专利名称：飞秒脉冲整形装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞秒激光，特别是一种利用高密度透射式光栅堆栈方法来实现飞秒脉冲整形装置。
背景技术：
飞秒激光脉冲具有极高峰值功率和超短脉冲宽度等优点，在超快过程检测，微纳加工以及科研和工业众多领域具有广泛的应用。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。以往通过时空变换技术来实现飞秒脉冲的整形，但这个装置需要空间光调制器在频谱面上对飞秒脉冲的频谱进行所需的调制，而空间光调制器的精度在实际工艺上很难满足要求。并且，时空变换装置中使用的元件(通常是光栅、透镜)使得装置空间结构庞大，成本高，效率低，不易调节。而高密度透射式光栅衍射效率极高，当飞秒脉冲正入射时只有O级，± I级衍射级次，当飞秒脉冲以二次布拉格角入射时，只有O级、-I级、-2级衍射级次或O级、+1级、+2 级衍射级次，若将其用于飞秒脉冲整形具有很好的应用前景。近几年来，利用光栅对对飞秒脉冲进行控制已经被广泛研究，取得相应进展。在先技术I周常河，白冰等，发明专利，公告号1325946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；在先技术周常河，郑将军，发明专利，公告号 200959058提出利用倍密度光栅对进行飞秒脉冲压缩，但脉冲能量利用率低，结构装置大； 在先技术周常河，贾伟，发明专利，公告号101187770利用亚波长深刻蚀透射式光栅的高效率和大色散能力来对飞秒脉冲进行有效的压缩。本发明提出使用高密度透射式光栅堆栈方法来实现飞秒脉冲的整形。飞秒脉冲垂直于光栅组入射到第一片光栅，经过一系列周期相同的1X3高密度透射式光栅的不断衍射，由最后一片光栅的垂直衍射光再进行叠加。不同的光束路径导致了不同的时间延迟，因此相同时间延迟的衍射光合成为一个脉冲。多个合成脉冲相互重叠，控制脉冲间的时间延迟，从而达到飞秒脉冲整形的目的。通过调节光栅间距，可控制输出脉冲间的时间延迟；优化光栅深度，精确掌握光栅各个衍射级次的效率，控制输出脉冲的强度，从而实现任意波形的输出。这种光栅堆栈结构的设计可以使飞秒脉冲整形装置结构更加简单、紧凑，便于调节。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种飞秒脉冲整形装置，该装置结构简单，操作方便，便于调节，具有重要的应用前景。本发明的基本构思是飞秒激光脉冲垂直入射，通过一组1X3高密度透射式光栅相继发生衍射，其中非零衍射角均为二次布拉格角。在通过最后一片光栅衍射后，相同时间延迟的垂直衍射光合成为一个脉冲。由于光栅间距很小，多个距离很近的飞秒脉冲相互重叠，从而对最终输出的飞秒脉冲形状进行控制。控制光栅间距，使不同衍射级次光在垂直于脉冲入射方向的分开距离微乎其微，可以忽略空间不重合度对合成脉冲强度的影响。通过调节光栅之间的距离，可以精确控制每个衍射级次之间的时间延迟，优化光栅的深度，可以精确掌握每个衍射级次的衍射效率。根据所需要的波形，对每个光栅进行精微控制，可实现任意波形的输出。本发明的技术解决方案如下一种飞秒脉冲整形装置，其特点在于该装置由一组沿飞秒脉冲入射方向、平行依次放置的多个周期相同的高密度透射式光栅构成，该光栅组的的每个光栅垂直于所述的飞
秒激光入射方向，依次间隔为L1、L2.....Ln-1，该光栅组固定在调节装置上，该调节装置具
有控制所述光栅沿入射脉冲纵向移动和垂直于入射脉冲横向移动的精密微调机构。所述的光栅组的光栅深度的取值范围为O. 2μ < h < I. 8μπ 。所述的光栅组的周期d = I. 368 μ m。所述的光栅组的光栅之间的间距的取值范围为O < Li < 2mm。本发明的技术效果如下通过调节光栅间距，可以精确控制每个衍射光束之间的时间延迟，使得由于距离产生的时延控制在几百飞秒之内。在如此短的距离内，忽略空间不重合度对合成光束强度的影响。优化光栅深度，控制光栅的衍射效率；调节光栅间距，改变合成脉冲间的时间延迟， 可以精确掌控输出脉冲的波形，从而实现任意波形的输出。本发明和以往装置比较，具有结构紧凑、简单，易集成化，便于调节，输出光无角色散等优点，在微加工领域、量子动力学控制及生物医学等领域有非常广阔的应用前景。
