专利名称：多通脉冲压缩器及其使用方法
技术领域：
本发明涉及了一种多通脉冲压缩器及其使用方法，它可以实现对啁啾超短脉冲的 压缩，获得更短脉冲宽度的激光脉冲输出，属于超短脉冲激光技术领域。
背景技术：
超短脉冲激光具有峰值功率高和脉冲宽度窄等优点，因此在基础科学研究、国防 尖端技术、医学和生命科学以及微纳加工等领域有着广泛的应用。通常，超短脉冲激光器直接输出的超短脉冲含有一定的正啁啾，为了获得更短脉 冲宽度，即更高峰值功率的脉冲，需要对脉冲的正啁啾进行补偿。而对脉冲引入额外的负色 散能够带来负啁啾，进而补偿直接输出脉冲的正啁啾。腔外脉冲压缩器即是利用上述原理， 在压缩器内对脉冲引入一定量的负色散带来的负啁啾，从而对脉冲进行压缩。传统的腔外 压缩技术有棱镜对、光栅对以及色散镜压缩技术。棱镜对技术虽然能量损耗较低，但是为获 得较大的负色散量的补偿时，两个棱镜的间距通常很大，甚至达到了 8m。而光栅对技术虽然 能够在较小的间距下提供较大的负色散补偿量，但是由于光栅负1级的单次衍射效率通常 只能达到90%，即使采用高效率透射型光栅，理论上单次衍射效率也只能达到97%，因而 在往返经过光栅对装置后，其能量损耗很大(0. 974X 100%= 88. 53%)。此外，棱镜对和光 栅对技术都会引入空间色散，改变脉冲的光束形状，因而需要一个光路爬高器将光束严格 从原始光路的正上方反射回棱镜对或者光栅对，以便提取压缩后的脉冲，这就增加了光路 调整的复杂性。色散镜压缩技术是更为完善的压缩技术，它利用专门设计的多层膜系对脉 冲进行负色散补偿以实现脉冲压缩，并且这种设计能够实现非常高的反射率。2008年出现 了一种新型的高色散补偿镜(high-dispersive mirrors)，其单次反射的色散补偿在800nm 处达到了 _1300fs2，780 820nmn的平均反射率达到了 99. 95%，而在1030nm附件波段达 到了 _2500fs2，平均反射率达到了 99.99%。另外，色散镜补偿技术并不引入空间色散，能 够针对特定的脉冲啁啾情况采取灵活的设计，同时补偿低阶和高阶色散，并可以通过多次 反射提供较大色散量的补偿，是一种非常理想的补偿技术。但是，传统的色散镜补偿技术通 常在平面镜片基底上制作色散补偿膜系，在多次反射后，光斑通常变的很大，需要额外增加 缩束元件，带来了额外的能量损耗，增加了系统的元件数量和复杂性，并且不易方便调节。有关涉及到本发明技术的文献和报道如下[1]D. Herriott, H. Kogelnik, and R. Kompfner, "Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers, ”Appl. Opt. 3,523-526(1964) “球面镜干涉仪中的离轴光路，，应 用光学 3,523-526(1964)[2]A. Fernandez, A. Verhoef, V. Pervak,G. Lermann,F.Krausz and A. Apolonski, "Generation of 60-nJ sub-40-fs pulses at 70MHz repetition rate from a Ti sapphire chirped pulse-oscillator, "Appl. Phys. B 87，395-398 (2007) “ 以钛宝石啁啾 脉冲振荡器产生70MHz重复频率的60nJ、亚40fs脉冲”应用物理B 87，395-398 (2007)[3] E. B. Treacy, “ Optical Pulse Compression with DiffractionGratings, “ IEEE J. Quantum Electron. QE-5，454-458 (1969) “利用衍射光栅对光学脉冲 的压缩”量子电子学报QE-5，454-458 (1969)[4]T. Clausnitzer, J. Limpert, K. Zoellner, H. Zellmer, H-J. Fuchs, E-B. Kley, A. Tuennermann, M. Jupe, and D. Ristau,"Highly efficient transmission gratings in fused silica for chirped-pulse amplification systems, "Appl.Opt. 42, 6934-6938(2003) “为啁啾脉冲放大系统设计的高效率透射熔融石英光栅”应用光学42， 6934-6938(2003)[5] V. Pervak, C. Teisset, A. Sugita, S. Naumov, F. Krausz, and A. Apolonski, "Hi gh-dispersive mirrors for femtosecond lasers ,，，Opt. Express 16, 10220-10233 (2008) “针对飞秒激光器的高色散镜”光学快递16，10220-10233 (2008)
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种用于实现高负色散量补偿的 多通脉冲压缩器。该装置能实现对啁啾超短脉冲的压缩，获得更短脉冲宽度的激光脉冲输 出。也能灵活方便调节负色散补偿量，能量损耗低，结构灵活。本发明是通过下述技术方案加以实现的一种多通脉冲压缩器，该多通脉冲压缩 器由结构相同、按凹球面反射镜的凹球面共轴相对放置的的第一端镜I和第二端镜II构 成，所述的每个端镜包括圆环状支座，在圆环状支座的一侧圆环面上配置转动环，在圆环状 支座的另一侧圆环面上设置调节转动环绕水平前后方向的X轴转动士2. 5°的微调旋钮， 以及调节转动环绕竖直ζ轴转动士2. 5°的微调旋钮，其特征在于，转动环绕水平左右方向 的y轴转动的角度为0到360°，转动环上装配有凹球面反射镜，凹球面反射镜的镜面直径 Φ为30 100mm，曲率半径R为1 20m，厚度D为5 10mm，凹球面反射镜上开设一条通 透槽，沿镜面周向的通透槽宽度b为4 10mm，沿镜面径向的通透槽长度a为12 40mm， 第一端镜凹球面反射镜1与第二端镜凹球面反射镜2的凹球面均镀覆色散补偿膜系；或者 在第一端镜凹球面反射镜1的凹球面镀覆色散补偿膜系，而在第二端镜凹球面反射镜2的 凹球面镀覆高反射膜系；或者在第一端镜凹球面反射镜1的凹球面镀覆高反射膜系，而在 第二端镜凹球面反射镜2的凹球面镀覆色散补偿膜系。上述结构的多通脉冲压缩器的使用方法，其特征在于包含以下过程1)将第一端镜I和第二端镜II按其上的凹球面反射镜的凹球面相对共轴放置在 待压缩脉冲的光路中，并保证两个凹球面反射镜的凹球面间距L小于2 40m，即两个凹球 面反射镜的凹球面间距小于它们的曲率半径之和；2)采用一个全反射镜调节待压缩脉冲光束，使待压缩脉冲光束经过第一端镜凹球 面反射镜1的通透槽入射至第二端镜凹球面反射镜2上，并保证入射光束与第一端镜I和 第二端镜II的共轴之间的夹角为0°，然后调节第二端镜II的微调旋钮8和10，使第二端 镜凹球面反射镜2返回的光束落在第一端镜凹球面反射镜1上，而后再调节第一端镜I上 的微调旋钮7和9，使第一端镜凹球面反射镜1返回的光束再落在第二端镜凹球面反射镜2 上，如此反复调节第一端镜的微调旋钮7和9，使第一端镜凹球面反射镜1返回的光束落在 第二端镜凹球面反射镜2上，和调节第二端镜的微调旋钮8和10，使第二端镜凹球面反射 镜2返回的光束落在第一端镜凹球面反射镜1上，直至调节到在第一端镜凹球面反射镜1
