飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角度色散补偿方法

摘要

一种飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角度色散补偿方法，其步骤如下：1.根据分束个数的需要，挑选一片达曼光栅分束飞秒激光脉冲，保证光束垂直入射；分束后的第m衍射级次的衍射光束经过一块平行放置的、空间周期是达曼光栅空间周期的m分之一的补偿光栅，消除了该衍射级次上各个频谱成分的不同衍射角差别；2.补偿光栅与达曼光栅的垂向距离应能保证各衍射级次光束能够彻底分离；3.重复步骤2，补偿分束后的所有衍射光束。该方法消除了分束后各光束的角色散，使成像光斑的形状复原；在100fs左右范围内，其脉冲宽度和光束形状可大致保持不变。

说明书

技术领域：

本发明涉及飞秒激光，特别是一种飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角度色散补偿方法。

背景技术：

达曼光栅是一种将入射的单色光分束成等光强、等空间距离阵列的，根据空间位相变换点位置调制的二值位相光栅(参见在先技术【1、2】Opt.Commun.3，H.Dammann，312-315(1971)；Opt.Acta 24，H.Dammann，505-515(1977))。这种光栅的制作将大规模集成电路工艺引入光学领域，为微光学的发展奠定了基础。偶数点阵达曼光栅的出现(参见在先技术【3】J.Opt.Soc.Am.A 9(3)，R.L.Morrison，464-471(1992))，可以去除零级衍射光，这样有利于使用反射式光栅。

飞秒激光具有高峰值功率、超短脉冲持续时间的特性。在物理、化学、生物等领域都具有广泛的研究与应用价值。例如在微细加工中，实验表明通过控制脉冲中心很小区域的能量超过烧蚀阈值，可得到比焦点还小的特征结构(参见在先技术【4】Opt.Commun.113，P.P.Pronko，106-110(1995))。对各种材料的微加工进展实验，已证实这是一种优秀的微加工光源(参见在先技术【5】RIKEN Review 50，Nadeem H.Rizvi，107-112(2003))。这使得对飞秒光束进行分束以实现多点同时加工的需要成为可能(参见在先技术【6】Opt.lett.27(11)，Jun Amako，969-971(2002))。而在脉冲测量等技术中(参见在先技术【7】Rev.Sci.Instrum.68(9)，Rick Trebino，3277-3295(1997))需要将飞秒光分束。通常用半透半反镜对飞秒激光分束，不可避免地引入材料色散，使两束光不完全相同。

对飞秒激光脉冲分束时，采用微光学领域的达曼光栅。它的衍射角度和色散能力和普通光栅一样，均由光栅周期所决定。飞秒激光完全可以被达曼光栅分束，但问题是飞秒激光是多谱的，飞秒光脉冲经达曼光栅衍射后不同频率的光波在一个衍射级次里各自的衍射角不同；同一频率的光波在不同衍射级次的衍射角也不同。这样分束后的各条光束经透镜聚焦后的成像光斑形状，会因为最初光栅分束时的角色散而最终导致畸变。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角度色散补偿方法，该方法消除了分束后的各光束的角色散，使成像光斑的形状复原；在100fs左右范围内，其脉冲宽度和光束形状可大致保持不变。

本发明的核心是将达曼光栅分束后的第m(m＝±1，±3±5......)衍射级次光束，再经过一块平行放置的、光栅线密度是达曼光栅m倍的光栅进行准直，用以补偿达曼光栅引入的光束空间角色散；对于分束后的不同m衍射级次使用相应的m倍光栅密度的光栅进行角色散补偿，可得到无空间角色散的平行输出的光阵列。

本发明的技术解决方案：

一种飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角度色散补偿方法，其步骤如下：

1.根据分束个数的需要，挑选一片达曼光栅分束飞秒激光脉冲。保证光束垂直入射。

2.分束后的第m衍射级次的衍射光束经过一块平行放置的、空间周期是达曼光栅空间周期的m分之一的补偿光栅，消除了该衍射级次上各个频谱成分的不同衍射角差别。补偿光栅与达曼光栅的垂向距离应能保证各衍射级次光束能够彻底分离。

3.重复步骤2，补偿分束后的所有衍射光束。

可以采用反射式或透射式多台阶位相光栅，反射式或透视式闪耀光栅作为补偿光栅，以保证光能效率。

如图1所示，1是入射的飞秒激光脉冲束；2是分束用的达曼光栅；3是用于补偿达曼光栅分束的第m衍射级次光束角色散的补偿光栅(3’、3”也是补偿光栅)；4是经过角色散补偿后的第m级次出射飞秒光束。

