专利名称：采用棱镜/波导耦合单元实现光谱整形的装置及整形方法
技术领域：
本发明涉及的是一种采用棱镜/波导耦合单元实现光谱整形的装置，以及利用棱镜/波导耦合单元的衰减全反射性质对超短激光脉冲光谱进行整形的方法，属于激光应用技术领域。
背景技术：
在超短超强激光技术中，许多因素限制了激光系统输出功率的进一步提高。其中固体激光放大介质的增益窄化效应是一个较为棘手的问题。由于固体激光放大介质的带宽有限，导致激光脉冲的中心增益高，边缘的增益低。随着激光脉冲的逐级放大，激光脉冲的光谱会变得越来越窄，这就是所谓的增益窄化效应。增益窄化效应使激光脉冲不能够充分利用激光放大介质的增益带宽，从而得不到有效地放大。为了补偿放大介质的增益窄化效应，在超短激光脉冲进入放大介质之前，需先对其光谱进行整形。光谱整形技术已经广泛地应用于超短超强激光系统中。现有的光谱整形技术是使激光脉冲通过一滤光片，其透射率曲线是中心凹陷的，这种形状的透射率曲线可降低激光脉冲光谱中心的透射率，保持边缘的透射率，从而抵消放大介质的增益窄化效应，使放大后的激光脉冲不致变窄。
现有技术中用于光谱整形的器件有两种双折射晶体和干涉滤光片。它们的透射率曲线是中心凹陷的，可抵消放大介质的增益窄化效应。Yuxin Leng等人在《Optics&Laser Technology》Vol.35(2003)pp425-429上发表的“Broadband spectral shaping in a Tisapphire regenerative amplifier”一文中，介绍了利用双折射石英晶体进行光谱整形。其整形原理为激光射入双折射晶体中，由于双折射，激光束在晶体中会分成寻常光和非常光并产生干涉，从而使激光不同频率成分的透射率不同。调节激光射入晶体的角度，可使晶体的透射率曲线是中心凹陷的，从而对光谱实现整形。但这种方法存在一定的缺陷①双折射晶体是透过式的元件，会对通过它的激光产生副作用，例如引起法布里一珀罗效应、位相畸变等；②双折射晶体的厚度取决于待整形激光脉冲的光谱宽度，激光脉冲的光谱越窄，要求双折射晶体越厚，才能使双折射晶体的透过率曲线的宽度与激光脉冲的光谱宽度匹配。例如，对谱宽13nm(半高全宽)的超短脉冲整形，要求双折射晶体厚度为25毫米。双折射晶体不可能做的很大。大的晶体其价格也较高。例如，一片厚12毫米口径25毫米的A级双折射晶体价格约为2500元人民币。
朱鹏飞等人在《中国激光》2003，30(12)1075-1078上发表的“超短脉冲的光谱整形”一文中，介绍了利用干涉滤光片对超短脉冲进行光谱整形。其整形原理为在玻璃底片上镀多层介质薄膜，制作一种干涉滤光片，其透射率曲线呈中心凹陷形状。这种方法存在着一些问题①镀膜的精度要求较高，目前国内的镀膜技术很难达到理想的效果，特别对于窄带(十几个纳米)干涉滤光片，无法很好地控制透射率曲线的带宽和中心凹陷的深度；②干涉滤光片一旦镀好之后，它的透射率曲线就无法改变了，缺乏灵活性。③成本高。制作一个窄带干涉滤光片约3000元人民币。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新的采用棱镜/波导耦合单元实现光谱整形的装置，以及利用这种装置进行光谱整形的方法，装置结构简单，成本低廉，使用时操作方便，可以有效提高对激光光谱的整形能力。