4的凹球面上和第二端镜凹球面反射镜2的凹球面上形成封闭环状的光斑轨迹为止；当此之 时，旋转第二端镜转动环6带动第二端镜凹球面反射镜2转动，使得由第一端镜凹球面反射 镜1上封闭环状光斑轨迹的最后一个光斑返回的光束通过第二端镜凹球面反射镜2上的通 透槽输出；3)当完成上述步骤的调节时，光束每经过第一端镜凹球面反射镜1或第二端镜凹 球面反射镜2的色散补偿膜系的一次反射，就获得了相应的单次色散补偿量Ddm对应的压缩 效果；通过旋转第二端镜转动环6，令光束从第二端镜凹球面反射镜2上的封闭环状光斑轨 迹的不同位置经第二端镜凹球面反射镜2的通透槽输出，则每个不同的输出位置对应着光 束在多通脉冲压缩器内不同的反射次数(反射次数可以从凹球面反射镜上的光斑个数直 接观察)；当第一端镜凹球面反射镜1和第二端镜凹球面反射镜2均镀覆有单次色散补偿 量为Ddm的色散补偿膜系时，该装置是以Ddm的两倍即2Ddm为单位对脉冲实现压缩的离散调 节；当第一端镜凹球面反射镜1和第二端镜凹球面反射镜2中的一个凹球面镀覆有单次色 散补偿量为Ddm的色散补偿膜系而另一个镀覆高反射膜系时，该装置是以Ddm为单位对脉冲 实现压缩的离散调节。本发明的技术方案具有如下优点1.该多通脉冲压缩器在满足稳态条件(即两个凹球面反射镜的凹球面间距小于 它们的曲率半径之和)下使用时，凹球面反射镜的设计能够使光束每经过凹球面反射镜反 射一次，都会被周期性的重新会聚，这就有效抑制了光束固有的衍射作用引起的光斑扩展， 同时简化了光路的调节；2.在多通脉冲压缩器内，通过旋转第二端镜转动环来旋转第二端镜凹球面反射镜 上的通透槽，进而调节镜面上的反射光斑数，实现了以色散补偿膜系单次反射色散补偿量 Ddm或者两倍色散补偿量2Ddm为单位的离散色散补偿调节；3.与光栅对技术和棱镜对技术相比，多通脉冲压缩器不引入额外的空间色散，不 需要额外引入一个光束爬高器，只需一对镜片即可实现对脉冲的压缩，系统内的元件数量 更少，因此整个系统更加简单，成本更加低廉；4.与光栅对技术相比，由于多通脉冲压缩器采用了多层介质色散补偿膜系的设 计，其压缩的能量损耗非常小，因而能够实现很高的能量通过率，更加适于获得高功率、高 能量的超短脉冲；5.与棱镜对补偿技术相比，多通脉冲压缩器的镜面间距L只要小于两个曲率半径 之和(即稳态条件)时，该间距L可灵活选取，不需要像棱镜对补偿技术那样必须引入非常 长的光路，最终实现紧凑、低损耗的超短脉冲压缩器。
图1为本发明多通脉冲压缩器的结构示意图。图中1为第一端镜，II为第二端镜；1为第一端镜凹球面反射镜，2为第二端镜凹 球面反射镜，3为第一端镜圆环状支座，4为第二端镜圆环状支座，5为第一端镜转动环，6为 第二端镜转动环，7为微调第一端镜转动环绕χ轴转动的旋钮，8为微调第二端镜转动环绕 χ轴转动的旋钮，9为微调第一端镜转动环绕ζ轴转动的旋钮，10为微调第二端镜转动环绕 ζ轴转动的旋钮。
图2为图1中第一端镜凹球面反射镜1或第二端镜凹球面反射镜2的结构示意图。图中b为通透槽沿镜面周向的宽度，a为通透槽沿镜面径向的槽长，Φ为凹球面 反射镜的镜面直径。图3为图2的左视剖面图。图中D为凹球面反射镜的厚度，R为凹球面反射镜的凹球面曲率半径。图4为光束在本发明多通脉冲压缩器中传输轨迹的示意图。图中L为图1中的第一端镜凹球面反射镜1和第二端镜凹球面反射镜2之间的 凹球面间距。图5为两个凹球面反射镜的间距L为30cm时，在第一端镜凹球面反射镜镜面上由 22个光斑形成封闭环状光斑轨迹的照片。图6为两个凹球面反射镜的间距L为20cm时，在第一端镜凹球面反射镜镜面上由 22个光斑形成封闭环状光斑轨迹的照片。图7为两个凹球面反射镜的间距L为IOcm时，在第一端镜凹球面反射镜镜面上由 20个光斑形成封闭环状光斑轨迹的照片。
