一种脉冲压缩器及脉冲激光装置

摘要

本实用新型公开了一种脉冲压缩器及脉冲激光装置。脉冲压缩器包括偏振分束棱镜、体压缩光栅、四分之一波片和反射镜；待压缩光束从偏振分束棱镜的入射面入射至偏振分束棱镜内，从第一出射面出射后以第一入射角入射至体压缩光栅；体压缩光栅反射的光束依次经过四分之一波片透射、反射镜反射和四分之一波片透射后以第二入射角入射至体压缩光栅；体压缩光栅二次反射的光束从偏振分束棱镜的第一出射面入射至偏振分束棱镜内，从偏振分束棱镜的第二出射面出射。本实用新型的技术方案，通过体压缩光栅复用的方式，利用同一体压缩光栅实现两次脉冲压缩，提高体压缩光栅可弥补的色散量，以解决现有脉冲压缩器光路复杂、成本高、功率损耗大等缺点。

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种脉冲压缩器及脉冲激光装置。

背景技术

飞秒激光器以其极高的峰值功率、窄的脉冲宽度，在材料精细微加工、半导体行业、太阳能光伏、科学研究等领域得到了广泛的应用。

飞秒激光用于材料加工时，极短持续时间的光脉冲与物质相互作用，能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，材料热效应得到很好的控制，相对于纳秒和皮秒激光，采用飞秒激光加工材料，具有精度高、热影响区域小、加工边缘无毛刺等优点。飞秒脉冲峰值功率非常高，直接放大很容易引起放大器器件损坏，因此飞秒激光器通常采用脉冲啁啾放大技术(CPA)，即先利用展宽器将种子光脉冲展宽至几百皮秒甚至纳秒量级，然后输入放大器进行脉冲放大。放大器输出的脉冲再通过脉冲压缩器，将百皮秒输出脉冲压缩至飞秒量级输出。

但现有主流的脉冲压缩方案，普遍存在光路复杂、成本高、功率损耗大等缺点，不利于推广利用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种脉冲压缩器及脉冲激光装置，该脉冲压缩器通过体压缩光栅复用的方式，利用同一体压缩光栅实现两次脉冲压缩，提高体压缩光栅可弥补的色散量，以解决现有脉冲压缩器光路复杂、成本高、功率损耗大等缺点。

根据本实用新型的一方面，提供了一种脉冲压缩器，包括偏振分束棱镜、体压缩光栅、四分之一波片和反射镜；

待压缩光束从所述偏振分束棱镜的入射面入射至所述偏振分束棱镜内，从所述偏振分束棱镜的第一出射面出射后以第一入射角入射至所述体压缩光栅；

所述体压缩光栅反射的光束依次经过所述四分之一波片透射、所述反射镜反射和所述四分之一波片透射后以第二入射角入射至所述体压缩光栅；

所述体压缩光栅二次反射的光束从所述偏振分束棱镜的第一出射面入射至所述偏振分束棱镜内，从所述偏振分束棱镜的第二出射面出射。

可选的，所述体压缩光栅位于所述偏振分束棱镜的透射光路上，所述待压缩光束入射至所述偏振分束棱镜时发生透射，然后以所述第一入射角入射至所述体压缩光栅，所述体压缩光栅二次反射的光束入射至所述偏振分束棱镜时发生反射，从所述偏振分束棱镜的第二出射面出射；或者

所述体压缩光栅位于所述偏振分束棱镜的反射光路上，所述待压缩光束入射至所述偏振分束棱镜时发生反射，然后以所述第一入射角入射至所述体压缩光栅，所述体压缩光栅二次反射的光束入射至所述偏振分束棱镜时发生透射，从所述偏振分束棱镜的第二出射面出射。

可选的，还包括光放大器，所述光放大器位于所述偏振分束棱镜的入射面之前的光路上，所述光放大器用于将所述待压缩光束放大后传输至所述偏振分束棱镜。

可选的，所述光放大器包括半导体光放大器或光纤放大器。

可选的，还包括光隔离器，所述光隔离器位于所述偏振分束棱镜的入射面之前的光路上，所述光隔离器用于使所述待压缩光束单向传输。

可选的，所述偏振分束棱镜的入射面、第一出射面和第二出射面中的至少一个表面包括增透膜。

可选的，所述反射镜的反射面包括增反膜。

可选的，所述体压缩光栅包括啁啾体光栅。

可选的，所述第一入射角小于或等于1.72°，所述第二入射角小于或等于1.72°。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种脉冲激光装置，包括上述的脉冲压缩器。

