矩陣Mc,即可得到透射脈沖激光L1和衍射脈沖激光L2的光場分布。下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明在本實施例中以包含2個體光柵層1個填充層的多層體光柵2、5個體光柵層4個 填充層的多層體光柵2和11個體光柵層10個填充層的多層體光柵2為例進行詳細說明。假設(shè)兩個體光柵層和1個填充層的多層體光柵2中兩個體光柵的厚度分別為T1和
T2,填充層厚度為Cl1,起偏器1與第一檢偏器3和第二檢偏器4的通光軸方向相互平行。假
設(shè)待整形的入射脈沖激光為高斯型脈沖，其時間域的振幅分布為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中t表示時間，ω。= 〗!^/^。為中心頻率和中心波長，T = Ar//21n2，Δ τ為
脈沖寬度。其頻譜域的振幅分布可由對(5)式做傅立葉變換得到-ELexp[- ‘2 (出—鄉(xiāng))2](6) 0V ’ V21n2 FL 21n2 4該脈沖激光的光譜寬度為Δ々=0.441^/cAr ,選取中心波長λ Q = 1. 06 μ m，Δ τ = 50fs，則可得 Δ λ。= 33nm。當入射脈沖寬度Δ τ = 50fs,兩個體光柵的厚度T1 = 0. 5mm和T2 = 0. 5mm,填 充層厚度為Cl1分別為0，0. 3mm,0. 6mm,0. 9mm時，衍射脈沖激光的歸一化強度分布如圖2所 示。從圖中可以看出，當中間填充層厚度增加時，衍射脈沖激光強度譜的半高全寬即衍射帶 寬逐漸變小，分別為23. 85nm, 18. 9nm, 15. 25nm, 12. 6nm,同時衍射脈沖旁瓣能量增加，因此衍射脈沖激光光束的振幅形狀和衍射帶寬都發(fā)生了相應(yīng)的變化。當入射脈沖寬度Δ τ = 50fs，填充厚度(I1固定為0. 5mm，兩個體光柵的厚度發(fā)生 變化，選取 T1A12 = 0. lmm/0. 9mm, 0. 2mm/0. 8mm, 0. 3mm/0. 7mm, 0. 5mm/0. 5mm 時,衍射脈沖激 光的歸一化強度分布如圖3所示。從圖中可以看出，在填充層厚度一定，衍射脈沖激光的衍 射帶寬隨著兩層體光柵厚度之差I(lǐng) T1-T21的增大而增大，分別從16. 35nm, 17. 3nm, 18. 6nm增 加到20. 8nm，而且脈沖形狀也發(fā)生相應(yīng)變化。當入射脈沖寬度Δ τ = 50fs，兩個體光柵厚度T1 = T2 = 0. 5mm, 填充層厚度(I1 = 0. Imm,體光柵的光柵周期分別取Λ = 1 μ m，3 μ m，5 μ m時，衍射脈沖激光的歸一化強度分 布如圖4所示。從圖中可以看出，體光柵的光柵周期越小，衍射脈沖激光的衍射帶寬越小， 脈沖形狀變化越劇烈。當入射脈沖寬度Δ τ = 50fs，每個體光柵厚度！； = 0.5mm，填充層厚度dn = 0. 1mm，體光柵的層數(shù)分布為2層、5層和11層時，衍射脈沖激光的歸一化強度如圖5所示。 從圖中可以看出，其他體光柵特征參量一定，而體光柵的層數(shù)增加時，衍射脈沖激光的帶寬 變窄和脈沖形狀也發(fā)生劇烈變化，出現(xiàn)多個邊緣脈沖。由圖2 圖5可以看出，通過本發(fā)明裝置及方法，入射的高斯型脈沖激光Ltl被整 形為不同波形及不同帶寬的脈沖激光光束。我們可以根據(jù)實際需要的脈沖激光光束在頻譜 域或時間域上強度分布及波形的不同，通過調(diào)整填充層厚度、單個體光柵的厚度、體光柵的 光柵周期以及多層體光柵2的層數(shù)等參數(shù)，可以獲得所需的脈沖激光光束。對于其他非高斯型的脈沖，也可采用上述類似的方法對其進行整形。
權(quán)利要求
