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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞秒激光，特别是一种。
技术介绍
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、2Opt.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3J.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4Opt.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5RIKEN 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6Opt.lett.27(11)，Jun Amako，969-971(2002))。而在脉冲测量等技术中(参见在先技术7Rev.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。
技术实现思路
本专利技术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，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。本专利技术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。本专利技术的技术解决方案一种，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。下面对本专利技术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＝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、λN(λ1＜λN)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，θ=mλd---(2)]]>色散造成在焦平面上的垂向误差Δy，可以由下式计算Δy＝f·θλN-f·θλ1(3)所以只要消除了同一衍射级次不同波长的衍射角差别(θλN＝θλ1)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dc是达曼光栅空间周期d的m分之一dc=dm---(4)]]>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dc(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～λN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+2dλ-mdλ)---(7)]]>第m与第m+2级次的光束半径之和为D+Lm+22dΔλ+Lm2dΔλ---(8)]]> 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本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种飞秒激光脉冲的达曼光栅分束及角度色散补偿方法，其特征在于该方法的具体步骤如下： ①根据光束分束个数需要，挑选一片对应的达曼光栅，垂直于光束放置； 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、空间周期是所述达曼光栅空间周期的ｍ分之一的补偿光栅，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，分别补偿分束后的所有衍射光束。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，李国玮，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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