下面对本发明提出的达曼光栅分束和色散补偿方法作完整的分析。

经达曼光栅分束后的飞秒激光束，在同一衍射级次m中不同波长成分的光波因为衍射角的不同而造成各波长成分经透镜会聚后会聚中心分离，如图2所示，5是透镜；6是聚焦表面。根据光栅方程

d[sinγ+sin(γ-θ)]＝mλ  (1)

γ是入射角(垂直入射γ＝0)；θ是入射光与衍射光的夹角；d是光栅的空间周期；λ是飞秒光的中心波长；m为衍射级次。由(1)可知第m级衍射光束中不同波长成分，如λ₁、λ_N(λ₁＜λ_N)的衍射角(γ-θ)不同，故而经透镜聚焦后在焦平面上不同波长光波的会聚中心会产生纵向分离Δy，也就是垂向色散。

因为θ是极小的角度，由(1)可得近似，

$>>\theta >=>>m\lambda >d>>->->->>(>2>)>>>s>$

色散造成在焦平面上的垂向误差Δy，可以由下式计算：

Δy＝f·θ_λN-f·θ_λ1  (3)

所以只要消除了同一衍射级次不同波长的衍射角差别(θ_λN＝θ_λ1)就可以消除会聚中心不重合的问题，垂向色散Δy也就消除了。

要消除角色散，必须通过选取特定的光栅空间周期，使补偿光栅的第1衍射级次光栅方程完全等价于达曼光栅的第m衍射级次光栅方程，即实现光栅对的作用；要使这种消除角色散的方法具有实用性，必须使衍射输出的激光脉冲能量主要集中在补偿光栅的第1衍射级次上，使输出光能量效率高。例如，采用反射式(或透射式)多台阶位相光栅，或者反射式(或透视式)闪耀光栅。

下面通过同一的几何光学方法证明这两种光栅均可实现补偿角色散的作用。

如图3所示，补偿用的光栅与达曼光栅平行放置；用于补偿第m衍射级次光束的补偿光栅的空间周期d_c是达曼光栅空间周期d的m分之一

$>{}_{}$

现在要证明|θ₁|＝θ₂，即输入光束平行于输出光束。γ是入射角；θ₁、θ₂均为入射光线与衍射光线的夹角。第一片光栅(达曼)光栅方程为

d(sinγ+sin(γ-θ₁))＝mλ  (5)；

第二片光栅(补偿)光栅方程为

d_c(sin(γ-θ₁)+sin(γ-θ₁-θ₂))＝λ  (6)；

飞秒光束对达曼光栅垂直入射，入射角γ＝0，联立(4)、(5)、(6)解得θ₁＝-θ₂(光线偏转方向相反，产生负号)。

注意到在光栅方程(5)、(6)中波长λ是任意的，对飞秒激光的光谱范围λ₁～λ_N均适用，也就证明了所有波长成分的输出光束与输入光束都是平行的，故所有的波长成分的输出光束均相互平行。

利用这样的光栅补偿达曼分束的第m衍射级次光束的角色散后，可得到准直的光束。再通过透镜聚焦，各个波长成分的聚焦中心重合，消除了垂向色散。如图1所示。证明了第m衍射级次的色散补偿后，每个衍射级次都可以用相同的方法进行补偿。

由于是对每个衍射级次分别进行补偿，所以用于分束的达曼光栅和补偿光栅必须有足够的间距，欲分离的衍射级次越高间距越大(参考图1)。在实验中用偶数达曼光栅分束，衍射级次为±1、3、5、7……，下面推导理论上的间距最小值：令飞秒光中心波长λ＝780nm，带宽Δλ＝10nm，光束直径D＝3mm，达曼光栅空间周期d＝100um，达曼光栅与补偿光栅距离为L。

第m、m+2衍射级次的中心间距为

$>>L>>(>>>m>+>2>>d>>\lambda >->>m>d>>\lambda >)>>->->->>(>7>)>>>s>$

第m与第m+2级次的光束半径之和为

$>>D>+>L>>>m>+>2>>>2>d>>>\Delta \lambda >+>L>>m>>2>d>>>\Delta \lambda >->->->>(>8>)>>>s>$

