一种相位型布喇格光栅空间滤波器

摘要

一种相位型布喇格光栅空间滤波器。用1片光栅和1个补偿器组成一个光栅补偿器组件，用两个上述组件I号和II号组成滤波装置：其中I号组件位于装置的左下角，II号组件位于装置的右上角；在I号组件内部，沿水平方向从左往右放置补偿器[L1]和光栅[G1]；在II号组件内部，沿水平方向从左往右放置光栅[G2]和补偿器[L2]；激光光束入射方向分别满足两个光栅的布喇格衍射条件，实现低通空间滤波。本发明的特点是：激光光束在装置内不聚焦，在抗强光损伤的性能方面，优于装置内存在聚焦点的针孔型滤波装置；当输入超短脉冲时，滤波器输出光束具有1毫弧度量级的角度选择性，且波阵面相对于入射波阵面无明显倾斜。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光脉冲的衍射型低通空间滤波装置；尤其是一种相位型布喇格光栅空间滤波器。

背景技术

空间滤波器是改善光束质量的重要器件之一。针孔型空间滤波器在激光器中的首次应用，可追朔到上世纪六十年代，至今已经沿用了五十多年。现已建成的大型激光系统，例如中国的神光系统以及美国的国家点火装置（NIF），都使用针孔型空间滤波器。但是，随着激光器输出能量密度从10J/cm² 量级向100J/cm²量级增大，针孔型空间滤波器的缺点成为提升激光器输出功率的主要障碍之一。

例如，“光束聚焦”是针孔滤波技术的基本特征。激光束的焦斑在针孔附近产生等离子体堵孔效应；与此同时，因针孔直径小（约100微米～10毫米量级），强激光的功率密度大于50 GW/cm²，其旁瓣易于烧蚀（烧毁）针孔板材料。为了克服针孔型空间滤波器“等离子体堵孔”的缺点，先前技术提出了以下两种可能的解决方案：

方案A：专利CN201110393826.5采取增大焦斑面积的方法，抑止等离子体堵孔现象。该方法基于“双焦距”透镜的傅里叶变换作用，用两个空间上分离的椭圆形（或狭缝）光阑实现空间滤波。理论上，所用的椭圆形光阑的通光面积，相对于传统滤波器中圆形（针孔）光阑通光面积扩大 3 ～ 10倍。

方案B：专利CN200910312157.7 提出一种“衍射型空间滤波器”，利用体积光栅的衍射作用实现空间低通滤波。其特点是：光路中无透镜、无针孔（激光束在装置内部不聚焦），从而避免了等离子体堵孔效应对激光器的不利影响。以下是实施方案B的三个例子：

论文“透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波”分析了衍射滤波理论（《光学学报》2009年第4期863-868页）；论文“Two-dimensional non-spatial filtering based on holographic Bragg gratings”报道了二维滤波实验装置（《中国物理B，英文版》2010年第7期327-332页）；论文“Spatial Filter with Volume Gratings for High-peak-power Multistage Laser Amplifiers”报道了体积光栅滤波器在多段激光放大器中的应用（SPIE , Vol.7789, Aug/16/2010）。

综上所述，方案A在沿用传统滤波原理的基础上改进其结构，用“双光阑”椭圆孔滤波装置，替代“单光阑”针孔滤波装置。方案B放弃了透镜傅里叶变换滤波原理，用衍射光栅替代传统的“透镜－针孔”结构。以上两种新技术的优点和局限性并存。例如，方案A输出光束质量好、波阵面无倾斜，但双焦斑滤波装置的轴向长度较大，不适合安装在体积受限制的场地。方案B的结构紧凑，所需安装空间仅为传统针孔滤波器的1/10（或更小），但输出光束存在波阵面倾斜现象，且准直度下降（输出光束的发散角随激光频谱宽度的增大而变大）。

本发明提出第三种滤波技术（方案C）――采用“棱镜－光栅”组合，补偿体积光栅引起的色散和波前倾斜。使得方案C兼有“衍射型滤波器”和“针孔型滤波器”二者的优点：不仅激光束不形成聚焦点，而且输出光束的“波阵面无倾斜、输出发散角不随频谱宽度增大而变大。

方案B和方案C所述的波阵面倾斜以及发散角变化等现象，与体积光栅的色散有关。常用的色散补偿方法是，用一对棱镜（或光栅）使正、负色散相抵消。例如，在先技术CN201210162349.6提出了一种“飞秒脉冲色散补偿装置”，用两块等腰直角棱镜与两块面光栅的组合，形成补偿光路。该装置适用于啁啾脉冲的展宽和压缩，没有针对激光束空间滤波的需求实施补偿。

