用于在时间上拉伸/压缩光学脉冲的空间啁啾腔室制造技术

本发明专利技术涉及用于在时间上拉伸/压缩光学脉冲的空间啁啾腔室。提供了用于时间上的光学脉冲拉伸或压缩的系统和方法。本发明专利技术的装置可以操作为用于时间上的光学脉冲拉伸或压缩以及空间上的激光扫描的光学色散元件。装置可以包括：空间色散器（2），布置为将准直光学脉冲射束分为具有相等间距角度的小射束的小射束阵列；射束成形器（3），配置为控制小射束阵列的展开角度；以及腔室（4），顺序地反射小射束阵列内的各个小射束。腔室（4）可以包括两个非平行表面，诸如两个非平行镜子。

【技术实现步骤摘要】
用于在时间上拉伸/压缩光学脉冲的空间啁啾腔室本申请为分案申请，其母案的专利技术名称为“用于在时间上拉伸/压缩光学脉冲的空间啁啾腔室”，申请日为2015年8月12日，申请号为201580078532.X。对相关申请的交叉引用本申请要求2015年3月31日提交的美国临时申请序列号62/140,938的优先权，该美国临时申请以其整体通过引用并入本文。
技术介绍
脉冲拉伸和压缩在许多应用中是有用的。实现高效的脉冲拉伸/压缩的最常见技术之一是使用长色散光学纤维，在该长色散光学纤维内引导和传播光脉冲。使用光学纤维实现该任务的关键属性是光学纤维（典型地，石英玻璃）的色散，其中不同频率分量经历不同的折射率并且实际上以不同速度沿纤维行进。它因而使脉冲内的不同频率分量在时间上分离，即，脉冲拉伸。色散元件还可以用作光学脉冲的压缩器，其中可以将时间上展开的光学脉冲重新压缩为满足所要求的应用的脉冲。例如，可以完成这一点以便避免超短脉冲的过度时间加宽，其可能引起信号在远程通信中以及在光学显微术/成像中的失真。尽管光学纤维已经被很好地认为是最常规的（用于脉冲拉伸/压缩的）色散元件之一，但是它们具有限制，所述限制已经妨碍了光学纤维在更宽范围的应用中的利用。脉冲拉伸/压缩的可允许操作波长范围受光学纤维的材料（更具体地，光学损耗）所约束。因为常见光学纤维由石英玻璃制成，所以针对从1μm到1.5μm的近红外频谱窗口来优化光学损耗以及因此的高效的脉冲拉伸/压缩。这意味着可以在其上执行光学拉伸/压缩的光学脉冲的波长强烈地取决于光学纤维的材料损耗，这最终限制着操作波长范围。而且，在光学纤维中，脉冲拉伸/压缩不能主动地或者动态地可调谐。使用光学纤维的脉冲拉伸/压缩的量受光学脉冲经历的色散所支配。总色散与纤维长度成正比例，一旦制造了纤维，纤维长度通常是固定的，并且不可灵活地（且宽泛围地）调节。此外，由光学脉冲在光学纤维中累积的群时延色散（GDD）有限，并且时间拉伸量还取决于脉冲的光学带宽。后果是需要长纤维（约数十km的标准远程通信纤维）以便得到用于高效脉冲拉伸/压缩的足够GDD。从设计角度来看，使用光学纤维用于脉冲拉伸/压缩在空间上是低效的。此外，伴随现有设备中的所有材料的光学非线性是不可避免的并且对于脉冲拉伸/压缩是不利的。尤其是在光学纤维中，光学脉冲不仅经历线性色散（即，在每一个频率处恒定的折射率），而且还有非线性效应，其中折射率取决于光学脉冲包络的功率分布。光学脉冲以及因此所编码的信息最终在拉伸/压缩过程期间失真。另一方面，脉冲拉伸已经与执行时间向空间映射的技术一起使用以便实现光学射束扫描或转向。该方案允许需要机械移动部件（诸如扫描镜）的光学射束扫描，并且因而绕过（由惯性限制的）基本速度限制，以及这样的基于机械射束的扫描仪的运动伪差。激光射束扫描的应用已经广泛地覆盖条形码扫描、生物医学成像、材料科学研究、激光射束加工和消融、以及制造产业中的自动化表面检查（包括超大规模（VLSI）产业中的半导体集成电路（IC）芯片制造）。在这些应用中，光学射束扫描通过使用光学元件在空间上使射束偏转而完成。常见选择包括检流计镜和声光偏转器。一般地，取决于实际实现方案，可以将射束扫描分类为主动扫描或被动扫描。