专利名称：飞秒脉冲动态时空变换整形装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞秒脉冲时空变换整形装置，特别指一种基于平板光学基础上的飞秒脉冲动态时空变换整形装置。
背景技术：
众所周知，飞秒激光脉冲是目前人类实验室条件下所能获得的最短的一个时间过程，因此飞秒激光脉冲的测量和控制不可能指望通过另一个更快的其它的物理效应来实现。飞秒激光脉冲通过时空变换技术将时域信息变换到空域，通过空域的处理再返回到时域是实现飞秒激光脉冲整形、测量和控制的一项重要技术，也是唯一的而且最有效的操纵飞秒脉冲的方法。自Heritage等人介绍飞秒脉冲时空变换整形这个领域以来，已得到了迅速发展，现已成为一个重要的前沿学科。在应用方面，可产生各种所需要的波形，应用在信号处理和量子系统的连续控制、安全通讯、存储、医学和生物学成像、化学和物理等方面。例如2003年科学杂志(SCIENCE)上报道了依赖于时间和位置显微尺寸的晶格振动波的时空相干控制产生了太赫兹的晶格振动波、整形的飞秒脉冲作为新的反应物来改变分子分解和重排的过程、整形的飞秒脉冲装置建立一个共线的三脉冲序列用于两维光谱中的核磁共振等。这些报道的共同特点是都运用了飞秒脉冲整形技术来控制超短脉冲的形状、存储和恢复探测脉冲形状。可见飞秒脉冲时空变换整形技术已成为当今研究的热点，是物理学、材料学、生命科学等众多学科的研究重要工具。可以预期，由于飞秒激光时空变换脉冲整形在学术研究上的重要性和广泛现实的应用性，它必将成为光电子学领域的主要研究内容之一。
在先技术[1](参见C.Froehly，B.Colombeau，and M.Vampouille，“Shaping and analysis of picosecond light pulses，”Progress in Optics.20，65-153(1983))中所描述的是最基本的、应用最广泛的透射式4f系统的脉冲时空变换整形装置。虽然其具备了整形的能力，但稳定性差，抗干扰能力如机械和热效应弱，且存在透镜的色散问题。
在先技术[2](参见D.H.Reitze，A.M.Weiner，and D.E.Leaird，“Shapingof wide bandwidth 20 femtosecond optical pulses，”Appl.Phys.Lett.61，1260-1262(1992))中描述的无色散的透射式脉冲整形装置。该装置中用反射式球面镜代替在先用的透镜可以避免透镜的色散问题，得到无色散的过程。但其抗干扰能力如空气流的影响是不可避免的。
在先技术[3](M.C.Nuss，M.Li，T.H.Chiu，A.M.Weiner，and A.Partovi，“Time-to-space mapping of femtosecond pulses，”Opt.Lett.19，664-666(1994))中描述的是全息飞秒脉冲整形技术。模板由两光束干涉形成，再由其中一束光读出。它同样具有抗干扰能力差和透镜的色散问题，同时模板是固定的，不能实现动态整形。整个装置不够紧凑，体积较大。
发明内容
本发明是为了克服上述在先技术的不足，提供一种飞秒脉冲动态时空变换整形装置，它应具有体积小，结构紧凑，抗干扰能力强的特点。
本发明解决的技术方案如下一种飞秒脉冲动态时空变换整形装置，其特征在于其构成包括由第一光学平板和第二光学平板相互构成的框架中在所述的第一光学平板嵌设有第一反射式透镜和第二反射式透镜，在所述的第二光学平板上依次等间距地嵌设有第一高密度光栅、反射式模板和第二高密度光栅，所述的第一光学平板嵌设的元件与第二光学平板上嵌设的元件相互交错地分立设置并满足下列关系式f＝hcosθC＝2fsinθ式中f为第一反射式透镜和第二反射式透镜的焦距；h为第一光学平板和第二光学平板之间的距离；C为各元件的中心间距；θ为飞秒脉冲激光的入射角。