具体实施例方式获得多通脉冲压缩器的具体实施方案如下选取第一端镜凹球面反射镜1和第二 端镜凹球面反射镜2的镜面直径均为50mm，凹球面曲率半径均为2m，厚度D均为6mm，且各 凹球面反射镜上均开设一条宽度b为6mm、长度a为20mm的通透槽。1和2的凹球面上均 镀覆有GT膜系(一种色散补偿膜系)，它由一组高折射率材料为氧化钽(Ta2O5)、低折射率 材料为熔融石英(SiO2)的多层高、低折射率膜层相间构成，该膜系对于1030 1050nm波 段内光束的单次反射率为99. 99%，单次反射色散补偿量Ddm为-1500fs2。将第一端镜圆环状支座3和第二端镜圆环状支座4固定于光学平台上，确保两个 端镜的凹球面反射镜的凹球面以间距L共轴相对放置，实验过程分别选用了 L = 30cm,20cm 和IOcm三种间距进行测试。利用一个反射镜反射一束中心波长为1040nm、光谱宽度为6nm 的待压缩脉冲光束，使光束经过第一端镜凹球面反射镜1的通透槽入射至第二端镜凹球面 反射镜2上，并保证入射光束与两个端镜的共轴之间的夹角为0°，再调节第二端镜圆环状 支座4上的微调旋钮8和10，使经过第二端镜凹球面反射镜2返回的光束落在第一端镜凹 球面反射镜1上，而后继续调节第一端镜圆环状支座3上的微调旋钮7和9，使得经过第一 端镜凹球面反射镜1再次返回的光束落在第二端镜凹球面反射镜2上，如此反复调节第一 端镜圆环状支座3上的微调旋钮7、9和第二端镜圆环状支座4上的微调旋钮8、10，直至两 个端镜的凹球面反射镜上形成如图5所示的封闭椭圆环状的光斑轨迹。而光束每经过镀覆有GT膜系的凹球面反射镜的一次反射，就获得了 Ddm ="1500fs2的色散补偿量对应的压缩效果。旋转第二端镜转动环6带动第二端镜凹球面 反射镜2转动，使得由第一端镜凹球面反射镜1上封闭环状光斑轨迹的最后一个光斑返回 的光束通过第二端镜凹球面反射镜2上的通透槽输出。旋转第二端镜转动环6带动第二端镜凹球面反射镜2绕水平左右方向的y轴旋 转，令光束从封闭环状光斑轨迹上的不同位置经2的通透槽输出，每个不同位置对应着光 束在多通脉冲压缩器内不同的反射次数，即同时调节了两个凹球面反射镜上的反射光斑数，以单次色散补偿量Ddm = -1500fs2的两倍2Ddm = -3000fs2为单位对脉冲实现压缩的 离散调节。这样，光束通过该多通脉冲压缩器后，如图5和图6所示，在两个凹球面反射镜 的凹球面间距L分别为30cm和20cm时，调节至每个镜片上出现22个光斑，此时的效率为 (99. 99% )44 = 99. 56%，同时脉冲可获得量值为 2X22X (_1500fs2) = -66000fs2 的负色 散补偿对应的压缩效果；如图7所示，在凹球面间距L为IOcm时，调节至每个镜面上出现20 个光斑，此时的效率为(99. 99% )40 = 99. 60%，同时脉冲可获得量值为2X20X (-1500fs2) =-eoooofs2的负色散补偿对应的压缩效果。
权利要求
