多對光柵平行的調節方法

2023-06-17 09:39:31

專利名稱：多對光柵平行的調節方法
技術領域：
本發明涉及飛秒雷射脈衝壓縮，特別是一種適用於飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的多對光柵平行的調節方法。
背景技術：
近年來啁啾脈衝放大技術的發展為人類成功地提供了脈衝寬度在飛秒量級(10-15s)、峰值功率達太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)量級的超強雷射脈衝，其聚焦後的超高強度(1018W/cm2)在諸如電子加速等領域內具非常廣泛的應用。啁啾脈衝放大技術的基本思想是在放大前通過展寬器引入正色散，使脈衝的不同頻率成分以不同的速度傳輸，從而在時域將飛秒量級的超短脈衝展寬成數百皮秒(10-12s)甚至納秒(10-9s)量級的啁啾脈衝，經逐級放大後再用壓縮器補償展寬和放大過程中的正色散，從而獲得超高功率，超短脈衝的輸出。
光柵對最適合提供負色散，所以在啁啾脈衝放大系統中一般使用光柵對進行脈衝壓縮。平行光柵對壓縮器是由E.B.Treacy於1969年提出的[E.B.Treacy，IEEE J.Quantum Electron.QE-5，454(1969)]。其結構如圖1所示，由兩個平行設置的光柵1、2及一個反射鏡3組成。種子脈衝入射至光柵1，經其衍射後至光柵2，在與入射光平行方向出射，至反射鏡3後沿原路返回。在大功率啁啾脈衝放大系統中，由於能量高，光斑大，再加上製造大塊光柵成本過高，因此將使用兩對甚至多對光柵組成的壓縮器[M.Aoyama，OpticsLetters.28(17)，1594(2003)]。其結構如圖2所示，由兩兩平行的光柵4、5、6、7組成。種子脈衝入射至光柵4，經其衍射後至光柵5，在與入射光平行方向出射，入射至光柵6，經其衍射至光柵7後輸出。
在先技術中，人們是藉助一臺準直光源10和一塊平板玻璃12來調節單對光柵平行，應用這種方法很難在保證精度的條件下調節這種多對光柵壓縮器。以調節四光柵壓縮器為例，具體說明如下第一步，如圖3，種子脈衝經由小孔8、小孔9射入壓縮器，安裝並調節光柵4，使得種子脈衝經光柵4反射返回小孔9；第二步，如圖4，旋轉光柵4，使得種子脈衝按事先設計的入射角度入射至光柵4；第三步，如圖5，安裝並調節準直光源10，使得準直光源10發出的光經光柵4反射之後返回第一基準小孔11，即調節準直光源10發出的光與光柵4垂直；第四步，如圖6，在準直光源10和光柵4之間插入平板玻璃12，調節平板玻璃12使準直光源10發出的光經平板玻璃12反射之後返回第一基準小孔11，即調節平板玻璃12與準直光源10發出的光垂直；第五步，如圖7，將準直光源10和第一基準小孔11移到平板玻璃12和光柵4之間，調節準直光源10，使準直光源10發出的光經平板玻璃12反射之後返回第一基準小孔11，即調節準直光源10發出的光與平板玻璃12垂直；第六步，如圖8，平移平板玻璃12，使平板玻璃12的位置與原位置相比更靠近光柵5，調節平板玻璃12，使準直光源10發出的光經平板玻璃12反射之後返回第一基準小孔11，即調節平板玻璃12與準直光源10發出的光垂直；第七步，如圖9，平移準直光源10和第一基準小孔11，使準直光源10的位置與原位置相比更靠近光柵5，調節準直光源10，使得準直光源10發出的光經平板玻璃12反射之後返回第一基準小孔11，即調節準直光源10發出的光與平板玻璃12垂直；第八步，如圖10，卸下平板玻璃12，安裝上光柵5，調節光柵5使得準直光源(10)發出的光經光柵5反射之後返回第一基準小孔11，即調節光柵5與準直光源10發出的光垂直。至此，我們認為光柵4與光柵5平行；第九步，如圖11，安裝光柵6，在光柵5和光柵6之間放置小孔13，調節光柵6使得種子脈衝發出的光經光柵6反射後返回小孔13，根據壓縮器光柵的入射角旋轉光柵6至相應角度。第十步，如圖12，重複步驟三～步驟八，以光柵6為基準調節光柵7與光柵6平行，至此，我們認為已經調整好了四光柵壓縮器。值得說明的是，本方法對平板玻璃12兩個表面的平行度有嚴格要求，需要兩個表面嚴格平行。
這個方法的缺點是第一，它只適用於光柵對間沒有在空間上錯開或者錯開距離較小的情況。當兩個光柵錯開距離較大的時候，必須重複步驟六和步驟七多次。這樣由於誤差積累，將使得光柵對的平行度受到很大影響，嚴重影響壓縮脈衝的寬度並引入空間啁啾；第二，應用該方法調節四光柵壓縮器，四個光柵的調節不是獨立進行，而是每一個光柵的調節都以前一個光柵作為基準，由於誤差積累，將使得壓縮器的整體精度進一步降低，當光柵對個數加大時，調整誤差將進一步增大。