当(7)与(8)式相等时，两衍射级次光束正好完全分开。例如对于第五衍射级次m＝5，带入(7)、(8)中解得两光栅间距L＝200mm。即达曼光栅与补偿光栅的间距至少为200mm时，第5、7衍射级次的光束恰好分开。

分束补偿后出射光束的脉冲宽度是一个必须考虑的问题。如前所述，对分束补偿的每一路光束来说，分束补偿的过程等同于光束经过一个光栅对，而一个光栅对提供负群速色散(参见在先技术【8】IEEE J.QuantumElectron.QE-5(9)，E.B.Treacy，454-458(1969))。这样对于一个无啁啾的入射脉冲而言，光栅对会造成脉冲的展宽。我们采用Matiniz的分析结果，即利用基尔霍夫-菲涅耳积分求算光脉冲经过分束补偿后的脉冲宽度(参见在先技术【9】O.E.Martinez，“Grating and prismcompressors in the case of finite beam size，”J.Opt.Soc.Am.B.3(7)，929-934(1986))。

考虑空间上有限高斯光束尺寸，时间上无啁啾的高斯型入射光脉冲条件下，在Matiniz分析的基础上，我们加入了脉冲位相项对脉冲宽度的影响，得到出射脉冲的时间宽度为

$>>t>=>>>(>>\tau >2>>+>>>4>>\beta >2>>>L>2>>>>\sigma >2>>>)>>+>>>>(>2>k>>\beta >2>>L>)>>2>>>(>>\tau >2>>+>>>4>>\beta >2>>>L>2>>>>\sigma >2>>>)>>>>->->->>(>9>)>>>s>$

τ＝100fs是入射的无啁啾飞秒光的脉冲宽度； $>>\beta >=>->>>m\lambda >2>>>2>\pi >Cd>cos>\theta >>>,>>s>C是光速，d是达曼光栅的空间周期，\theta 是第m级次的衍射角；\sigma ＝1.5mm是高斯光束的光腰半径；k是波矢；L＝350mm是分束与补偿光栅的间距。第1、3、5、7衍射级次的补偿后出射脉冲的宽度如图4所示。可见经过分束补偿后的光脉冲随衍射级次m的增加而增大。但各级次的展宽量都很小，对脉冲形状的影响不大。其根本原因是分束所用的达曼光栅以及与之匹配的补偿光栅的空间周期很大(10线对/mm量级)，故分束补偿后的光脉冲时域上的展宽量在第7衍射级次时也不到5fs。$

从在先技术【9】的分析中可知，光脉冲经由一对光栅对衍射后，不可避免地会造成光束的空间频谱走离。该现象一方面会在时域上导致脉冲的展宽(前面的脉冲宽度计算已包含该影响)，另一方面在空域上会在垂直光栅条纹的方向上展宽光束直径，图1的实线、虚线可见。当光束再次通过同样的光栅对后，可以彻底消除该现象，但再次通过光栅对又将损失大量的光能。事实上，第m级次的出射光束直径为

$>>D>+>L>>m>d>>\Delta \lambda >->->->>(>10>)>>>s>$

可见出射光直径随衍射级次m的增加而增大，但增加量与入射光直径D本身相比很小

$>>L>>m>d>>\Delta \lambda >/>D>=>m>/>150>->->->>(>11>)>>>s>$

(L取前面计算得到的最小值200mm，其它参量同前)

当m＝7时，直径的增加量仅占入射光直径D的4.7％。所以空间频谱走离对出射光束直径的影响不大。

从光栅对对脉冲宽度和光束直径两者的展宽(9)、(10)可以发现，分束与补偿光栅之间的距离L越小，对分束补偿后光束的时空构形影响越小。所以在计算光栅对间距的公式(7)、(8)的基础上，实用中分束与补偿光栅的距离应尽可能小。

本发明的技术效果如下：

本发明将微光学领域中的成熟的达曼光栅分束技术与飞秒激光技术相结合，用达曼光栅和色散补偿光栅使入射的飞秒激光脉冲实现强度相等的分束阵列排布。经过对达曼光栅不同衍射级次光束的角色散补偿，消除了分束后的各光束的角色散，使成像光斑的形状复原；在100fs左右范围内，其脉冲宽度和光束形状可大致保持不变。本发明在飞秒光领域用途广泛，至少可以应用在以下方面：

