一种飞秒双脉冲的光栅装置，其特征是由三个中低密度反射式光栅构成，一飞秒激光光束垂直入射至第一光栅产生衍射，第二光栅和第三光栅分别置于第一光栅的正级衍射光和负级衍射光的光路上，所述的第二光栅和第三光栅的光栅密度为第一光栅的光栅密度与衍射级次乘积的二倍。本发明专利技术装置可以用于构造双脉冲，和以往的装置比较，具有结构简单、全反射式结构、无材料色散、体积小、重量轻等特点，输出光消除角色散，无空间光谱走离。
【技术实现步骤摘要】
本专利涉及光栅对分束及测量等领域，特别是利用中低密度光栅构造的飞秒双脉冲的光栅装置。可用于飞秒激光的分束及测量。
技术介绍
超短飞秒脉冲具有非常高的峰值功率，而且持续时间短，因此在物理、化学、生物、制造和加工等领域应用广泛。目前的飞秒测量技术都必须对脉冲分光，分光过程都将对输入脉冲产生一定的调制。普通的半透半反镜将引入材料色散，为避免材料色散的缺点，半透半反镜的厚度就必须制造得很薄，不仅难于加工，而且容易损坏。如使用角锥反射镜，即通过反射镜面相交的棱放置在光束的中心，虽在空间上分离了光束，但原本的光束中心就变成了分束后光束的边缘，分束后的飞秒激光光束质量难以保证。而反射光栅的优点则是，与材料无关，可忽略其引入的高阶色散。用光栅对使原路返回的共线分光技术，构造的双脉冲无角色散，无频谱空间走离。使用低密度反射光栅装置，输出脉冲的脉宽的改变量极小。最近，在先技术1提出采用低密度的达曼光栅对的飞秒激光分束技术，该技术核心是使用低密度光栅对分光，利用多个衍射级次，对每个单独的级次都采用相同密度的达曼光栅进行补偿。在先技术2采用低密度的光栅对飞秒激光进行测量；在先技术3采用低密度光栅对再接反射镜的结构，实现飞秒激光的共线分束和压缩。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种飞秒脉冲的光栅装置，该光栅装置不需要使用反射镜，结构更加简单，体积更小，容易操作，效率更高。本装置可用于产生高质量的无空间啁啾，无角色散，可调节的共线飞秒双脉冲序列。选用合适闪耀光栅，可以使得标量理论衍射效率接近100％。本专利技术的技术解决方案如下一种飞秒双脉冲的光栅装置，其特征是由三个中低密度反射式光栅构成，一飞秒激光光束垂直入射至第一光栅产生衍射，第二光栅和第三光栅分别置于第一光栅的正级衍射光和负级衍射光的光路上，所述的第二光栅和第三光栅的光栅密度为第一光栅的光栅密度与衍射级次乘积的二倍。所述的第二光栅和第三光栅分别置于第一光栅的+1级衍射光和-1级衍射光的光路上。所述的第二光栅或第三光栅置于一微移动台上。所述的第一光栅的槽型为三角或余弦形状光栅，所述的第二光栅和第三光栅为台阶型光栅所述的第一光栅、第二光栅、第三光栅为达曼光栅或闪耀光栅。本专利技术首次提出二倍密度匹配光栅对的思想。后两块补偿光栅的密度是第一个光栅密度乘以衍射级次的二倍，因此，入射至其表面的光将原路返回，相对常用光栅对使用反射镜将光原路返回，整个光路结构更加简单紧奏。相对以前的飞秒分束和测量方式，本方案仅仅采用反射光栅，就可以获得共线的飞秒分束和压缩功能。低密度反射光栅对飞秒脉冲影响小，可以用在构造共线双脉冲、飞秒加工、泵浦探测技术等许多方面。附图说明图1为本专利技术飞秒双脉冲的光栅装置实施例的结构示意图。图中1-为周期为d的第一光栅，2-为周期为d/2的第二光栅、3-为周期为d/2的第三光栅，即二倍密度光栅，4-微移动平台，L为光栅垂直间距，D为入射光束直径，θ为衍射角，本实施例的衍射过程均为一级衍射。图2为光栅对引入的负群速色散同光栅周期的关系。光栅对间距L恒定为30厘米，输入脉冲宽度为80fs。图3为本专利技术实施例测量的FROG频率和时间谱图。光栅1线密度为25线/毫米，光栅2、3的线密度为50线/毫米。图4为本专利技术实施例测量得到的强度曲线和相位曲线，其中实线表示强度，虚线表示相位。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术的依据如下先请参阅图1，图1为本专利技术飞秒双脉冲的光栅装置的结构示意图。