发明内容

本发明的目的，是提供一种具有色散补偿功能的衍射型空间滤波装置。

采用的技术方案是：用1片光栅和1个补偿器组成一个光栅补偿器组件，用两个所述组件组成滤波装置：其中，I号组件位于装置的左下角，II号组件位于装置的右上角，两个组件之间的间隔可微调；在I号组件内部，沿水平方向从左往右放置补偿器L1和光栅G1；在II号组件内部，沿水平方向从左往右放置光栅G2和补偿器L2、或者光栅G2放置在补偿器L2右侧；激光脉冲从I号组件左侧入射，从II号组件的右侧出射，光束入射方向分别满足两个光栅的布喇格衍射条件，实现低通空间滤波。

采用的光学器件的特征是：在两个“光栅补偿器”组件中，两片光栅是外形及性能指标相同的相位型体积光栅，用片状全息记录材料制成，其折射率呈周期性分布、且栅纹面是一组等间隔平面；光栅G1的衍射光路呈V形折线，光栅G2的衍射光路呈Λ形折线，具有纠正输出光束波阵面倾斜的作用；两光栅的有效透光截面均为长方形或者椭圆形，衍射效率不小于90％。 

两个补偿器是外形及性能指标相同的棱镜或楔形平板，用透明材料制成；以补偿器L1为正立基准，补偿器L2处于倒立状态；通过调整补偿器的顶角、折射率和入射角参数，使得补偿器产生的折射光束具有负色散偏移量，能够抵消光栅中衍射光束的正色散偏移量；从而，滤波输出光束的准直度相对于入射光束无明显变化、波阵面相对于入射波阵面无明显倾斜。

本发明的技术效果如下： 

(1) 基于光栅衍射效应实现低通空间滤波，光束在装置内不聚焦。使得衍射型滤波装置的抗强光损伤的性能，优于装置内存在聚焦点的针孔型滤波装置；

(2) 当输入激光是准直光束时，滤波后的输出光束也是准直光束，且输出方向和输入方向平行（从而，滤波器插入激光系统时，不改变原系统的光轴的取向）；当输入激光是超短脉冲时（例如脉宽≦100飞秒、频谱带宽≧10纳米），滤波器输出光束具有1毫弧度量级的角度选择性和良好的光束质量。

附图说明

图1 双光栅（带补偿器）空间滤波装置示意图；

图2 滤波装置第一种布局示意图；

图3 滤波装置第二种布局示意图；

图4 二维空间滤波装置示意图；

图5 在ZOY平面内实现低通空间滤波的装置（F1）示意图；

图6 在XOY平面内实现低通空间滤波的装置（F2）示意图；

图7 衍射型滤波器的角谱选择性与波长选择性；

图8 双光栅（无补偿元件）空间滤波光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对装置做进一步说明，但不应以此限定本发明的保护范围。

实施例1：光栅和补偿器

参见图1，光栅（G1）、（G2）是相位型体积光栅（又名厚全息光栅），用全息记录材料制成，例如，光热折变玻璃透射波长1600 ~ 350nm。材料折射率呈周期性分布，栅纹面是平面、且与水平面平行。外形尺寸15 mm Χ 15 mm 至500 mm Χ 500 mm，光栅厚度d约为1 ~ 3mm。

设激光沿布喇格角Ψ_b入射时，体积光栅内实现一维空间滤波，衍射方程为

                                          （1）                 

式(1)中，m＝1是衍射阶次，λ₀为激光中心波长，其它光栅参数如下：材料平均折射率n：1.48，折射率调制度Δn ～ 2.6（×10^-3）；光栅周期Λ：0.37 ～ 0.45μm    ；布喇格衍射角Ψb：3 ～ 60 deg。

补偿器（L1）、（L2）是棱镜或楔形平板，用透明材料制成；图2中，光束入射角为α _in、折射角为β。棱镜角色散量定义为 ， 其中                          

                                              （2）

式(2)中，对于选定的材料，色散是已知常数。例如，石英折射率1.456，≈ 0.27。棱镜顶角θ ≈ 3 ～45度。光束经棱镜折射后进入光栅，对光栅的入射角为δ = β+ θ。在实施例中，我们通过改变棱镜顶角θ、折射率n以及入射角α _in，获得所需的棱镜色散偏移量。

