借助于衍射元件的用于超短激光脉冲的空间重组的系统

摘要

本发明涉及基于利用衍射光学元件DOE(1)来组合光束从而通过叠加而重组的系统。根据本发明，衍射光学组件(21)放置在该衍射光学元件的上游，从而使得能够借助于适当的成像系统来优化在超短脉冲速度的组合效率。

权利要求

1.一种用于脉冲激光束的空间重组的系统，所述脉冲激光束具有以λ0为中心的相同波长，并从N个同步的光源k产生，其中k从1变化至N，N为大于1的整数，所述系统具有光轴，并且包括：-具有焦长f2的傅里叶透镜(23)，其具有预定的物平面和预定的像平面，激光束在物平面(平面A)中展现出在λ0具有间隔PA的周期性空间结构，-重组衍射光学元件(1)，其具有周期性相位轮廓，N个光束旨在通过傅里叶透镜(23)根据入射角度θ2k而被引导至所述重组衍射光学元件上，这些入射角度从一个光束至下一光束而不同，且根据重组衍射光学元件的周期而确定，其特征在于，光源能够发射持续时间小于10-12s的脉冲，并且在于，所述系统包括：

-N个补偿衍射光学元件，其具有周期性光栅、入射角度θ1k以及光栅间隔Λ1k，其中，每个光源具有一个补偿衍射光学元件(211)，入射角度θ1k从一个光束至下一光束而不同，以及光栅间隔Λ1k在相邻补偿衍射光学元件之间不同，-透镜阵列(22)，其中每个光源具有一个透镜(221)，所述透镜阵列具有预定的物平面和预定的像平面，与傅里叶透镜(23)形成具有预定放大率γ的双-傅里叶变换设置，所述双-傅里叶变换设置能够将每个补偿衍射光学元件(211)成像在重组衍射光学元件(1)上，补偿衍射光学元件位于透镜阵列(22)的物平面，重组衍射光学元件(1)位于傅里叶透镜(23)的像平面，透镜阵列(22)的像平面与傅里叶透镜(23)的物平面重合，并且在于，对于每个补偿衍射光学元件(211)，在补偿衍射光学元件上的光束的入射角度θ1k、补偿衍射光学元件在光轴上的倾斜角度Θk以及补偿衍射光学元件的光栅的间隔Λ1k，根据组合衍射光学元件(1)的间隔PA、k、λ0、放大率γ、焦长f2以及周期而确定。

2.根据权利要求1所述的空间重组的系统，其特征在于，补偿衍射光学元件(211)的倾斜角度Θk为零，并且在于，补偿衍射光学元件位于同一平面中。

3.根据权利要求2所述的空间重组的系统，其特征在于，对于每个补偿衍射光学元件(211)，光束的入射角度θ1k使得：γ.tan(k PA/f2)＝sin(θ1k)。

4.根据权利要求2所述的空间重组的系统，其特征在于，对于每个补偿衍射光学元件(211)，光束的入射角度θ1k使得：γ.tan(k PA/f2)(1+tan(k PA/f2)2)＝sin(θ1k)。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的空间重组的系统，其特征在于，所述光源根据一维或二维空间结构而设置。

6.根据权利要求5所述的空间重组的系统，其特征在于，从激光源产生的光束具有同一个出射面，所述系统包括另一个傅里叶透镜，所述另一个傅里叶透镜具有激光源的出射面所位于的物平面。

7.根据权利要求1至4中的一项所述的空间重组的系统，其特征在于，N>100。

8.根据权利要求1至4中的一项所述的空间重组的系统，其特征在于，补偿衍射光学元件的光栅为闪耀光栅。

说明书

借助于衍射元件的用于超短激光脉冲的空间重组的系统

技术领域

[0001] 本发明的领域为大量超短脉冲激光源(也即脉冲宽度小于1皮秒)的相干重组的领域。本发明的架构涉及这些激光脉冲的空间重组技术，这些激光脉冲被假定为在其他方面是完全同步的。