图I是本发明飞秒脉冲整形装置的结构示意图。图2是本发明飞秒脉冲整形装置实施例I的结构示意图。图3是本发明飞秒脉冲整形装置实施例2的结构示意图。图4是一束高斯脉冲经过本发明装置的实施例I形成的矩形脉冲输出。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明的飞秒脉冲整形装置如图I所示，由图可见，本发明飞秒脉冲整形装置， 由一组沿飞秒脉冲入射方向、平行依次放置的多个周期相同的高密度透射式光栅G1， G2，. . . Gn构成，其中η为正整数，该光栅组的Gl，G2，. . . Gn的每个光栅垂直于所述的飞秒
激光入射方向，依次间隔为L1、L2.....Ln-I，该光栅组固定在调节装置S上，该调节装置具
有控制所述光栅沿入射脉冲纵向移动和垂直于入射脉冲横向移动的精密微调机构。飞秒脉冲整形装置的构成包括一组沿飞秒脉冲入射方向、平行依次放置的光栅， 它们固定在调节装置上，通过该调节装置精密控制脉冲纵向移动和垂直于入射脉冲横向移动的距离。
所述的飞秒激光脉冲整形装置，其特征在于所述的一组光栅的周期d相同，取值范围为λ < d < 2λ , λ为入射的飞秒脉冲的中心波长，d = I. 368 μ m，深度h的取值范围为 0.2ym<h< 1·8μηι。在实施例中先请参阅图2，图2是本发明飞秒脉冲整形装置实施例I的结构示意图。图中， “G1”、“G2”、“G3”和“G4”表示周期相同的高密度透射式光栅，平行依次的固定在调节装置S 上。其中，“G2”、“G3”和“G4”分别装配在二维精密移动台S上，可以朝水平方向Z轴和竖直方向X轴移动。h和d分别为光栅的槽深和周期，L1^ L2> L3分别为第一光栅与第二光栅， 第二光栅和第三光栅，第三光栅和第四光栅的间距，并且LiQ = 1,2,3)产生的时间延迟控制在两个入射脉冲脉宽内。所述的飞秒激光光源是一台脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光系统。所述的一组光栅是采用微纳光学技术制作的高密度1X3透射式石英光栅，首先利用全息技术在涂有正光刻胶(Shipley S1818，USA)的铬膜上记录高密度光栅，然后对其进行显影，然后用去铬液将光刻光栅图案转移至铬膜上，并使用化学方法将残留的光刻胶去除。最后，利用微电子刻蚀工艺，将制作的样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行刻蚀，再进一步去除石英基片上的剩余铬，制作成所需的I X 3透射式石英光栅。本发明飞秒脉冲整形装置的工作原理和基本过程是飞秒激光脉冲A垂直入射到第一光栅发生衍射，B，C和D分别为A光的零级和正负一级衍射光，衍射角分别为O或± Θ。B, C和D衍射光入射到相距第一光栅L处的第二光栅继续分别发生I X 3衍射，衍射光入射到第三光栅、第四光栅继续发生衍射，衍射情况与第二光栅相同，衍射角均为O或Θ。由于光栅间的距离只有几十到几百微米，因此各级衍射光几乎是重叠在一起，空间不重合度对合成脉冲强度的影响可以忽略。相同时间延迟的垂直衍射光合成为同一个脉冲，共可以产生八个飞秒脉冲，八个距离很近的飞秒脉冲再相互重叠。如果调整二维精密移动台，使得第二光栅、第三光栅和第四光栅在Z轴方向移动， 可以通过改变四个光栅之间在Z向的距离，可以精确控制各个飞秒激光脉冲之间的时间延时。优化光栅深度，对每个衍射级次的效率进行调整，从而对最终输出的飞秒脉冲形状进行精确控制，达到整形的目的。