一种多通脉冲压缩器，该多通脉冲压缩器由结构相同、按凹球面反射镜的凹球面共轴相对放置的的第一端镜I和第二端镜II构成，所述的每个端镜包括圆环状支座，在圆环状支座的一侧圆环面上配置转动环，在圆环状支座的另一侧圆环面上设置调节转动环绕水平前后方向的x轴转动±2.5°的微调旋钮，以及调节转动环绕竖直z轴转动±2.5°的微调旋钮，其特征在于，转动环绕水平左右方向的y轴转动的角度为0到360°，转动环上装配有凹球面反射镜，凹球面反射镜的镜面直径φ为30～100mm，曲率半径R为1～20m，厚度D为5～10mm，凹球面反射镜上开设一条通透槽，沿镜面周向的通透槽宽度b为4～10mm，沿镜面径向的通透槽长度a为12～40mm，第一端镜凹球面反射镜(1)与第二端镜凹球面反射镜(2)的凹球面上均镀覆色散补偿膜系；或者在第一端镜凹球面反射镜(1)的凹球面上镀覆色散补偿膜系，而在第二端镜凹球面反射镜(2)的凹球面上镀覆高反射膜系；或者在第一端镜凹球面反射镜(1)的凹球面上镀覆高反射膜系，而在第二端镜凹球面反射镜(2)的凹球面上镀覆色散补偿膜系。
2.一种按权利要求1所述的多通脉冲压缩器的使用方法，其特征在于包括以下过程1)将第一端镜I和第二端镜II按其上的凹球面反射镜的凹球面相对共轴放置在待压 缩脉冲的光路中，并保证两个凹球面反射镜的凹球面间距L小于2m 40m，即两个凹球面反 射镜的的凹球面间距小于它们的曲率半径之和；2)采用一个全反射镜调节待压缩脉冲光束，使待压缩脉冲光束经过第一端镜凹球面 反射镜的通透槽入射至第二端镜凹球面反射镜上，并保证入射光束与第一端镜和第二端镜 的共轴之间的夹角为0°，然后调节第二端镜上的微调旋钮，使第二端镜凹球面反射镜返回 的光束落在第一端镜凹球面反射镜上，而后再调节第一端镜上的微调旋钮，使第一端镜凹 球面反射镜返回的光束再落在第二端镜凹球面反射镜上，如此反复调节第一端镜的微调旋 钮，使第一端镜凹球面反射镜返回的光束落在第二端镜凹球面反射镜上，和调节第二端镜 的微调旋钮，使第二端镜凹球面反射镜返回的光束落在第一端镜凹球面反射镜上，直至调 节到在第一端镜凹球面反射镜的凹球面上的光斑和第二端镜凹球面反射镜的凹球面上的 光斑形成封闭环状的光斑轨迹为止；当此之时，旋转第二端镜转动环带动第二端镜凹球面 反射镜转动，使得由第一端镜凹球面反射镜上封闭环状光斑轨迹的最后一个光斑返回的光 束通过第二端镜凹球面镜上的通透槽输出；3)当完成上述步骤的调节时，光束每经过第一端镜凹球面反射镜或第二端镜凹球面反 射镜的色散补偿膜系的一次反射，就获得了相应的单次色散补偿量Ddm对应的压缩效果；通 过旋转第二端镜转动环，令光束从第二端镜凹球面反射镜上的封闭环状光斑轨迹的不同位 置经第二端镜凹球面反射镜上的通透槽输出，则每个不同的输出位置对应着光束在多通脉 冲压缩器内不同的反射次数；当第一端镜凹球面反射镜和第二端镜凹球面反射镜均镀覆有 单次色散补偿量为Ddm的色散补偿膜系时，则该装置是以Ddm的两倍即2Ddm为单位对脉冲实 现压缩的离散调节；当第一端镜凹球面反射镜和第二端镜凹球面反射镜其中的一个凹球面 镀覆有单次色散补偿量为Ddm的色散补偿膜系而另一个镀覆高反射膜系时，则该装置是以 Ddm为单位对脉冲实现压缩的离散调节。
全文摘要
本发明公开了一种多通脉冲压缩器及其使用方法。压缩器的主体为两个凹球面相对共轴放置的端镜，端镜上配有转动环，其中装有凹球面反射镜。凹球面反射镜的凹球面镀覆有色散补偿膜系，且镜片上加工有通透槽。使用该装置时，通过设置并反复调节两个端镜可在凹球面上获得封闭环状光斑轨迹，而后通过旋转转动环对脉冲的压缩实现离散调节。本发明的优点在于该压缩器的损耗低，结构紧凑，无空间色散光路，凹球面反射能够有效抵消光束的衍射效应带来的光束展宽，有效克服了现有光栅对技术、棱镜对技术和基于平面镜的色散镜补偿技术的缺点，且使用调节方法简单方便。
文档编号G02F1/35GK101950115SQ201010268498
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者宋有建, 柴路, 王清月, 胡明列, 谢辰 申请人:天津大学