一種多層體光柵脈沖激光整形裝置，特征在于其構(gòu)成包括起偏器(1)、多層體光柵(2)、第一檢偏器(3)和第二檢偏器(4)，所述的起偏器(1)置于所述的多層體光柵(2)之前待整形入射脈沖激光L0方向，將待整形入射脈沖激光L0變?yōu)榫€偏振光束并使之入射到所述的多層體光柵(2)，所述的第一檢偏器(3)置于所述的多層體光柵(2)的透射脈沖激光光束L1方向，所述的第二檢偏器(4)置于所述的多層體光柵(2)的衍射脈沖激光光束L2方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層體光柵脈沖激光整形裝置及方法，其特征在于所述的多 層體光柵(2)是在全息記錄介質(zhì)上記錄產(chǎn)生的兩個或多個空間分離的透射型或反射型體 光柵，每兩個體光柵之間有一折射率均勻的填充層，每個體光柵和填充層的層數(shù)、厚度和光 柵周期等參數(shù)的確定要根據(jù)脈沖激光帶寬和波形的需要，先用多層體光柵脈沖整形方法進 行參數(shù)優(yōu)化，然后再制作多層體光柵(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層體光柵脈沖激光整形裝置及方法，其特征在于所述的第 一檢偏器(3)的通光軸方向相對于所述的起偏器(1)的通光軸方向具有旋轉(zhuǎn)一定角度 的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)透射脈沖激光光束的輸出波形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層體光柵脈沖激光整形裝置及方法，其特征在于所述的第 二檢偏器(4)的通光軸方向相對于所述的起偏器(1)的通過方向具有旋轉(zhuǎn)一定角度92的 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)衍射脈沖激光光束的輸出波形。
5.一種所述的多層體光柵脈沖激光整形方法，特征在于該方法包括下列步驟①選定待整形的脈沖激光光束的波形，確定其中心波長、脈沖寬度和光譜寬度；②根據(jù)待整形脈沖激光的整形要求，根據(jù)多層體光柵的衍射光束和透射光束的振幅或 光強表達式用計算機編程優(yōu)化選取相應(yīng)光柵參量的多層體光柵，根據(jù)確定的光柵參量包括 體光柵的光柵周期、光柵矢量方向、單層體光柵厚度、填充層厚度和多層體光柵層數(shù)制備多 層體光柵⑵；③根據(jù)入射脈沖激光光束的偏振狀態(tài)，將所述的起偏器(1)置于所述的多層體光柵 (2)之前待整形入射脈沖激光k方向，調(diào)整放置在入射光束方向的起偏器(1)的通光軸方 向使得入射脈沖激光光束為線偏振光，使待整形入射脈沖激光k變?yōu)榫€偏振光束并使之入 射到所述的多層體光柵(2)；④將所述的第一檢偏器(3)置于所述的多層體光柵(2)的透射脈沖激光光束k方向， 所述的第二檢偏器(4)置于所述的多層體光柵(2)的衍射脈沖激光光束“方向，調(diào)整透射 脈沖激光光束方向的第一檢偏器(3)和衍射脈沖激光光束方向的第二檢偏器(4)的通光軸 方向，得到所需的脈沖激光光束。
全文摘要
一種多層體光柵脈沖激光整形裝置及方法，該裝置包括一個記錄在全息材料內(nèi)空間分離的多層體光柵，在待整形的脈沖激光光束入射方向放置的起偏器，在透射脈沖激光光束方向和衍射脈沖激光光束方向分別放置的檢偏器。利用多層體光柵對待整形脈沖激光光束的衍射作用，適當調(diào)節(jié)多層體光柵的層數(shù)、厚度和光柵周期等特征參數(shù)控制脈沖激光光束的帶寬和波形。與在先技術(shù)相比，本發(fā)明對于輸入脈沖激光光束的整形范圍更廣，可選擇的多層體光柵特征參量多，便于脈沖濾波整形功能的最優(yōu)化。
文檔編號G02B27/44GK101833173SQ20101014294
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者劉立人, 周煜, 孫建鋒, 欒竹, 職亞楠, 閆愛民 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所