为实现这样的目的，本发明的光谱整形装置中采用了棱镜/波导耦合单元，利用棱镜/波导耦合单元的衰减全反射特性实现超短激光脉冲的光谱整形。理论和实验均表明棱镜/波导耦合单元的衰减全反射曲线呈中心凹陷的形状，可实现对超短激光脉冲的光谱整形。装置包括棱镜/波导耦合单元、转盘、入射光路中的激光器、偏振器和光学小孔及反射光路中的光电探测器和光谱仪，由棱镜及沉积在棱镜上的四层薄膜层组成的棱镜/波导耦合单元固定在转盘中心，其衰减全反射曲线宽度与入射激光脉冲的光谱宽度相匹配。通过改变入射角选择多个衰减全反射曲线中宽度与激光光谱宽度相匹配的衰减全反射曲线，并微调入射角，得到理想的整形光谱。
本发明的装置具体结构包括棱镜/波导耦合单元、转盘、入射光路和反射光路四部分，棱镜/波导耦合单元固定在转盘的中心，入射光路包括激光器、偏振器和光学小孔，处于同一光轴上并依次放置在转盘外入射方固定的位置上，反射光路包括光电探测器和光谱仪，放在转盘外反射方，分别接收经分束镜分开的两束反射光。
本发明采用的棱镜/波导耦合单元由棱镜和平板波导组成，平板波导包括沉积在棱镜上的四层薄膜，棱镜/波导耦合单元的层次关系由上而下依次为棱镜、覆盖层、导波层、隔离层和衬底层。设计波导各薄膜层的厚度，使棱镜/波导耦合单元的衰减全反射曲线宽度与入射激光脉冲的光谱宽度相匹配。各层的厚度取值分别为覆盖层为30至50nm，导波层为1.0至2.5μm，隔离层为2μm，衬底层为100nm。棱镜/波导耦合单元固定在转盘上，下底面(波导各薄膜层所在面)在转盘的中心，转盘可连续旋转以改变入射激光相对于波导的入射角。
入射光路的激光器出射超短激光，依次经偏振器和光学小孔，入射到棱镜/波导耦合单元的棱镜左侧面上，经棱镜折射后入射到棱镜与波导的分界面，发生衰减全反射，反射光经反射光路由光电探测器和光谱仪接收，分别测量反射光的强度和观察光谱形状。
基于以上装置，即可利用棱镜/波导耦合单元的衰减全反射性质对超短激光脉冲光谱进行整形。具体方法为旋转转盘以改变入射光相对于平板波导的入射角，通过光电探测器测量反射光的光强，可观察到一系列离散的衰减全反射曲线，在每一衰减全反射曲线的吸收峰(曲线的最低点)所对应的角度下，其曲线宽度不同，这就有多个衰减全反射曲线以供选择使用，通过改变入射角选择曲线宽度与激光光谱宽度相匹配的衰减全反射曲线，微调入射角使光电探测器的示数最小，此时的入射角对应衰减全反射曲线的吸收峰，通过光谱仪查看整形后的光谱，继续微调入射角，直到出现理想的整形光谱为止。
本发明装置在用于光谱整形时，反射式的结构对激光的副作用小，有多个不同频谱宽度的衰减全反射曲线以供使用，整形能力更强，且制作容易，成本低，操作简单。
图1为本发明装置结构示意图。
图1中，1为棱镜/波导耦合单元，2为转盘，3为入射光路，4为反射光路，5为激光器，6为偏振器，7为小孔，8为光电探测器，9为光谱仪。
图2为本发明装置中棱镜/波导耦合单元结构示意图。
图2中，10为棱镜，11为覆盖层，12为导波层，13为隔离层，14为衬底层。
图3为不同入射角情况下的衰减全反射曲线。
图4为各衰减全反射曲线的吸收峰对应的反射率-波长曲线。
图5为本发明实施例1中四个模式的衰减全反射曲线所对应的整形后光谱。
图6为本发明实施例2中三个模式的衰减全反射曲线所对应的整形后光谱。