所述的第一反射式透镜和第二反射式透镜是偏心率e为常数的椭圆光栅，且e＝sinθ。是适合于斜入射的反射式非球面透镜。
所述的模板为反射式位相板、可变形镜、液晶空间光调制器、微机械数字微转镜或反射式动态空间光调制器。
本发明与在先技术相比具有的优点与在先技术相比，由于采用平板结构的装置，把各元件镶嵌为一体，所以结构更紧凑；一般整形装置长度至少需要40厘米，本发明的最长需要20厘米，所以体积较小；因为其在固定的几乎封闭的盒子里，所以相对于机械和热效应的具有较好的稳定性，传播中不易受外界如空气气流等干扰，且本发明装置中用的透镜是反射式透镜，入射波仅由反射来聚焦，所以效率相对应该较高。
图1为本发明飞秒脉冲动态时空变换整形装置结构的剖面图。
图2为反射式非球面平板透镜2的平面图，图3为图2反射式非球面平板透镜2沿y轴的截面图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明飞秒脉冲动态时空变换整形装置结构的剖面图。有图可见，本发明飞秒脉冲动态时空变换整形装置其构成包括由第一光学平板11和第二光学平板12相互构成的框架中在所述的第一光学平板11嵌设有第一反射式透镜2和第二反射式透镜3，在所述的第二光学平板12上依次等间距地嵌设有第一高密度光栅5、反射式模板6和第二高密度光栅7，所述的第一光学平板11嵌设的元件与第二光学平板12上嵌设的元件相互交错地分立设置并满足下列关系式f＝hcosθC＝2fsinθ式中f为第一反射式透镜2和第二反射式透镜3的焦距；h为第一光学平板11和第二光学平板12之间的距离；C为各元件的中心间距；θ为飞秒脉冲激光的入射角。
所述的第一反射式透镜2和第二反射式透镜3是偏心率e为常数的椭圆光栅，且e＝sinθ。
本发明的基本依据如下光信号在介质表面沿折叠路径从一个元件到另一个元件传播。实际上，这个装置是一个4f时空变换的脉冲整形系统。
本发明的原理主要是建立在线性、时间不变的滤波器上。线性过滤可在时域描述，也可在频域描述。在时域中，滤波器可用脉冲响应函数h(t)表示其特性，滤波器的输出eout(t)可由输入脉冲ein(t)和h(t)的卷积表示eout(t)＝ein(t)*h(t)＝∫dt′ein(t′)h(t-t′) (1)如果输入脉冲是δ函数，则输出仅仅是h(t)。因此对于足够短的输入脉冲产生特定的输出脉冲形状的问题相当于制造一个包含有所希望的脉冲响应的线性滤波器问题。
在频域，滤波器可由频率响应H(ω)表示其特性，线性滤波器的输出Eout(ω)是输入信号Ein(ω)和频率响应H(ω)的积，即Eout(ω)＝Ein(ω)H(ω) (2)这里ein(t)、eout(t)、h(t)和Ein(ω)、Eout(ω)、H(ω)分别是傅立叶变换对，即
H(ω)＝∫dfh(t)e-iωt(3)h(t)=12π∫dωH(ω)eiωt----(4)]]>对于一个δ函数的输入脉冲，输入光谱Ein(ω)是不变的，输出光谱Eout(ω)等于滤波器的频率响应H(ω)。因此，由于傅立叶变换关系，所希望的输出波形的产生可由实现带有所希望的频率响应的滤波器来完成，脉冲整形的方法都是由这种频率域观点来描述的。需要指出的是对于基于平板光学基础上的飞秒脉冲整形中的透镜光谱是斜入射的，这样像差很大，对于高斯光学中的透镜已不再适合。这里我们需重新设计一种适合于平板光学的反射式透镜。
