声光滤波器

摘要

本发明公开了一种声光滤波器，所述声光滤波器包括两个透镜，两个声光偏转器和一个液晶空间光调制器。两个透镜的焦距相等，且共焦放置；两个声光偏转器完全相同，且分别放置在两个透镜的前后焦点处；液晶空间光调制器放置在透镜的共同焦点处，提供可调的相位进行色散效应。本发明可实现多个波长激光之间的微秒级快速切换，此外，可保持出射光束与入射光束共线，便于光路的调节，并完全消除飞秒激光的色散效应。本发明结构紧凑，易于调节，可广泛应用于飞秒激光生物成像、光存储和微细加工等众多研究领域。

权利要求

1.一种声光滤波器，其特征在于：包括位于同一光路上的第一透镜、第二透镜、第一声光偏转器、第二声光偏转器、液晶空间光调制器；第一透镜和第二透镜的焦距相等，且第一透镜的后焦点与第二透镜的前焦点重合；第一声光偏转器和第二声光偏转器分别放置在第一透镜的前焦点和第二透镜的后焦点，第一声光偏转器和第二声光偏转器是完全相同的，且工作在相同的频率下；液晶空间光调制器放置在第一透镜和第二透镜的共同焦点处，且液晶空间光调制器的相位Φ(ωj)满足公式I：其中GDDm为第一声光偏转器和第二声光偏转器引入的材料色散，ω0为入射激光的中心频率，ωj为液晶空间光调制器上的第j个液晶单元处的光谱频率分量，N为自然数。

2.根据权利要求1所述的声光滤波器，其特征在于：所述第一声光偏转器或第二声光偏转器的通光孔径为4.2mm，晶体材料为TeO2。

3.根据权利要求1所述的声光滤波器，其特征在于：所述第一声光偏转器或第二声光偏转器的设计波长为λc＝800nm，中心频率为fc＝96MHz。

说明书

声光滤波器

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种声光滤波器。【背景技术】

[0002] 飞秒激光由于其脉冲持续时间短、峰值功率高等优点，在生物成像、光存储和微细加工等领域有着非常重要的应用，是近年来国内外激光应用领域的热点之一。声光器件用于操控飞秒激光所需要解决的首要问题就是色散效应。色散效应包括空间色散效应和时间色散效应。

[0003] 常规的声光器件中包含的声光晶体是一种高色散介质，飞秒激光经过声光晶体后脉冲将会被严重展宽，这一效应称为时间色散(如图1所示)。同时，经过声光器件(例如声光偏转器)后的光束偏转角具有波长相关性，导致光束发散变形，这一效应称为空间色散(如图2所示)。这两种色散效应使得飞秒激光的优点不复存在，因此，声光器件用于操控飞秒激光所需要解决的首要问题就是色散效应。【发明内容】

[0004] 有鉴于此，有必要针对传统的声光器件用于操控飞秒激光时存在的色散效应问题，提供一种能解决色散效应问题的声光滤波器。

[0005] 一种声光滤波器，包括位于同一光路上的第一透镜、第二透镜、第一声光偏转器、第二声光偏转器、液晶空间光调制器；第一透镜和第二透镜的焦距相等，且第一透镜的后焦点与第二透镜的前焦点重合；第一声光偏转器和第二声光偏转器分别放置在第一透镜的前焦点和第二透镜的后焦点，第一声光偏转器和第二声光偏转器是完全相同的，且工作在相同的频率下；液晶空间光调制器放置在第一透镜和第二透镜的共同焦点处，且液晶空间光调制器的相位Φ(ωj)满足公式I：

[0006]

[0007] 其中GDDm为第一声光偏转器和第二声光偏转器引入的材料色散，ω0为入射激光的中心频率，ωj为液晶空间光调制器上的第j个液晶单元处的光谱频率分量，N为自然数。