在实施例I中，若要得到图4的矩形脉冲，对光栅衬底的厚度要求苛刻，实际加工有很大难度，改进装置如图3所示。图中，共有η组周期相同的高密度透射式光栅平行依次的固定在二维精密移动台S上，且每个光栅均可以朝水平方向Z轴和竖直方向X轴移动。每组光栅由两片光栅组成，且具有光栅条纹的一面位于光栅内侧。LiQ = 1,2,...,η)为每组光栅对内光栅间距。飞秒脉冲A垂直入射到第一组光栅，经第一片光栅衍射出O级、± I级衍射光，后经第二片光栅衍射，B的垂直衍射光为第一个脉冲，C的-I级衍射光与D的+1级衍射光合成为第二个脉冲。由于光栅间距很小，两个脉冲会连接成一个波形，作为下组光栅的输入脉冲。通过调节光栅间距及优化光栅深度，精确控制输出脉冲形状。脉冲垂直入射到第一组光栅，输出经过光栅对调制的波形，继续入射到第二组光栅。以此类推，经过η组光栅的调制，输出任意波形。这种级联光栅组虽然减小了装置的效率，但是避免了光栅厚度对脉冲整形的影响。
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图4为模拟一束高斯脉冲经过实施例I后输出的矩形脉冲的时间分布，脉冲强度为归一化强度。此时，实施例中第一光栅与第二光栅，第二光栅和第三光栅，第三光栅和第四光栅的间距分别为L、2L、4L，且L = 64 μ m。由于光栅间距成倍增加，因此每个合成脉冲之间的时间延迟均相等。当L = 64 μ m时，即每个合成脉冲之间时间间隔为90fs，形成矩形脉冲输出，脉宽FWHM为669fS。若光栅厚度远超过L时，实施例I中L2、L3要考虑光栅厚度的影响，即光栅间距大于等于光栅厚度。此时，考虑光栅厚度的影响具体分析衍射过程，优化光栅参数，输出所希望的脉冲波形。本发明飞秒脉冲整形装置来产生任意波形输出，与以往的时空变换技术相比较， 本发明避免了使用透镜，结构简单、紧凑，易集成化，操作方便，在微加工领域、量子动力学控制及生物医学等领域有非常广阔的应用前景。
权利要求
1.一种飞秒脉冲整形装置，其特征在于该装置由一组沿飞秒脉冲入射方向、平行依次放置的多个周期相同的高密度透射式光栅(Gl，G2，…Gn)构成，其中η为正整数，该光栅组的(G1,G2,…Gn)的每个光栅垂直于所述的飞秒激光入射方向，依次间隔为L1、L2、…、 Ln-Ι，该光栅组(G1，G2，…Gn)固定在调节装置(S)上，该调节装置具有控制所述光栅沿入射脉冲纵向移动和垂直于入射脉冲横向移动的精密微调机构。
2.根据权利要求I所述的飞秒脉冲整形装置，其特征在于所述的光栅一组(G1，G2，… Gn)的深度的取值范围为O. 2 μ m < h < I. 8 μ m。
3.根据权利要求I所述的飞秒脉冲整形装置，其特征在于所述的光栅组(Gl，G2，… Gn)的周期 d = I. 368 μ m。
4.根据权利要求I所述的飞秒脉冲整形装置，其特征在于所述的光栅组的光栅之间的间距L“i = 1,2, ...，n-l)的取值范围为O < Li < 2_。
全文摘要
一种飞秒脉冲整形装置，由一组沿飞秒脉冲入射方向、平行依次放置的多个周期相同的高密度透射式光栅构成，该光栅组的的每个光栅垂直于所述的飞秒激光入射方向，依次间隔为L1、L2、…、Ln-1，该光栅组固定在调节装置上，该调节装置具有控制所述光栅沿入射脉冲纵向移动和垂直于入射脉冲横向移动的精密微调机构。本发明和以往装置比较，具有结构紧凑、简单，易集成化，便于调节，输出光无角色散等优点，在微加工领域、量子动力学控制及生物医学等领域有非常广阔的应用前景。
文档编号G02B27/44GK102608763SQ201110436129
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者周倩, 周常河, 曹红超, 王少卿, 贾伟, 麻健勇 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所