该反射式透镜的设计原理如下对于平板光学的反射式透镜(又称衍射透镜)准直的特殊设计已由Shiono和Ogawa(T.Shiono and H.Ogawa，“Diffraction-limited blazedreflection diffractive microlenses for oblique incidence fabricated byelectron-beam lithography，”Appl.Opt.30，3643(1991))描述。图2和图3是所提出的反射式的、适于斜入射的反射式透镜的结构图。图3中8为反射层，9为焦点，10是入射的平面波。在X-Y平面上，平面波沿Z轴以θ角传播和沿对称于入射波轴的光轴而会聚的球面波之间的位相差为Φ(x，y)＝n′k[(x2+y2-2yfsinθ+f2)1/2-f+ysinθ]，(5)这里k＝2π/λ (6)λ是自由空间的波长，n′＝1是介质空气的折射率，f是焦距。因此，在X-Y平面产生Φ位相差的透镜能无像差地聚焦斜入射波。衍射透镜的位相差为ΦF，是由Φ以模2π的整数倍来分ΦF＝Φ(x，y)-2mπ (7)其中m是整数，满足0 ≤ΦF≤2π。Φ和ΦF在X方向上对称，yc轴表示等位相的中心位置，而Φ在Y方向上为反对称的曲线， 以Φ或|y|改变到-Y方向。这意味着Y轴上在ΦF里由波带周期给出的光栅周期在正区域里比较小。
接着考虑透镜波带边缘的光栅周期的模式。从ΦF＝0可得到x2(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′+(y-ycm)2cos2θ(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′=1----(8)]]>其中ycm＝-mλtanθ/n′cosθ(9)很明显(8)式表示以(0，ycm)为中心，Y为主轴的椭圆。ycm正比于对应于边缘椭圆级次的整数m。主轴的长度和最短轴的长度可表示为Sym＝2/cosθ[(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′]1/2， (10)Sxm＝2[(mλ/n′cosθ)2+2mλf/n′]1/2(11)如果M是m的最大值，透镜Sx和Sy分别由SxM和SyM给出。M由下式给出M=n′cos2θ/λ[-f+(f2+Sy2/4)1/2]----(12)]]>M也显示出光栅波带的总数。由式(10)和(11)可知，主轴相对于最短轴比率为Sym/Sxm＝1/cosθ，(13)椭圆的离心率根据椭圆尺寸定义为e＝[1-(Sxm/Sym)2]1/2＝sinθ (14)由(14)式可看出离心率不依赖于级次m，仅由入射角θ决定。因此，适于斜入射的衍射受限的透镜是由偏心率e为常数的椭圆光栅组成，他们的中心位置偏离-Y方向，正比于级次m。
下面计算透镜的厚度。适于斜入射的反射式透镜由椭圆光栅组成。为了简化分析，我们分析反射式柱面透镜，考虑透镜在每个区域的趋向，结果可用在θ的位置中的有效入射角θE标定。θE在透镜的区域定义为θE＝θcosρ， (15)这里ρ是和正Y轴之间的夹角。例如，θE＝θ在透镜的正Y轴上，θE＝-θ在透镜的负Y轴上。在X轴上θE＝0。
L为透镜的厚度(柱面透镜)，即反射层下的槽深，n是组成闪耀层的材料的折射率。对薄透镜的位相偏移为2Lnkcosθ，最优化的衍射效率的最大厚度为LR＝λ/2ncosθ， (16)上式是使每个波带边缘位相差为2π得到的。因此反射衍射透镜的膜厚轮廓可写为L(x，y)＝LR[1-ΦF(x，y)/2π]。
(17)从方程(17)可得，最大的厚度与入射角有关。对于圆柱透镜，这个结果表示对于斜入射的透镜有一个依赖于ρ的最佳厚度。例如，在最短轴上，最佳厚度为LR＝λ/2n，而在主轴上的最佳厚度为LR＝λ/2ncosθ。
这样的透镜没有色差，是椭圆的、非球面的凹面镜结构。因为入射波仅由反射来聚焦，此透镜的衍射效率比较高，。同理可根据需要来设计透镜的大小，孔径角等。
如图1所示的本发明的基于平板光学的飞秒脉冲动态时空变换整形装置结构，其一个实施例是选用的20cm×5cm×5cm大小的空心介质的框架。所以，中间介质是折射率为1的空气。此装置中各元件间的距离是c是相等的。光源1为中心波长为800nm的钛宝石飞秒激光器。