由图可见，本专利技术飞秒双脉冲的光栅装置，由三个中低密度反射式光栅构成，一飞秒激光光束垂直入射至第一光栅1产生衍射，第二光栅2和第三光栅3分别置于第一光栅1的+1级衍射光和-1级衍射光的光路上，所述的第二光栅2和第三光栅3的光栅密度为第一光栅1的光栅密度的二倍。所述的第三光栅3置于一微移动台上。所述的第一光栅的槽型为三角或余弦形状光栅，所述的第二光栅和第三光栅为台阶型光栅所述的第一光栅、第二光栅、第三光栅为达曼光栅或闪耀光栅。一飞秒激光光束垂直入射至第一光栅1表面，其+1和-1级衍射光分别被后两块光栅原路返回，最后经第一光栅1出射。第二光栅2和第三光栅3与第一光栅1的垂直间距为L，第三光栅3放置于微动平台4上，用于调节输出两束衍射光的时间延迟，构造可调节的共线双脉冲。入射光束的束直径为D，L足够长，可使+1级衍射光及-1级衍射光和入射光分开。为使得入射脉冲能够同输出脉冲分开，可将入射光束沿光栅凹槽方向偏转一个小的角度，从而使得第一块光栅上的输入光斑和输出光斑分开。在如图1所示的光栅装置下，假设输入脉冲在时域和空域均为高斯型，根据光栅对对有限束径超短脉冲的衍射理论，结合光栅方程和Fresnel-Kirchhoff方程计算输出单个输出脉冲的性质。根据光栅方程，垂直入射情形下，光束从输入到输出共三次衍射，三次衍射角θi分别满足sinθ1＝λ/d1，sinθ1+sinθ2＝λ/d2，sinθ3＝λ/d1。根据光栅密度关系1/d2＝2/d1可知，θ1＝θ2＝θ3。因此，垂直入射情形下，所有衍射均取一级衍射的情形下，光束将严格按原路返回。输入光束具有一定的束径，具有一定的发散角。考虑到实际运用中的飞秒激光束发散角小，准直性好，可以采取的小角度近似方法进行分析。若以高斯光束入射，则计算得到出射脉冲在频域的表达为a6(x6，y6，ω)∝exp(ikβ3ωx6)a5(x6α3，y6，ω)=αi(ω)exp(-ik2y62q(d+2z))×exp(ikβ2ω2z)]]>×exp(-ik21q(d+2α2z)x62)]]> 其中ai(ω)是入射脉冲频谱，(x6，y6)是出射面空间坐标，ω为频率同脉冲中心频率的差，β与α均来自于小角度近似Δθ＝αΔγ+βω，其中γ为入射角，θ为衍射角。q(d)＝d+iπσ2/λ，其中σ为高斯光束束腰半径。z为中心频率分量垂直入射在两光栅间传输的距离。上式中无频率和空间项的耦合，这说明输出脉冲无空间啁啾和角色散，脉宽不随传输的距离改变，空间传输遵从高斯光束的性质。根据傅立叶变换，将得到脉冲时域的分布也不存在时间项和空间项的耦合，即不存在脉冲倾斜等畸变，光束的质量优良。光束的空间分布，从空间项可以看出，光斑的形状和波前存在一定的畸变，主要由d+2α2z同d+2z的差别决定。对于低密度光栅，如100线/mm，中心波长为800nm，则|a|＝1.00322，这使得两者差别可以忽略，光斑及波前畸变极小。一般情况下，若πσ2/λ＞＞d+2α2z以及πσ2/λ＞＞d+2z成立，畸变量也可以完全忽略。实际中，原路返回式光路引入的光斑畸变量很小。与高密度光栅不同，低密度光栅对输入的超短脉冲影响随光栅垂直距离的改变很慢，因此可用于飞秒光脉冲的分束测量和控制上，见在先技术。光栅对所产生的色散量取决于光束的传输距离z和所选用的光栅线密度，群速色散项正比于光栅线密度的平方和传输距离的积，随光栅密度的改变更快，当输入脉冲无啁啾且光栅线密度足够低的时候，如10线/毫米，输入脉冲和输出脉冲相比，输出本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种飞秒双脉冲的光栅装置，其特征是由三个中低密度反射式光栅构成，一飞秒激光光束垂直入射至第一光栅产生衍射，第二光栅和第三光栅分别置于第一光栅的正级衍射光和负级衍射光的光路上，所述的第二光栅和第三光栅的光栅密度为第一光栅的光栅密度与衍射级次乘积的二倍。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，郑将军，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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