[发明专利]一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法

说明书

本发明公开了一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法，包括两个相同的双棱栅，双棱栅包括一个具有入口表面和光栅界面的入口棱镜、一个具有出口表面和光栅界面的出口棱镜、二个放置在棱镜底面的反射光栅，棱镜的出口表面不平行于反射光栅，光在该双棱栅中传输时，提供负群速度色散与负的三阶色散，提供高量值的色散值。

技术领域

本发明涉及光脉冲的色散补偿技术领域，具体的是涉及一种用于光学系统色散补偿的装置及其制作方法。

背景技术

许多工业和科学研究领域都需要运用超短超强脉冲，脉宽甚至低至几飞秒。在常用的超短超强脉冲产生技术中，比如啁啾脉冲放大(CPA)、光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术，系统通常由展宽器、放大介质、压缩器等组成。展宽器将光脉冲在时域上展宽，降低峰值能量，避免激光损伤，通常展宽系数可高达10⁴；然后放大器对展宽后的脉冲进行放大，最后利用压缩器将放大后的光脉冲在时域上进行压缩。通常，脉冲越短，频谱越宽。同时，光脉冲中不同频率(波长)在光学系统中传输的光程不同，脉冲将在时域上展宽或者扭曲变形。为了实现压缩脉冲接近其初始宽度，则要求整个脉冲放大系统的色散为零。此时，压缩器要补偿展宽器、放大介质引入的色散。系统剩余色散将导致输出脉冲宽度加宽、对比度急剧下降。因此，在超快光学领域，色散补偿是至关重要的环节。

在展宽器和压缩器中所用的色散补偿元件有衍射光栅、棱镜、体光栅、光纤等，当然也可以组合使用上述元件。作为传统的色散元件，光栅和棱镜广泛用于超短脉冲系统以实现色散补偿。

光栅对则结构紧凑，可以提供高量值的群速度色散(GVD)，较材料体色散高三个数量级，可以方便地将飞秒脉冲展宽至纳秒级啁啾脉冲。光栅对不仅可以控制群速度色散量，通过改变工作角度还可以控制三阶色散(TOD)量。此外，特殊设计的光栅对结构甚至可以控制四阶色散(FOD)。光栅对常用作CPA系统的脉冲展宽和压缩器。由于光栅对压缩器可以提供负的GVD和正的TOD，当脉冲通过色散材料后再经过光栅对时，GVD可以完全抵消，但剩余的TOD会导致脉冲变宽，波形不对称且扭曲。另外，压缩器中光栅相对较小的传输效率会在一定程度上损失放大脉冲的能量。

在棱镜对中，不同频率光脉冲通过不同的光程与棱镜的玻璃材料有关。通过设计棱镜对间距以及调节插入位置可以方便地改变群速度色散量的大小和符号，控制范围在100fs²量级左右，适用于补偿1cm级的材料体色散以及20fs的飞秒脉冲激光，常用于飞秒激光谐振腔。但要想获得较大的色散，棱镜所需的物理尺寸很大，在很多情况下并不适用。

为了解决上述问题，1987年，fork利用光栅和棱镜结合实现了光脉冲压缩至6fs。1993年,Tournois将透射光栅直接复制在棱镜上，谓之“棱栅”。1994年，Kane和Squier利用棱栅对产生负的GVD和负的TOD补偿了光纤以及放大系统的色散。显然，棱栅结合了光栅和棱镜的色散特征，可以同时提供负群速度色散、三阶色散，与材料的色散符号相反，并且TOD与GVD比值在数值上等于大多数色散材料。正因为Grism在高阶色散补偿方面有一定的优势，已经广泛运用于超短超强脉冲系统。然而，由于尺寸的限制，棱栅提供的色散量较小，目前主要用于补偿块材料、光纤等色散，如果既能同时补偿光学系统的群速度色散、三阶色散，又能提供高量值的色散，则可以提高超短超强脉冲的输出脉冲质量。

发明内容

本发明提供了一种用于光学系统色散补偿的装置及方法，以解决现有技术中棱栅提供的色散量较小的技术问题。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：