背景技术

[0002] 超短脉冲激光源的相干重组尤其应用于高能激光源的实现。

[0003] 根据选择在远场中并置光束或者选择在近场中(也即在系统的出射光瞳的水平)叠加光束，用于对相干光束进行空间重组的方法分为两种类型。

[0004] 图1a中显示了用于通过并置来重组的系统。在这种情况下，从激光源Fk(k从0变化至N)产生的待重组的光束通过校准透镜阵列MLC而在近场中为平行且校准的，并且以尽可能紧凑的方式而彼此并排地设置。然后通过自由传播直到远场而执行光束的叠加。这种系统不牵涉任何色散硬件部件，并且因此等同地应用于小于1皮秒的脉冲宽度。然而，这种系统的主要缺点在于其相对较低的效率，尤其是栅瓣中的能量损失具有相当大的份额。

[0005] 对于近场叠加系统而言，其例如能够通过利用电磁场的偏振来重组光束：从激光源Fk产生并且通过校准透镜CLk而校准的光束借助于分别关联于半波片HWPk的偏振分光立方体PBSk而在近场中叠加，如图1b中的示例所示。根据该系统，对于N个光束的重组效率由下式给出：

[0006]

[0007] 其中，η是每对(偏振分光立方体/半波片)的透射系数。该架构的优点在于，对于较少数量的待重组的光束而言，其实现相对容易：通常最大约10个。一方面，对于大量的光束，该系统的实现变得非常复杂，而另一方面，重组效率随光源的数量而迅速下降(在η＝99％的情况下，对于1000个重组光束，效率下降至10％)。

[0008] 无论是涉及通过校准和平行光束的自由传播而在远场重组，还是涉及通过利用分光片或偏振分光立方体的近场光束的叠加，这些系统都不适用于大量脉冲(通常>100或实际上>1000)的重组，即由于效率的问题(远场设备的栅瓣)或近场系统的实现的问题。

[0009] 用于通过叠加来重组的另一种技术利用衍射光学元件来组合光束。根据图1c所示的该技术，傅里叶变换设置中的透镜23能够校准待重组的光束(所述光束从激光源Fk产生)，并且将光束导向位于透镜23的焦平面的衍射光学元件或DOE 1。在透镜23的物平面A中的光源点的空间分布(周期为PA的周期性分布)变换为入射在光学元件DOE 1上的角度的分布。光学元件1通常是周期性相位光栅(例如，达曼光栅类型的周期性相位光栅)，其确保了所有入射光束在0级的相长干涉以及在所有其他级的相消；该光栅的周期Λ和入射角度θ2k通过用于衍射光栅的已知公式而相关联：

[0010]

[0011] 该架构的优点尤其在于高效率(在连续方式下展现出超过90％的效率)，并且由于这种集合定位、可能的二维布置以及单一透镜的使用，该架构是非常适于大量光束(通常>100)的架构。另一方面，这种技术不能原样应用于超短脉冲方式中。

[0012] 待解决的技术问题在于，尽可能高效率地通过相干过程而将激光脉冲的每个的能量转换成单个脉冲，同时相对于基本脉冲而尽可能少地降低最终脉冲的光束品质，并且同时可兼容于大量的加和的脉冲以及亚皮秒的脉冲持续时间。

发明内容

[0013] 提出的方案基于利用衍射光学元件DOE来组合光束，从而通过叠加来进行重组。根据本发明，光学衍射组件放置在该衍射光学元件的上游，从而能够经由适当的成像系统来优化超短脉冲方式的组合效率。

[0014] 更确切而言，本发明的主题为一种用于脉冲激光束的空间重组的系统，所述脉冲激光束具有以λ0为中心的相同波长，并从N个同步的光源k产生，其中k从1变化至N，N为大于1的整数，所述系统具有光轴，并且包括：