發明內容
本發明為了克服在先技術的局限性，提供一種適用於飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的多對光柵平行的調節方法，該方法操作簡單，精度高，不受光柵對錯開距離限制。
本發明的技術解決方案如下一種適用於飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的多對光柵平行的調節方法，該方法包括如下步驟①準備工具準直光源，第一基準小孔、第二基準小孔，直角稜鏡以及安裝該直角稜鏡的二維調整平臺，第一基準小孔放置在所述的準直光源的前方，或者直接固定在所述的準直光源的出口處，第二基準小孔的高度要求與準直光源的出射光的高度嚴格一致；②調節準直光源的出射光方向與飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的入射種子脈衝光方向平行；③以準直光源的出射光為基準，根據理論計算將多對待調整平行的光柵對的光柵面基本平行於所述的準直光源的出射光束擺放，並依準直光源的出射光由近至遠命名為第一光柵、第二光柵、第三光柵、第四光柵……；④在準直光源出射光的光路上插入所述的直角稜鏡，使直角稜鏡的出射光射中第一光柵，調節該直角稜鏡使準直光源發出的光經直角稜鏡的直角面反射之後返回第一基準小孔，同時還需要保證直角稜鏡的出射光高度與第二基準小孔的高度一致，之後調整第一光柵，使準直光源發出的光經第一光柵反射之後，經第二基準小孔、直角稜鏡返回第一基準小孔，這時第一光柵的光柵面嚴格平行於所述的準直光源的出射光；
⑤沿準直光源出射光方向移動所述的直角稜鏡，使得直角稜鏡的出射光射中第二光柵，調節直角稜鏡使準直光源發出的光經直角稜鏡的直角面反射之後返回第一基準小孔，同時還需要保證直角稜鏡的出射光高度與第二基準小孔的高度一致，之後調整第二光柵，使準直光源發出的光經第二光柵反射之後經第二基準小孔、直角稜鏡返回第一基準小孔，這時第二光柵的光柵面嚴格平行於所述的準直光源的出射光；⑥重複第⑤步的方法，依次用所述的直角稜鏡分別調整其餘各個光柵的光柵面與所述的準直光源的出射光嚴格平行；⑦根據飛秒雷射光柵脈衝壓縮器各光柵的入射角，將各個光柵旋轉相應的角度。
在本發明中第一基準小孔的功能是便於觀察準直光源發出的光是否沿原光路返回，第二基準小孔的功能是確保直角稜鏡的出射光高度與準直光源的出射光高度一致，直角稜鏡的功能是將準直光源的出射光旋轉90°，使得無需移動準直光源即可分別校對多個光柵，避免了誤差積累。並且由於直角稜鏡可以沿著準直光源的出射光的方向無限遠移動，本方法的優點是被調節的光柵對不受光柵對錯開距離大小的限制，並且可以同時調整多對光柵平行。
至此，我們調整好了兩兩平行的多對光柵壓縮器。需要說明的是，本方法的調節精度只與安裝光柵的旋轉平臺的調整精度有關。通常我們安裝光柵的旋轉平臺的調整精度是1′，我們認為由旋轉平臺帶來的誤差對整個壓縮器性能的影響是在誤差允許範圍之內的。
與先技術相比，本發明具有以下顯著特點1、本發明操作簡單，精度高。
2、本發明通過使用直角稜鏡，可以確保在調節任意多對光柵平行和任意光柵對錯開距離的情況下具有同樣的調節精度。
3本發明所使用的器件都是實驗室的常用器件，容易獲得，無需特意製備。


圖1單光柵對壓縮器結構簡2四光柵壓縮器結構簡3～圖12應用經典方法調節四光柵壓縮器的步驟示意13～圖21為本發明多對光柵的調節方法的實施例——四光柵壓縮器調節步驟示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖13～圖21，我們以調節四光柵壓縮系統為例，說明本方法的具體實施過程，包括如下步驟①準備工具準直光源10，第一基準小孔11、第二基準小孔15，直角稜鏡14以及安裝該直角稜鏡的二維調整平臺，將第一基準小孔11放置在所述的準直光源10的前方，或者直接固定在所述的準直光源10的出口處，如圖14所示，第二基準小孔15的高度要求與準直光源10的出射光的高度嚴格一致；②調節準直光源10的出射光方向與待調整的飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的入射種子脈衝光方向平行，如圖13、14所示；③以準直光源10的出射光為基準，根據理論計算將多對待調整平行的光柵對的光柵面基本平行於所述的準直光源10的出射光束擺放，並依準直光源10的出射光由近至遠命名為第一光柵5、第二光柵4、第三光柵7、第四光柵6，如圖15所示；④如圖16所示，在準直光源10出射光的光路上插入所述的直角稜鏡14，使直角稜鏡14的出射光射中第一