本实用新型实施例的技术方案，包括偏振分束棱镜、体压缩光栅、四分之一波片和反射镜。待压缩光束从偏振分束棱镜的入射面入射至偏振分束棱镜内，其中待压缩光束为线偏振光束，从偏振分束棱镜的第一出射面出射后以第一入射角入射至体压缩光栅；体压缩光栅经过一次压缩并反射的光束经过四分之一波片透射后变为圆偏振光束，圆偏振光束经过反射镜反射后再次经过四分之一波片透射后变为偏振方向与初始偏振方向垂直的线偏振光束，再以第二入射角入射至体压缩光栅；体压缩光栅二次压缩并反射的光束从偏振分束棱镜的第一出射面入射至偏振分束棱镜内，从偏振分束棱镜的第二出射面出射。通过体压缩光栅复用的方式，利用同一体压缩光栅实现两次脉冲压缩，提高体压缩光栅可弥补的色散量，以解决现有脉冲压缩器光路复杂、成本高、功率损耗大等缺点。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种脉冲压缩器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种脉冲压缩器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的又一种脉冲压缩器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的又一种脉冲压缩器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现有的脉冲压缩技术，主要有以下几种主流方案：

1)基于经典treacy反射光栅对方案，该方案需要两块光栅，通过调节光栅对之间的距离，实现脉冲压缩功能，该方案缺点是：a)光栅衍射效率低(激光需要四次通过光栅)，压缩过程造成30％的功率损耗；b)因为要引入足够的色散，光栅对之间的距离会很大，因此会占用很大一部分空间，不利于小型化集成；c)光路调节复杂。

2)基于透射光栅对方案，同样要四次经过光栅，尽管单块光栅衍射效率>95％，但功率损耗也比较大(≈20％)，该方案同样存在占用空间大和光路调节复杂的问题。

3)基于体光栅压缩方案，该方案只用一个器件就可以完成高质量的脉冲压缩，相比于常规的光栅对压缩方案，占用空间极少，且光路无需严格准直；另外，体光栅压缩脉冲效率可以接近95％。该方案存在的问题是体光栅制作工艺难度大，成本很高，同时引入的色散量和带宽有限，当脉冲展宽较宽时，需要用多块体光栅补偿色散，成本和光路复杂度都变高。

为了解决上述问题，本实用新型实施例提出一种新型脉冲压缩器结构。图1为本实用新型实施例提供的一种脉冲压缩器的结构示意图。参考图1，该脉冲压缩器包括：偏振分束棱镜1、体压缩光栅2、四分之一波片3和反射镜4；待压缩光束a从偏振分束棱镜1的入射面11入射至偏振分束棱镜1内，从偏振分束棱镜1的第一出射面12出射后以第一入射角入射至体压缩光栅2；体压缩光栅2反射的光束依次经过四分之一波片3透射、反射镜5反射和四分之一波片3透射后以第二入射角入射至体压缩光栅2；体压缩光栅2二次反射的光束从偏振分束棱镜1的第一出射面12入射至偏振分束棱镜1内，从偏振分束棱镜1的第二出射面13出射。

其中，待压缩光束为线偏振光束，偏振分束棱镜1可以对入射的某一线偏振光(例如平行偏振光P光)透射，对另一线偏振光(例如垂直偏振光S光)反射，通过调整待压缩光束的偏振态，可以改变光束在偏振分束棱镜1中的传输方式(反射或透射)。体压缩光栅2可以包括啁啾体光栅，本实施例中，待压缩光束通过偏振分束棱镜1，然后以小角度(第一入射角)入射啁啾体光栅，经过体光栅后反射，因为不是正入射，出射光与入射光不是重合的光路，出射光经过四分之一波片3，光偏振方向变为圆偏振光，经反射镜4反射原路返回，再经过四分之一波片3，光偏振方向变为线偏振光，且偏振方向与初始偏振方向垂直，以小角度(第二入射角)再次入射啁啾体光栅，最后通过偏振分束棱镜1从另一个出射面出射。整个过程通过了两次啁啾体光栅，相当于压缩两次，提供了啁啾体光栅本身色散两倍的色散。

通常啁啾体光栅的压缩量只有500ps，对于更高单脉冲能量需要把脉冲展宽到ns量级，啁啾体光栅无法完全补偿，需要多个体光栅弥补，成本很高。而使用衍射光栅对，光路会拉的很长，光路比较复杂，稳定性较差，而且衍射光栅会把光斑拉长，越大的色散补偿，光斑会变得更长，所以对于光栅的尺寸也有更大的要求。衍射光栅单次效率可以>95％，但光路需要四次经过衍射光栅，总的损耗约为20％。本实施例中，通过对啁啾体光栅的复用，可以达到1ns的量级压缩量，同时光路简洁，易于调试，整体尺寸比较小，也不涉及光斑尺寸的变化。单次通过体光栅的效率在92％以上，总的光路损耗<16％。

在图1的实施例中，可选的，体压缩光栅2位于偏振分束棱镜1的透射光路上，待压缩光束入射至偏振分束棱镜1时发生透射，然后以第一入射角入射至体压缩光栅2，体压缩光栅2二次反射的光束入射至偏振分束棱镜1时发生反射，从偏振分束棱镜1的第二出射面13出射。图2为本实用新型实施例提供的另一种脉冲压缩器的结构示意图。参考图2，体压缩光栅2位于偏振分束棱镜1的反射光路上，待压缩光束入射至偏振分束棱镜1时发生反射，然后以第一入射角入射至体压缩光栅2，体压缩光栅2二次反射的光束入射至偏振分束棱镜1时发生透射，从偏振分束棱镜1的第二出射面13出射，具体实施时可以根据实际情况设计脉冲压缩器的光路结构，本实用新型实施例对此不作限定。