[0015] -具有焦长f2的傅里叶透镜，其具有预定的物平面和预定的像平面，激光束在物平面(平面A)中展现出在λ0具有间隔PA的周期性空间结构，

[0016] -重组衍射光学元件，其具有周期性相位轮廓，N个光束旨在通过所述傅里叶透镜根据入射角度θ2k而被引导至所述重组衍射光学元件上，这些入射角度从一个光束至下一光束而不同，且根据重组衍射光学元件的周期而确定，

[0017] 其主要特点在于，所述光源能够发射持续时间小于10-12s的脉冲，并且在于，所述系统包括：

[0018] -N个补偿衍射光学元件(DOE)，其具有周期性光栅、入射角度θ1k和光栅间隔Λ1k，其中，每个光源具有一个补偿衍射光学元件，所述入射角度θ1k从一个光束至下一光束而不同，以及所述光栅间隔Λ1k在相邻补偿衍射光学元件之间不同，

[0019] -透镜阵列，每个光源具有一个透镜，所述透镜阵列具有预定的物平面和预定的像平面，与傅里叶透镜形成具有预定放大率γ的双-傅里叶变换设置，所述双-傅里叶变换设置能够将每个补偿衍射光学元件成像在重组衍射光学元件上，补偿DOE位于透镜阵列的物平面，重组DOE位于傅里叶透镜的像平面，透镜阵列的像平面与傅里叶透镜的物平面重合，[0020] 并且在于，对于每个补偿DOE，在补偿DOE上的光束的入射角度θ1k、补偿DOE在光轴上的倾斜角度Θk以及补偿DOE的光栅的间隔Λ1k，基于重组衍射光学元件的间隔PA、k、λ0、放大率γ、焦长f2以及周期而确定。

[0021] 根据本发明的一个实施方案，补偿DOE的倾斜角度Θk为零，所述DOE位于同一平面。

[0022] 所述光源可以根据一维或二维空间结构而设置。

[0023] 优选地，补偿DOE光栅为闪耀光栅。

[0024] 根据本发明的特性，从激光源产生的光束具有同一出射面，并且该系统包括另一傅里叶透镜，所述另一傅里叶透镜具有物平面，所述激光源的出射面以及激光源的像平面位于所述另一傅里叶透镜的物平面。该透镜的像平面相对于补偿衍射光学元件的组件所位于的平面的位置，以及在该透镜的物平面中的光源的分隔，根据傅里叶透镜的焦长、周期PA和角度θ1k而确定。

附图说明

[0025] 通过阅读下述通过非限制性示例并且参考附图而给出的具体描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，在附图中：

[0026] 已描述的图1示意性地表示了用于在近场(图1a)、远场(图1b)以及通过衍射元件(图1c)而进行相干光束的空间重组的系统；

[0027] 图2示意性地示出了由用于通过衍射元件进行相干光束的空间重组的系统所产生的问题：色散(图2a)、空间重叠缺陷(图2b)以及重叠系数根据光瞳尺寸的示例性曲线(图2c)；

[0028] 图3示意性地示出了根据本发明的由用于通过衍射元件进行相干光束的空间重组的系统所满足的条件；

[0029] 图4示意性地表示了根据本发明的用于通过衍射元件进行相干光束的空间重组的示例性系统；

[0030] 图5示意性地表示了对于单个光源，根据本发明的用于光束的空间重组的系统的色散补偿原理和空间重叠优化原理(图5a)，在补偿DOE水平示出在穿过补偿DOE时的脉冲的空间分布的倾斜的更具体的视图(图5b)，以及示出补偿DOE根据入射角度和光栅的倾斜的光栅矢量 的几何构造和入射波矢量 的几何构造的相应几何构造(图5c)；

[0031] 图6示意性地示出了对于两个不同波长，在补偿DOE(图6a)和组合DOE(图6b)上的衍射角度的图解确定；

[0032] 图7示出了用于对在组合DOE上的脉冲的重叠进行优化以及对色散进行补偿的入射角度和补偿光栅的倾斜的示例性计算；

[0033] 图8显示了在有利于颜色补偿时(图8b)或者有利于重叠缺陷的补偿时(图8a)，利用设置在同一平面中的补偿DOE，根据本发明的用于光束的空间重组的系统的两个示例性实施方案。