[0008] 优选的，所述第一声光偏转器或第二声光偏转器的通光孔径为4.2mm，晶体材料为TeO2。

[0009] 优选的，所述第一声光偏转器或第二声光偏转器的设计波长为λc＝800nm，中心频率为fc＝96MHz。

[0010] 上述声光滤波器可保持出射光束与入射光束共线，从而完全消除飞秒激光的色散效应问题。并且结构紧凑，易于调节。【附图说明】

[0011] 图1为时间色散展宽脉冲示意图。

[0012] 图2为空间色散使光斑发散示意图。

[0013] 图3为声光滤波器的示意图。

[0014] 图4为声光偏转器渡越时间的示意图。

[0015] 图5为第一声光偏转器或第二声光偏转器的工作频率与入射激光波长的关系曲线的示意图。

[0016] 图6为液晶空间光调制器各液晶像素上光谱频率分布的示意图。【具体实施方式】

[0017] 下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

[0018] 图3是声光滤波器的示意图。声光滤波器包括位于同一光路上的第一透镜5、第二透镜6、第一声光偏转器7、第二声光偏转器8、液晶空间光调制器9。

[0019] 第一透镜5和第二透镜6的焦距(图中用F表示)相等，且第一透镜5的后焦点与第二透镜6的前焦点重合。第一声光偏转器7和第二声光偏转器8分别放置在第一透镜5的前焦点和第二透镜6的后焦点，第一声光偏转器7和第二声光偏转器8是完全相同的，且工作在相同的频率下。液晶空间光调制器9放置在第一透镜5和第二透镜6的共同焦点处，且液晶空间光调制器9的相位Φ(ωj)满足以下公式I：

[0020]

[0021] 其中GDDm为第一声光偏转器7和第二声光偏转器8引入的材料色散，ω0为入射激光的中心频率，ωj为液晶空间光调制器9上的第j个液晶单元处的光谱频率分量，N为自然数。

[0022] 现有的商品化声光器件可轻易达到小于10微秒的声光互作用时间，因此，选择声光偏转器用于实现多个波长激光的快速切换，其速度完全可以达到微秒量级。

[0023] 第一声光偏转器7或第二声光偏转器8的通光孔径为4.2mm，晶体材料为TeO2，工作在反常布拉格衍射(Bragg diffraction)模式下，超声波在晶体中的传播速度为v＝650m/s，其最大渡越时间为τmax＝6.5μs(最大渡越时间是指声波通过整个光束直径D所需的时间，计算公式是τmax＝D/v，如图4所示)。当光束尺寸减小时，其渡越时间还可以更小。因此，采用声光偏转器完全可实现对多个波长激光之间的微秒级快速切换。

[0024] 声光偏转器工作在某一频率时，不同波长的激光进入声光偏转器后，将会沿不同方向出射(如图2所示)。工作在反常布拉格衍射模式下的出射光偏转角θ满足公式II：

[0025]

[0026] 其中f为声光偏转器的工作频率，λ为激光波长，v为声光晶体中超声波的传播速度。

[0027] 为了便于使用，通常将声光偏转器设计为如下情况：当入射激光波长恰好为声光偏转器的设计波长，且声光偏转器工作在中心频率时，出射光束与入射光束保持共线。在本发明中，第一声光偏转器7或第二声光偏转器8的设计波长为λc＝800nm，中心频率为fc＝96MHz。因此，当入射激光波长为800nm，声光偏转器工作在96MHz时，出射光束与入射光束保持共线。

[0028] 从公式II可以看出，当入射激光波长λ改变时，如果同时改变声光偏转器的工作频率f，使得λf＝λcfc，则仍然可以保持光束偏转角θ不变。因此，当声光偏转器的工作频率满足公式III时，出射光束与入射光束可保持共线：

[0029]

[0030] 图5示意的是第一声光偏转器7或第二声光偏转器8的工作频率与入射激光波长的关系曲线。

[0031] 基于上述原理，在对多个波长的激光进行切换时，首先选择所需要的波长，并调节声光偏转器的工作频率使其满足公式III，从而使得所需要波长的激光仍然沿原入射方向传输，而其它波长的激光则偏离入射方向，不能进入后续系统。因此，该装置实际上是一个快速可调谐的声光滤波器。