1.在飞秒激光加工中，这种分束装置可以应用于对多个目标同时加工，提高加工效率。

2.在脉冲测量或泵浦-探测的研究中，采用达曼光栅也是一种分束飞秒激光的方案。利用反射式偶数达曼光栅分束的飞秒光与通常用半透半反镜分束的飞秒光相比，避免了材料色散。而且由于对应的正负衍射级次光束是完全对称的，可得到完全相同的两束飞秒光束。

附图说明：

图1.达曼光栅分束的飞秒激光束经补偿光栅的光路图。

图2.达曼光栅第m衍射级次光束经透镜聚焦后的衍射示意图。

图3.达曼光栅第m衍射级次经补偿光栅进行角色散补偿的示意图。

图4.达曼光栅分束后的各衍射级次光束经对应的补偿光栅补偿后各级次输出光脉冲的宽度。

图5.飞秒激光经达曼光栅分束后在自由空间传播的衍射结果。

图6.飞秒激光经达曼光栅分束后，第5衍射级次光束经透镜聚焦的结果。

具体实施方式：

实施方案例1

利用上述补偿原理，补偿1×8偶数型达曼光栅分束后的各条光束：

1.准备工作：

制作空间周期为d＝100um的1×8偶数型达曼光栅。达曼光栅一个周期(100um)位相变换点空间位置设计参数为(6.19，17.654，20.858，31.997，50，56.19，67.654，70.858，81.997，100)um；制作空间周期为100um、100/3um、100/5um、100/7um的补偿光栅(多台阶或闪耀光栅)。两类光栅均可制作为透射式或反射式。

采用中心波长780nm，带宽约10nm，脉冲重复率89MHz，脉冲宽度约100fs的飞秒激光束。

2.将飞秒激光束垂直入射1×8偶数型达曼光栅；

3.在距离达曼光栅350mm处，平行放置空间周期为100um、100/3um、100/5um、100/7um的补偿光栅，分别补偿达曼光栅分束的第±1、±3、±5、±7衍射级次。使各级次光束经过对应的补偿光栅，补偿分束光束的角色散，得到准直输出的光束。

根据公式(7、8)，350mm足以使每个衍射级次分离。

为证明该补偿方法的有效性，特别实验证明了1×8偶数型达曼光栅第5衍射级次的补偿效果，制作了用于补偿第5衍射级次的透射式空间周期d＝20um、展空比1∶1的二值位相光栅。实验步骤如下：

1.将飞秒激光束垂直入射达曼光栅，观察投影结果

将飞秒光束入射到达曼光栅上，在距离达曼约1.4m处平行放置白屏，CCD拍摄到4个亮光斑如图5(上)。从左至右依次为1、3、5、7衍射级次。远场衍射的结果表明，无补偿条件下随着光束衍射级次的变大，光斑在垂直光栅条纹的方向上被拉伸得越长。

2.放置补偿光栅补偿达曼光栅分束后的第5衍射级次光束

在距离达曼光栅350mm处平行放置补偿光栅，并使第5衍射级次通过该光栅。在白屏上拍摄到的经补偿的第5级次光斑如图5(下)。可见，补偿后的光束形状变圆。在实验中，无补偿条件下，白屏与达曼光栅的距离越远，光斑越呈椭圆形状；但经过补偿的第五衍射级次的光斑可以一直保持圆形。

3.比较在有无补偿光栅的条件下，第5衍射级次光束经透镜聚焦的光斑形状

将飞秒光束入射到达曼光栅上，在距离达曼光栅350mm处平行放置焦距f＝350mm的透镜，并使第5衍射级次透过透镜中心。在透镜后焦面上CCD拍摄到的第5衍射级次聚焦光点如图6(a)，第5衍射级次未经补偿光栅聚焦成为一个椭圆斑。

在距离达曼光栅350mm处平行放置补偿光栅，并使第5衍射级次光束通过。在补偿光栅后350mm处平行放置焦距f＝350mm的透镜，并使光束通过透镜中心。在透镜后焦面上CCD拍摄到的补偿后聚焦光点如图6(b)，第5衍射级次经补偿光栅后聚焦成为一个圆斑。

实验可见，通过补偿光栅消除了达曼光栅分束飞秒光后的光束角色散，矫正了聚焦光点的形状畸变；对各个级次光束分别使用对应的补偿光栅，就可以得到所需的消除空间角色散的光强相等的大规模光阵列。实验完全证明了本发明的正确性。即采用达曼光栅和色散补偿光栅完全可以实现飞秒激光的大规模等光强分束和角色散补偿。