[0034] 从一个附图至下一个附图，相同的元件由相同的附图标记来标记。

[0035] 本说明参考附图所描述附图的方位而给出。在该系统可以根据其他方位而设置的情况下，方向的术语仅以说明的方式指示，而并非是限制性的。

具体实施方式

[0036] 当系统旨在对具有典型地小于1皮秒的脉冲宽度的脉冲激光源进行重组时，在对如图2所示的具有DOE的重组系统的设置中存在两个难点：

[0037] -第一个难点相关于脉冲的光谱宽度(通常大约为，对于Δt～100.10-15s，Δλ＝10nm)。衍射元件1针对给定的工作波长而设定和制造。然而，大约10nm的光谱宽度不会严重影响DOE的重组的效率(通常，对于10nm的光谱宽度，效率损失为百分之几)。另一方面，DOE的角分散δθ0更成问题(脉冲的光谱中的蓝色成分将与红色成分以不同的角度离开DOE，如图2a所示)。

[0038] 该效应一方面由于增大了重组光束的发散而对重组光束的空间品质不利，并且另一方面使光束的空间色散变差，并暂时地加宽了脉冲。

[0039] -第二难点相关于在DOE上具有不同入射角度的短脉冲的空间重叠。该效应示出于图2b中，并且相关于脉冲的受限空间范围：在光的传播方向的横断面限制于2ω(在1/e2)，而在光的传播方向限制于c.Δt(c为光速，Δt为脉冲的持续时间)。对于在传播方向之间的零角度存在脉冲的完全重叠，而随该角度增大，重叠减小。在图1c示出的应用中，对于等于1的数值孔径，传播方向之间的角度取决于所使用的傅里叶透镜23的焦长，其最小值等于平面A中的整个光瞳的尺寸，即通道(一维，或者根据激光源的设置的图案的直径)的数量与在平面A中的两个连续光源之间的间隔的乘积。图2c给出了对于傅里叶透镜的焦长的最优值，-15根据在平面A中的光瞳的尺寸所计算的脉冲(具有300.10 s的持续时间)之间的重叠系数。
该计算清楚地示出对于通常大于10的通道数量(在一维)，以短脉冲的方式(<10-12s)，不可能高效地利用如图1c所示的架构。

[0040] 最终，利用光学衍射元件DOE的重组系统(其确保了所有脉冲沿单个传播方向的相长干涉，以及沿其他方向的相消)，可以是用于重组大量脉冲的很好的候选者，但是其在超短脉冲方式中受到两个主要问题的影响：

[0041] -相关于脉冲的光谱宽度的问题，以及

[0042] -由于光束的入射角度的分布而导致的脉冲在DOE水平的空间重叠的缺陷。

[0043] 根据本发明的系统包括补偿结构，其技术效果为实现了图3所示的条件，也即：

[0044] -一方面，脉冲的光谱的红色成分和蓝色成分必须以不同的入射角度到达组合DOE 1，所述不同的入射角度计算为使得，无论波长如何，离开这个组合DOE的波矢量全部沿着该附图的z轴；

[0045] -另一方面，无论脉冲在组合DOE上的入射角度如何，在设定时刻的能量的空间分布必须平行于组合DOE 1，即平行于附图的yOx平面，这是为了优化脉冲在组合DOE上的空间重叠。