实施例2：低通空间滤波装置

滤波装置由两个“光栅补偿器”组件组成，共使用两片相同的光栅和两个相同的补偿器：

第一种布局：参见图1和图2，I号组件位于装置的左下部，补偿器（L1）安放在光栅（G1）左侧；II号组件位于装置的右上部，补偿器（L2）安放在光栅（G2）右侧。

滤波过程：激光从装置左侧输入，沿折线路径（1）→（2）→（3）顺次透过I号组件和II号组件，从装置右侧输出。图1中，光束出射角α _out  ≈ 光束入射角α _in。

第二种布局：参见图3，它的I号组件和第一种布局相同。II号组件的内部，光栅（G2）安放在补偿器（L2）右侧。以上两种布局的滤波效果相近。

实施例3：二维空间滤波装置

参见图4，用反射镜（M₀）把两台滤波器（F1）、（F2）串联，实现二维空间滤波。

图5表示第一台装置（F1）在ZOY平面内滤波，入射激光（Laser-in）从左侧输入。偏振器（P1-a）使入射光的偏振方向与铅直面垂直、以利提高光栅的衍射效率。根据公式（1），光栅（G1-a）、（G2-a）对于沿布喇格角Ψ_b的角谱分量（1a）、（2a）、（3a）的衍射效率η大于90％，与此同时滤除偏离布喇格角的角谱分量（1t）、（2t）。

角谱选择性Δα（度）波长选择性Δλ （纳米）是空间滤波器的主要技术指标之一，典型参数如图7所示：输入波长1064nm，光栅空间频率（1/Λ）700 mm -1，光栅厚度0.9mm，角谱选择性Δα约为 ～2毫弧度。当输入超短脉冲时，体积光栅对激光的频谱宽度有限制作用。波长选择性约为Δλ ～ 8nm (衍射效率≧1/e²中心波长η)。

第二台装置（F2）的入射面位于XOY平面，经二维滤波的输出光束为（Laser-out）。图6的滤波过程与图5相似，我们用下标a、b区分二者的差异。

补偿原理和调节方法

图8是不含补偿器的双光栅滤波装置，脉冲激光从左侧入射，波长分量λ 和（λ + Δλ）在光栅（G1）中的传播路径不同。经单次衍射后，光束沿折线（1c）、（2c）、（1c`）、（2c`）传播到折线（4c）、（5c）、（4c`）、（5c`），偏转角Ψ1 ≠ Ψ2，与之对应的光波存在“波阵面倾斜”。

“光栅对”是本发明补偿波阵面倾斜的基本方法：光栅（G1）、（G2）两次衍射，光路分别呈V形和Λ形，微调两个组件之间的间隔（D），可使折线（2c）、3c）、（2c`）、（3c`）和折线（5c）、6c）、（5c`）、（6c`）对应的波阵面的取向一致，但不同波长分量之间存在“相位延迟（Delay）。

  图2是带补偿器的双光栅滤波装置，具有消除“相位延迟（Delay）的功能。解释如下：

假设入射超短脉冲含有λ 和（λ + Δλ）两种波长分量，在I号组件的内部，棱镜（L1）的色散作用使得两种波长分量在空间分离、以不同的输入角进入光栅（G1）。其结果是衍射光束中的不同波长分量（2）、（5）以及（3）、（6）的出射方向相互平行。光栅衍射过程可表示为：

， Δλ≈0 ～15nm           （3）                                              

式(3)中，衍射阶次m = 1, 光栅（G1）的入射角为δ = β+ θ、衍射（出射）角为Ψ。

“棱镜对”是本发明补偿色散的基本方法：棱镜（L1）在水平面正立，棱镜（L2）相对于水平面倒立。两补偿器的有效透光截面相等、且不小于光栅的透光截面。

调节棱镜顶角θ、折射率n和入射角α_in，使得公式（2）中的棱镜出射角β随入射波长成份而变化，此变化量(换算成δ )对应于光栅入射角的变化量，且与的取值近似相等、正负相消。以这种方式，我们控制公式（3）中入射角δ随波长（λ + Δλ）而变。从而光栅出射角Ψ不随波长（λ + Δλ）而变。

II号组件中的物理过程与I号组件中的上述过程类似。通过两个组件的折射-衍射补偿之后，装置右侧的输出光束（3）、（6）与左侧输入光束（1）、（4）在方向上保持平行。