主动射束扫描仪要求可控元件来更改（或转向）光学射束的方向。例如，在激光扫描成像/显微术（在生命科学或者材料科学应用中广泛地采用），可以通过检流计镜在某一范围的角度内连续地对激光射束进行角度转向。与恰当的中继透镜系统相组合，这样的角度射束位移可以变换为横向射束位移，使得可以跨待测试样品（例如，生物细胞/组织）在横向上扫描聚焦射束。试样的空间信息（由于吸收、散射或发光所致）由所扫描的射束在时间上读出。因而，可以使用单个像素光电检测器从串行时间信号检索目标图像。最终，这些技术的扫描速率基本上由运动的偏转光学器件元件的速度以及这些设备的机械运动来限制。检流计镜在大多数商用激光扫描系统中是普遍的；然而，由于所有检流计镜（包括微机电系统（MEMS）扫描仪）中的机械惯性，它仅可以提供高达500Hz或1kHz的一维（1-D）线扫描速率。扫描速度方面的适度改进可以通过在其谐振频率（即，谐振检流计镜）下操作该镜子而实现，所述谐振频率几乎高达大约10kHz。为了克服机械限制，已经专利技术了声光（AO）和电光（EO）调制器二者以便实现亚MHz到MHz量级的较高扫描速率。然而，以较小范围的扫描角度和可分辨的被扫描点的数目（即，视场）为代价而利用这些设备实现高扫描速度。AO设备还由于设备的衍射效应承受附加光学损耗，而EO设备典型地要求高电压（＞100V）来实现用于实际成像应用的合理扫描范围。相比于主动射束扫描，被动射束扫描是不牵涉到直接操控射束转向/扫描的技术。值得注意的示例是基于频谱编码机制的射束扫描。在该技术中，采用具有宽带波长频谱的波长可调谐的光源（称为扫频源）。输出光波长在时间上扫频。因而，通过使用称为空间色散器的光学元件（例如，棱镜、衍射光栅、虚拟成像的相位阵列等），可以在不同波长处将射束映射到待测试试样上的不同空间坐标（可以以1-D或2-D的形式）。因为波长在时间上扫频，所以基本上可以跨试样扫描射束。射束转向因而通过波长调谐与频谱编码概念一起（即，波长向空间的映射）而间接地实现。这种技术的射束扫描速度主要由激光器的波长扫频速率确定，激光器的波长扫频速率在现有技术发展水平下典型地限于1kHz或100kHz。在光学时间拉伸技术中使用的常规色散介质是光学纤维。对于高分辨率射束扫描，要求大量色散（即，脉冲拉伸）。针对长纤维长度（＞10km）的这种需求不可避免地引入过分高的光学损耗。典型光学（玻璃）纤维的低损耗频谱区是从大约1μm到大约1.5μm，限制了操作波长范围以及因而限制了该技术的应用。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了用于时间上的光学脉冲拉伸或压缩以及因而空间上的光学射束扫描的有利系统和方法。本专利技术的装置可以操作为用于时间上的光学脉冲拉伸或压缩的光学色散元件以及光学空间射束扫描仪。在实施例中，用于拉伸和/或压缩光学脉冲的装置可以包括：空间色散器，布置为将准直光学脉冲射束分为具有相等间距角度的小射束的小射束阵列；射束成形器，配置为控制小射束阵列的展开角度；以及腔室，顺序地反射小射束阵列内的各个小射束。该腔室可以是空间啁啾腔室，并且可以例如包括两个非平行反射内表面（例如，镜子）。各个经反射的小射束可以用作光学空间扫描射束，其中不牵涉到任何机械移动部件，每一个经反射的小射束可以以顺序方式编码有不同的时间信息。附图说明图1示出了本专利技术的设备的示意图。图2示出了根据本专利技术的实施例的啁啾腔室。图3示出了光学脉冲的色度上拉伸/压缩的示意图。图4示出了光学脉冲的输入和输出频谱的图表。图5A示出了通过光学色散纤维拉伸的时间拉伸光学信号的图表。图5B示出了通过本专利技术的实施例拉伸的时间拉伸光学信号的图表。图6示出了用于基于第二类型（类型II）空间色散器（例如，透镜）的使用的脉冲拉伸的示意图。...