[0046] 结合图4、图5a、图5b和图5c来描述这种补偿结构2。

[0047] 通过成像设备将第一衍射补偿组件21成像在组合DOE 1上。该成像设备包括：

[0048] -通过间隔PA隔开的具有焦长f1的M个透镜(每个光束一个透镜)的阵列22，PA为在平面A中在λ0的光束的空间周期，以及

[0049] -具有焦长f2的傅里叶透镜23，其具有至少等于N×f1的孔径，N为激光源的数量(沿着图5a所示的维度)。

[0050] 透镜阵列22与傅里叶透镜23形成具有预定放大率γ的双FT设置，其能够将衍射光学补偿组件21成像在重组衍射光学元件1上。衍射光学补偿组件21位于透镜阵列22的物平面，重组DOE 1位于傅里叶透镜23的像平面，透镜阵列22的像平面与傅里叶透镜23的物平面重合。

[0051] 该衍射补偿组件21细分为N个同样由PA隔开的N个补偿DOE，每个补偿DOE 211包括具有间隔Λ1k的周期性相位和/或振幅光栅。从脉冲激光源Sk产生的光束在该系统的上游受到校准(所述光束例如位于平面中并且受到透镜校准，或者直接利用与每个光源相关联的校准透镜而根据光束的入射角度θ1k来设置)，并且每个光束以特定角度θ1k到达相应的补偿DOE 211。根据光束在相应的补偿DOE上的入射角度θ1k和补偿DOE在z轴上的倾斜角度Θk(我们使Λ1(k-1)≠Λ1k≠Λ1(k+1)，但是使Λ1(-k)＝Λ1(+k))来计算每个间隔Λ1k，使得在中心波长λ0，所有的激光束在离开补偿DOE时是平行的，也即，在中心波长λ0，离开补偿DOE的脉冲的波矢量 是全部相同的。这些DOE 211的中部位于同一平面上，该平面位于透镜阵列22的f1处。

[0052] 傅里叶透镜23操作从平面A至组合DOE 1的平面的傅里叶变换；因此，脉冲在组合DOE上的入射角度θ2k由下式给出：

[0053] θ2k＝k.PA/f2。

[0054] 如前文所指出的，这些角度θ2k还相关于组合DOE 1的光栅的周期，以获得理想的最优组合。

[0055] 如图5a所示，为了使在组合DOE 1上的入射脉冲的能量的空间分布平行于组合DOE的平面(图中的平面xOy)，在透镜23之前的脉冲的能量分布的倾斜角度(在xOz平面)必须等于θ2k。为了优化在组合DOE 1的水平的脉冲的重叠，由透镜阵列22和傅里叶透镜23组成的具有γ＝-f2/f1的放大率的成像设备然后将以下条件加至在离开每个补偿DOE 211时能量的空间分布的倾斜角度 上：

[0056]

[0057] 此外，认为每个补偿DOE 211包括具有均匀的间隔Λk的光栅，以及每个补偿DOE的法线相对于所期望的离开DOE 211时的传播方向(图5a、5b和5c中的z轴)倾斜的角度为Θk。光源Sk的入射方向与所期望的从DOE离开时的传播方向之间的角度指定为θ1k。最后， 指代从补偿DOE 211离开时，在脉冲的能量的空间分布和脉冲的传播的轴线之间的角度。进入补偿DOE 211时的波矢量和从补偿DOE 211离开时的波矢量不平行(除了补偿DOE不倾斜的情形，也即Θ0＝0的情形)；角度Θk,、θ1k和 由下式联系起来：

[0058]

[0059] 对在组合DOE水平的脉冲的空间重叠的优化意味着：

[0060]

[0061] 这给出了标示该系统的参数之间的第一关系式：

[0062] 在平面A中的光源点的空间周期PA，

[0063] 光源的标号k，

[0064] 脉冲的中心波长λ0，

[0065] 成像设备的放大率γ，

[0066] 傅里叶透镜23的焦长f2。

[0067] 此外，如图5c所示，对于每个补偿DOE 211，其光栅的间隔Λ1k根据入射的方向θ1k、光栅的倾斜的方向以及波长λ0而由下式来建立：

[0068]

[0069] 最后，如果在系统的参数之间的下述关系得到满足，则借助于在图4和图5a中所描述的系统而确保了对在重组DOE 1的水平的脉冲的空间重叠的优化：

[0070]