光柵5，調節該直角稜鏡14使準直光源10發出的光經直角稜鏡14的直角面反射之後返回第一基準小孔11，同時還需要保證直角稜鏡14的出射光高度與第二基準小孔15的高度一致，之後調整第一光柵5，使準直光源10發出的光經第一光柵5反射之後，經第二基準小孔15、直角稜鏡14返回第一基準小孔11，這時第一光柵5的光柵面嚴格平行於所述的準直光源10的出射光；⑤如圖17所示，沿準直光源10出射光方向移動所述的直角稜鏡14，使得直角稜鏡14的出射光射中第二光柵4，調節直角稜鏡14使準直光源10發出的光經直角稜鏡14的直角面反射之後返回第一基準小孔11，同時還需要保證直角稜鏡14的出射光高度與第二基準小孔15的高度一致，之後調整第二光柵4，使準直光源10發出的光經第二光柵4反射之後，經第二基準小孔15、直角稜鏡14返回第一基準小孔11，這時第二光柵4的光柵面嚴格平行於所述的準直光源10的出射光；⑥重複第⑤步的方法，依次用所述的直角稜鏡14分別調整其餘第三光柵、第四光柵的光柵面與所述的準直光源10的出射光嚴格平行，如圖18、圖19所示，；⑦根據飛秒雷射光柵脈衝壓縮器各光柵的入射角，將各個光柵旋轉相應的角度，如圖20所示調整為圖2所示，即完成飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的四光柵壓縮系統的2對光柵平行的調節。
權利要求
1.一種適用於飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的多對光柵平行的調節方法，其特徵在於該方法的步驟如下①準備工具準直光源(10)，第一基準小孔(11)、第二基準小孔(15)，直角稜鏡(14)以及安裝該直角稜鏡的二維調整平臺，第一基準小孔(11)放置在所述的準直光源(10)的前方，或者直接固定在所述的準直光源(10)的出口處，第二基準小孔(15)的高度要求與準直光源(10)的出射光的高度嚴格一致；②調節準直光源(10)的出射光方向與入射種子脈衝光方向平行；③以準直光源(10)的出射光為基準，根據理論計算將多對待調整平行的光柵對的光柵面基本平行於所述的準直光源(10)的出射光束擺放，並依準直光源(10)的出射光由近至遠命名為第一光柵、第二光柵、第三光柵、第四光柵……；④在準直光源(10)出射光的光路上插入所述的直角稜鏡(14)，使直角稜鏡(14)的出射光射中第一光柵(5)，調節該直角稜鏡(14)使準直光源(10)發出的光經直角稜鏡(14)的直角面反射之後返回第一基準小孔(11)，同時還需要保證直角稜鏡(14)的出射光高度與第二基準小孔(15)的高度一致，之後調整第一光柵(5)，使準直光源(10)發出的光經第一光柵(5)反射之後，經第二基準小孔(15)、直角稜鏡(14)返回第一基準小孔(11)，這時第一光柵(5)的光柵面嚴格平行於所述的準直光源(10)的出射光；⑤沿準直光源(10)出射光方向移動所述的直角稜鏡(14)，使得直角稜鏡(14)的出射光射中第二光柵(4)，調節直角稜鏡(14)使準直光源(10)發出的光經直角稜鏡(14)的直角面反射之後返回第一基準小孔(11)，同時還需要保證直角稜鏡(14)的出射光高度與第二基準小孔(15)的高度一致，之後調整第二光柵(4)，使準直光源(10)發出的光經第二光柵(4)反射之後經第二基準小孔(15)、直角稜鏡(14)返回第一基準小孔(11)，這時第二光柵(4)的光柵面嚴格平行於所述的準直光源(10)的出射光；⑥重複第⑤步的方法，依次用所述的直角稜鏡(14)分別調整其餘各個光柵的光柵面與所述的準直光源(10)的出射光嚴格平行；⑦根據飛秒雷射光柵脈衝壓縮器各光柵的入射角，將各個光柵旋轉相應的角度。
全文摘要
一種適用於飛秒雷射光柵脈衝壓縮器的多對光柵平行的調節方法，包括如下步驟準備工具；調節準直光源的出射光方向與入射種子脈衝光方向平行；根據理論計算位置將光柵對的光柵面基本平行於所述的準直光源的出射光束擺放；在準直光源出射光的光路上插入所述的直角稜鏡，依次調整各光柵嚴格平行於所述的準直光源的出射光；根據飛秒雷射光柵脈衝壓縮器各光柵的入射角，將各個光柵旋轉相應的角度。本發明方法具有操作簡單，精度高，不受光柵對數及其錯開距離的限制。
文檔編號G02F1/35GK1920654SQ20061002950
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月28日 優先權日2006年7月28日
發明者李闖, 陸效明, 王乘, 梁曉燕, 冷雨欣, 李儒新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所