【技术保护点】
1.一种用于拉伸和压缩光学脉冲的装置，包括：/n空间色散器，布置为将准直光学脉冲射束分为具有相等间距角度的小射束的小射束阵列；/n射束成形器，配置为控制小射束阵列的展开角度；以及/n腔室，配置为顺序地并且以空间啁啾方式反射小射束阵列内的各个小射束；/n其中所述各个小射束以不同的入射角度进入到所述腔室中，在所述腔室的相同枢轴点处合并，并且从所述腔室的所述相同枢轴点反射。/n

【技术特征摘要】
20150331 US 62/140938;20150608 US 14/7334541.一种用于拉伸和压缩光学脉冲的装置，包括：
空间色散器，布置为将准直光学脉冲射束分为具有相等间距角度的小射束的小射束阵列；
射束成形器，配置为控制小射束阵列的展开角度；以及
腔室，配置为顺序地并且以空间啁啾方式反射小射束阵列内的各个小射束；
其中所述各个小射束以不同的入射角度进入到所述腔室中，在所述腔室的相同枢轴点处合并，并且从所述腔室的所述相同枢轴点反射。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述空间色散器是包括衍射光栅的频谱编码的空间色散器，
其中在所述准直光学脉冲射束穿过所述衍射光栅之后生成频谱编码的空间频率分量，以及
其中所述频谱编码的空间频率分量在空间上按角度展开到所述小射束阵列中。


3.根据权利要求1所述的装置，其中所述射束成形器控制所述射束的空间和时间包络，并且包括4F相关器，
其中所述射束的空间包络由所述小射束阵列内的小射束之间的各个角度间距确定，以及
其中所述射束的时间包络由每个小射束的时间时延确定，所述时间时延转而部分地由所述小射束阵列内的小射束之间的角度间距确定。


4.根据权利要求1所述的装置，其中所述腔室是空间啁啾腔室，其包括两个非平行反射内表面，
其中所述内表面是弯曲表面，并且其中每个内表面的几何构造是二维或三维的。


5.根据权利要求4所述的装置，其两个内表面之间的间距填充有空气，从而允许各个小射束之间的时间时延间隔的动态调谐。


6.根据权利要求5所述的装置，其中各个小射束之间的时间时延间隔充分地大，使得所述装置被配置为执行激光扫描荧光成像，以及
其中各个小射束之间的时间时延间隔与荧光寿命相同或大于荧光寿命。


7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置的操作范围是从紫外到红外波长。


8.根据权利要求4所述的装置，其中，两个内表面布置为具有与所述小射束阵列的射束之间的角度间距匹配的倾斜角度（A/m），以用于脉冲拉伸的生成和增强，以及还用于压缩。


9.根据权利要求8所述的装置，其中所述小射束阵列的各个小射束经历来自内表面的多次反射，
其中具有整数倍N(ω)的倾斜角度（A/m）的小射束阵列的各个射束从腔室的内表面反射N(ω)次，
其中在每一个反射之后各个小射束的入射角度能够减少A/m，并且最终变为与最后反射的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢坚文，许艺青，许景江，
申请(专利权)人：港大科桥有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81