[0032] 飞秒激光经过声光偏转器后，由公式II可知，不同波长的光谱成分将沿不同方向传播，从而使光束具有一定的发散角Δθ，这一效应被称为空间色散(如图2所示)。描述这一效应的参数为：

[0033]

[0034] 在本发明的声光滤波器中(如图3所示)，第一声光偏转器7通过共焦的第一透镜5和第二透镜6组成的Relay lens反向成像在第二声光偏转器8上，且两个透镜焦距相等，并不放大空间色散。因此，飞秒激光经过两个声光偏转器后，总的空间色散参数为：

[0035]

[0036] 其中f1和f2分别为第一声光偏转器7和第二声光偏转器8的工作频率。当两个声光偏转器工作在相同频率下，即f1＝f2时，飞秒激光的空间色散被完全消除。

[0037] 飞秒激光经过第一声光偏转器7和第二声光偏转器8后，由于不同光谱成分在声光晶体中的传播速度不同，相互之间具有时间延迟，从而导致脉冲展宽，这一效应被称为时间色散(如图1所示)。在本发明中，主要的时间色散来源于声光偏转器中的声光晶体。常用的声光晶体材料为TeO2，是一种高色散介质，其群延时色散表达式为：

[0038]

[0039] 其中c为真空中的光速，n为材料折射率，l为晶体厚度。

[0040] 单个声光偏转器引入的群延时色散量约为7000fs2，两个声光偏转器引入的群延2
时色散量约为14000fs，这一色散量将会把100fs的激光脉冲展宽到400fs，并严重降低飞秒激光的峰值功率。

[0041] 本发明声光滤波器采用液晶空间光调制器9对飞秒激光的时间色散进行补偿。液晶空间光调制器9的基本单元是液晶像素，每个像素在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，从而对经过其中的飞秒激光脉冲相位进行调制。在实际应用中，可根据系统中引入的群延时色散量设计液晶空间光调制器的相位函数。

[0042] 第一声光偏转器7将飞秒激光脉冲的光谱在空间横向展开，在第j个液晶像素上，有对应的光谱成分ωj(如图6所示)。实际上，群延时色散是光谱相位关于光谱频率的二阶导数，因此，为了补偿时间色散，只需在液晶空间光调制器9上加入一定的相位，使其提供的群延时色散量的大小与两个声光偏转器的材料色散大小相等，符号相反即可(即-GDDm)，因此，液晶空间光调制器9上所加的相位函数须满足公式I。

[0043] 液晶空间光调制器9上的液晶像素的个数为2N+1个。在实际应用中，液晶空间光调制器9的液晶单元越精细，对时间色散的补偿效果越好。

[0044] 上述液晶空间光调制器9可以通过编程的方法加入任意的相位函数，从而在理论上可实现任意大小的色散效应量。基于此原理，可有效缩小本发明声光滤波器的空间尺寸，使其结构更为紧凑。例如，选择焦距为5cm的透镜，整个系统的尺寸可缩小到约20cm。此外，在选择不同波长的过程中，只需要相应改变液晶空间光调制器9上的相位函数，即可实现对不同波长飞秒激光的时间色散效应，而不必重新改变装置的结构，这将给实际应用带来极大的便利。

[0045] 由上述分析可以看到，本发明可以实现多个波长激光之间的微秒级快速切换，可保持出射光束与入射光束共线，便于光路的调节，并完全消除飞秒激光的空间和时间色散效应。其结构紧凑，易于调节，可广泛应用于飞秒激光生物成像、光存储和微细加工等众多研究领域。

[0046] 最后需要指出的是，本发明中的装置虽然主要针对的是飞秒激光的应用，但实际上也完全可以应用于连续激光：因为连续激光的单色性较好，空间色散和时间色散的影响都较小，因此，不需要进行色散效应即可正常使用。

[0047] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。