本实用新型实施例的技术方案，待压缩光束a从偏振分束棱镜1的入射面11入射至偏振分束棱镜1内，其中待压缩光束a为线偏振光束，从偏振分束棱镜1的第一出射面12出射后以第一入射角入射至体压缩光栅2；体压缩光栅2经过一次压缩并反射的光束经过四分之一波片3透射后变为圆偏振光束，圆偏振光束经过反射镜4反射后再次经过四分之一波片3透射后变为偏振方向与初始偏振方向垂直的线偏振光束，再以第二入射角入射至体压缩光栅2；体压缩光栅2二次压缩并反射的光束从偏振分束棱镜1的第一出射面12入射至偏振分束棱镜1内，从偏振分束棱镜1的第二出射面13出射。通过体压缩光栅复用的方式，利用同一体压缩光栅实现两次脉冲压缩，提高体压缩光栅可弥补的色散量，以解决现有脉冲压缩器光路复杂、成本高、功率损耗大等缺点。

图3为本实用新型实施例提供的又一种脉冲压缩器的结构示意图。参考图3，可选的，该脉冲压缩器还包括光放大器5，光放大器5位于偏振分束棱镜1的入射面11之前的光路上，光放大器5用于将待压缩光束放大后传输至偏振分束棱镜1。

通过设置光放大器5，可以对待压缩光束进行功率放大和展宽，可选的，光放大器5包括半导体光放大器或光纤放大器，具体实施时可以根据实际情况选择。本实施例中，光放大器为脉冲飞秒放大器。

图4为本实用新型实施例提供的又一种脉冲压缩器的结构示意图。参考图4，可选的，该脉冲压缩器还包括光隔离器6，光隔离器6位于偏振分束棱镜1的入射面11之前的光路上，光隔离器6用于使待压缩光束单向传输。

通过设置光隔离器6，可以保证待压缩光束单向传输，避免回波对种子源的稳定性产生影响。

需要说明的是，在其他实施例中，脉冲压缩器可以同时包括光放大器和光隔离器，光隔离器可以位于光放大器的输入或输出光路中，具体实施时可以根据实际情况设计。

在另一实施例中，可选的，偏振分束棱镜1的入射面11、第一出射面12和第二出射面13中的至少一个表面包括增透膜。设置增透膜可以降低偏振分束棱镜1表面的反射率，减少光束传输过程中的损失。

在又一实施例中，可选的，反射镜4的反射面包括增反膜。设置增反膜可以提高反射镜4表面的反射率，减少光束传输过程中的损失。

可选的，第一入射角小于或等于1.72°，第二入射角小于或等于1.72°。

其中，本实用新型的某一具体实施例中，待压缩光束的脉冲宽度为1ns，输出波长为1026nm～1034nm，输出光谱宽度8nm，输出光束为水平偏振光；偏振分束棱镜的材质为熔融石英，消光比>1000:1；四分之一波片中心波长为1030nm，线偏振激光通过四分之一波片偏振方向会变为椭圆偏振，调节四分之一波片的旋转角度，可以把偏振方向调为圆偏振光；体压缩光栅为啁啾体光栅，提供的色散量为62ps/nm，带宽为8nm，反射率>95％，尺寸为5mm×5mm×50mm；反射镜，入射角度0°，波长范围1020nm～1070nm，反射率>99.8％。

待压缩光束为水平偏振光，通过偏振分束棱镜，然后以小于或等于1.72大于0°(1.72°是5mm×5mm×50mm尺寸的体光栅里两个光束能分出来的最大角度，体光栅通常尺寸为5mm×5mm×50mm尺寸，考虑到体光栅通光面5mm×5mm尺寸，边缘不完全是有效通光面，以及光束本身的有一定的尺寸，出射光和入射光在通光面上的最大分离距离为3mm，这样50mm的尺寸下入射光角度最大应为1.72°，入射的最大角度小于arcsin(入射光和出射光在体光栅入射面上可分离的最大距离/2/体光栅的长度)的角度入射啁啾体光栅，经过体光栅弥补500ps色散后以与入射光有小于或等于3.44的夹角出射，经过四分之一波片，光偏振方向变为圆偏振光，经反射镜反射原路返回，再经过四分之一波片变为垂直偏振光，再经过体光栅弥补500ps色散压缩至飞秒量级脉冲，通过偏振分束棱镜反射出来。

本实用新型实施例还提供一种脉冲激光装置，包括上述实施例提供的任意一种脉冲压缩器。

由于本实用新型实施例提供的脉冲激光装置包括上述实施例提供的任意一种脉冲压缩器，具有与脉冲压缩器相同或相应的技术效果，此处不再详述。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。