对于斜入射时透镜的数值孔径定义为NA=nSx/2(f2+Sx2/4)1/2----(18)]]>本实施例中用上述方法设计的透镜的材料为折射率n＝1.5的玻璃，最大级数为20，最大厚度Lmax＝0.304μm，当入射角θ＝28.69°，焦距为f＝h/cosθ＝3.85cm，Sx＝0.22cm。相对孔径为f/Sx＝17.5，数值孔径NA＝0.6355(对于折射率n＝1.5)。各元件间的横截距离c＝2fsinθ＝3.697cm。各元件的交叉距离即透镜的焦距f＝3.85cm。
在本实施例中，采用中心波长为800nm的钛宝石飞秒激光器作为光源，所述的第一高密度光栅5和第二高密度光栅7为1200L/mm的高密度光栅。飞秒激光1以28.69°入射到第一高密度光栅5上，超短脉冲中的各自的频率成份由第一高密度光栅5角色散，由布拉格衍射匹配条件d(sinθl+sinθd)＝λ可得衍射角也为28.69°。衍射光照到第一反射式透镜2上，在第一反射式透镜2的后焦平面上进行了空间分离，以相同的衍射角度会聚到反射式模板6上，再由反射式模板6整形后反射到第二反射式透镜3上，由第二反射式透镜3会聚到同样的1200L/mm的第二高密度光栅7上。最后由该第二高密度光栅7以28.69°角衍射输出光束4。第二反射式透镜3和第二高密度光栅7把这些分离的所有频率成份重新组合成一个简单的相互碰撞的光束4，这样就得到了一个整形输出脉冲4，这个输出脉冲的形状由光谱面上模板6的模式给出。其中模板6为变形镜、液晶空间光调制器、微机械数字微转镜等动态器件，以实现动态的时控变换。
实践表明，本发明能有效地对飞秒脉冲进行整形，结构简单可靠，紧凑体积小，抗干扰能力强，可有效地避免空气扰动等因素的影响，成本便宜。
权利要求
1.一种飞秒脉冲动态时空变换整形装置，其特征在于其构成包括由第一光学平板(11)和第二光学平板(12)相互构成的框架中在所述的第一光学平板(11)嵌设有第一反射式透镜(2)和第二反射式透镜(3)，在所述的第二光学平板(12)上依次等间距地嵌设有第一高密度光栅(5)、反射式模板(6)和第二高密度光栅(7)，所述的第一光学平板(11)嵌设的元件与第二光学平板(12)上嵌设的元件相互交错地分立设置并满足下列关系式f＝hcosθC＝2fsinθ式中f为第一反射式透镜(2)和第二反射式透镜(3)的焦距，h为第一光学平板(11)和第二光学平板(12)之间的距离，C为各元件的中心间距，θ为飞秒脉冲激光的入射角。
2.根据权利要求1所述的飞秒脉冲动态时空变换整形装置，其特征在于所述的第一反射式透镜(2)和第二反射式透镜(3)是偏心率e为常数的椭圆光栅，且e＝sinθ。
3.根据权利要求1所述的飞秒脉冲动态时空变换整形装置，其特征在于所述的模板(6)为反射式位相板、变形镜、液晶空间光调制器、微机械数字微转镜或反射式动态空间光调制器。
全文摘要
一种飞秒脉冲动态时空变换整形装置，其构成包括由第一光学平板和第二光学平板相互构成的框架中在所述的第一光学平板嵌设有第一反射式透镜和第二反射式透镜，在所述的第二光学平板上依次等间距地嵌设有第一高密度光栅、反射式模板和第二高密度光栅，所述的第一光学平板嵌设的元件与第二光学平板上嵌设的元件相互交错地分立设置并满足关系式f＝hcosθ，C＝2fsinθ式中f为第一反射式透镜和第二反射式透镜的焦距；h为第一光学平板和第二光学平板之间的距离；C为各元件的中心间距；θ为飞秒脉冲激光的入射角。本发明能有效地对飞秒脉冲进行整形，结构简单可靠，紧凑体积小，抗干扰能力强，可有效地避免空气扰动等因素的影响，成本便宜。
文档编号G02B27/10GK1664519SQ200510024548
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月23日 优先权日2005年3月23日
发明者周常河, 邹华 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所