图7为本发明实施例3中三个不同银膜厚度的棱镜/波导耦合单元m＝0模式的衰减全反射曲线所对应的整形后光谱。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明装置结构如图1所示，由棱镜/波导耦合单元1、转盘2、入射光路3和反射光路4四部分组成，棱镜/波导耦合单元1固定在转盘2上，入射光路3包括处于同一光轴上的激光器5、偏振器6和光学小孔7，依次放置在转盘2外入射方，反射光路4包括光电探测器8和光谱仪9，放在转盘2外反射方，分别接收经分束镜分开的两束反射光。
激光经入射光路3射入棱镜/波导耦合单元1的棱镜左侧面上，经棱镜折射后入射到棱镜与波导的分界面，发生衰减全反射，反射光经反射光路由光电探测器8和光谱仪9接收。
本发明装置中采用的棱镜/波导耦合单元结构如图2所示，由棱镜10和平板波导组成，平板波导由沉积在棱镜上的四层薄膜组成，薄膜层由上而下依次为覆盖层薄膜11、导波层薄膜12、隔离层薄膜13和衬底层薄膜14。波导各薄膜层的厚度取值使棱镜/波导耦合单元的衰减全反射曲线宽度与入射激光脉冲的光谱宽度相匹配。
棱镜/波导耦合单元1固定在转盘2上，波导各薄膜层的底面位于转盘2的中心，通过连续旋转转盘2可以改变入射激光相对于波导的入射角，寻找衰减全反射曲线的吸收峰，通过光谱仪9观察整形后光谱，微调入射角，直到出现理想的整形光谱为止。
图3为不同入射角情况下的衰减全反射曲线。
图4为各衰减全反射曲线的吸收峰对应的反射率一波长曲线。
以下通过具体的实施例说明本发明的技术特征及应用效果。
实施例采用图1、图2所示结构的光谱整形装置。
实施例1入射激光参数为中心波长800纳米，半宽10纳米。棱镜/波导耦合单元参数为棱镜10的折射率为1.784，覆盖层11为银膜，厚度为40纳米，介电常数为ε＝-20+i，导波层12采用交链型有机聚合物，厚度为1.7微米，折射率为1.71，隔离层13为PMMA，厚度为2微米，折射率为1.5，衬底层14为银膜，厚度为100纳米，介电常数为ε＝-20+i。
调节偏振器6使偏振方向为水平，对应TM模式，旋转转盘2，同时观察光电探测器测得的光强，使光强达到最小值，观察光谱仪上整形后的光谱，继续微调入射角，直到光谱的凹陷中心对应激光的中心波长，得到利用波导第一个模式(m＝0)的衰减全反射曲线得到的整形后光谱。继续旋转转盘2，重复以上步骤，可得到所有四个模式的衰减全反射曲线所对应的整形后光谱，如图5所示。
由图5可见，在以上参数下，利用波导的第4个模式(m＝3)，对半宽10nm，中心波长800纳米的激光进行整形时，可达到较为理想的效果。
实施例2入射激光参数为中心波长1310纳米，半宽10纳米。棱镜/波导耦合单元参数为棱镜10的折射率为1.784，覆盖层11为银膜，厚度为40纳米，介电常数为ε＝-54+4i，导波层12采用的交链型有机聚合物，厚度为1.7微米，折射率为1.71，隔离层13为PMMA，厚度为2微米，折射率为1.5，衬底层14为银膜，厚度为100纳米，介电常数为ε＝-54+4i。
调节偏振器6使偏振方向为水平，对应TM模式，旋转转盘2，同时观察光电探测器测得的光强，使光强达到最小值，然后观察光谱仪上整形后的光谱，继续微调入射角，直到光谱的凹陷中心对应激光的中心波长，得到利用波导第一个模式(m＝0)的衰减全反射曲线得到的整形后光谱。继续旋转转盘2，重复以上步骤，可得到所有三个模式的衰减全反射曲线所对应的整形后光谱，如图6所示。
由图6可见，在以上参数下，利用波导的第3个模式(m＝2)，对半宽10nm，中心波长1310纳米的激光进行整形时，可达到较为理想的效果。
实施例3入射激光参数为中心波长800纳米，半宽10纳米。棱镜/波导耦合单元参数为棱镜10的折射率为1.784，覆盖层11为银膜，厚度分别为40、50和60纳米，介电常数为ε＝-20+i，导波层12采用的交链型有机聚合物，厚度为1.7微米，折射率为1.71，隔离层13为PMMA，厚度为2微米，折射率为1.5，衬底层14为银膜，厚度为100纳米，介电常数为ε＝-20+i。
调节偏振器6使偏振方向为水平，对应TM模式，旋转转盘2，同时观察光电探测器测得的光强，使光强达到最小值，然后观察光谱仪上整形后的光谱，继续微调入射角，直到光谱的凹陷中心对应激光的中心波长，得到利用波导第一个模式(m＝0)的衰减全反射曲线得到的整形后光谱。重复以上步骤，可得到三个不同银膜厚度的棱镜/波导耦合单元m＝0模式的整形后光谱，如图7所示。
由图7可见，不同的银膜厚度可得到不同光谱宽度，不同衰减程度的整形后光谱，在银膜厚度为40纳米和50纳米的情况下，都可以得到理想的整形后光谱，可满足不同的应用。
权利要求
1.一种采用棱镜/波导耦合单元实现光谱整形的装置，包括入射光路(3)和反射光路(4)，其特征在于还包括棱镜/波导耦合单元(1)、转盘(2)，棱镜/波导耦合单元(1)固定在转盘(2)上，入射光路(3)中处于同一光轴上的激光器(5)、偏振器(6)和光学小孔(7)依次放置在转盘(2)外入射方，反射光路(4)包括光电探测器(8)和光谱仪(9)，放在转盘(2)外反射方，分别接收经分束镜分开的两束反射光，棱镜/波导耦合单元(1)包括棱镜(10)和沉积在棱镜上的四层波导薄膜层，波导薄膜层依次为覆盖层(11)、导波层(12)、隔离层(13)和衬底层(14)，其厚度取值使棱镜/波导耦合单元的衰减全反射曲线宽度与入射激光脉冲的光谱宽度相匹配。
2.一种利用权利要求1所述装置进行光谱整形的方法，其特征在于旋转转盘(2)以改变入射激光相对于波导的入射角，通过光电探测器(8)测量反射光的光强，得到一系列离散的衰减全反射曲线，选择曲线宽度与激光光谱宽度相匹配的衰减全反射曲线，微调入射角使光电探测器(8)的示数最小，此时的入射角对应衰减全反射曲线的吸收峰，通过光谱仪(9)观察整形后的光谱，继续微调入射角，直到出现理想的整形光谱为止。
全文摘要
一种采用棱镜/波导耦合单元实现光谱整形的装置及整形方法，利用棱镜/波导耦合单元的衰减全反射曲线实现超短激光脉冲的光谱整形，装置包括棱镜/波导耦合单元、转盘、入射光路中的激光器、偏振器和光学小孔及反射光路中的光电探测器和光谱仪，由棱镜及沉积在棱镜上的四层薄膜层组成的棱镜/波导耦合单元固定在转盘中心，其衰减全反射曲线宽度与入射激光脉冲的光谱宽度相匹配。通过改变入射角从多个衰减全反射曲线中选择宽度与激光光谱宽度相匹配的衰减全反射曲线，并微调入射角，得到理想的整形光谱。本发明的反射式结构对激光的副作用小，整形能力更强，且制作容易，成本低，操作简单。
文档编号G02F1/35GK1584723SQ20041002468
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月27日 优先权日2004年5月27日
发明者朱鹏飞, 刘向民, 曹庄琪, 沈启舜, 邓晓旭 申请人:上海交通大学