[0071] 即：

[0072]

[0073] 现在来考虑对色散的补偿。

[0074] 对于第一近似，将组合DOE认为是N个正弦光栅的叠加(N为待组合的光束的数量)，其间隔Λ2k由下式给出：

[0075]

[0076] 组合DOE的光栅的周期因此等于：

[0077] λ0/sinθ21。

[0078] 其中，θ2k为标号为k的光束在中心波长λ0的在组合DOE 1上的入射角度。要解决标号为k的光束的色散的补偿，仅考虑标号为k的光栅。考虑波长为λ0+δλ0的光束以角度θ2k+δθ2k而入射在组合DOE 1上。如图6b所示，为了使在λ0和λ0+δλ0的受到DOE 1衍射的光束具有平行的传播方向(或波矢量)，波矢量的正切于DOE的平面的成分的保留意味着：

[0079]

[0080] 因此，组合DOE 1的色散等于：

[0081]

[0082] 同样地，对于补偿DOE 211，可以看出，补偿光栅的间隔Λ1k根据入射的方向θ1k、光栅的倾斜的方向以及波长λ0而由下式来建立：

[0083]

[0084] 对在波长λ0和λ0+δλ0受到补偿DOE 211衍射的并且示出在图6a中的波矢量之间的角度偏差δθ1k的计算给出：

[0085]

[0086] 因此，补偿DOE 211的角度色散等于：

[0087]

[0088] 通过对具有横向放大率γ的偏离中心的成像设备的角放大率(例如图5a中所描述的系统的横向放大率)进行计算来推导颜色补偿条件。因而获得了下述条件：

[0089]

[0090] 最后，如果下述关系得到满足，则能够借助于图4和图5a中所描述的设备而确保对组合DOE 1的色散的补偿。

[0091]

[0092]

[0093] 根据在先前部分中建立的条件，如果下述关系式得到满足，则能够借助于在图4和图5a中所描述的设备来确保对组合DOE 1的色散和在组合BOE 1的水平的脉冲的空间重叠的缺陷的同时补偿：

[0094]

[0095] 让我们来考虑下述情形中的示例：

[0096] 要组合根据为2mm的周期PA而共线地设置的101个超短(300ps)的脉冲光源(NB：下述计算等价于在2维设置中在最大直径上具有101个光源的情形，即在六边形镶嵌形式下具有7651个光源的情形)。

[0097] 成像系统的放大率固定为γ＝-5。

[0098] 中心波长为λ0＝1030nm。

[0099] 图7表示了在补偿DOE上的入射角度θ1k-Θk的值和补偿DOE 211的倾斜角度Θk的值，这些值满足上述系统，并且因此确保了对组合DOE 1的色散效应和在组合DOE上的脉冲的空间重叠缺陷的同时补偿。

[0100] 根据本发明的具体实施方案(其示例显示在图8a和图8b中)，补偿DOE 211位于同一个平面，从而简化了系统，并且尤其避免了用于对每个DOE 211定向的设备，这些设备占据大量体积并且增加了整个系统的成本。这是这样的情形：光栅例如制造在同一个支持物上，从而展现出在制造时间和成本方面的优点。这然后体现在之前的补偿DOE的倾斜角度Θk为零度的关系式中：Θk＝0。

[0101] 然后对于每个补偿DOE 211，光束的入射角度θ1k为：

[0102] -当相比于颜色补偿的损失而更期望有利于对重组的脉冲的重叠的缺陷进行补偿时，γ.tan(k PA/f2)＝sin(θ1k)(图8a)，或者

[0103] -当相比于重叠缺陷的补偿的损失而更期望有利于对重组的脉冲的颜色进行补偿时，γ.tan(k PA/f2)(1+tan(k PA/f2)2)＝sin(θ1k)(图8b)。

[0104] 补偿DOE的光栅有益地为闪耀相位光栅。可替选地，他们可以是具有正弦连续轮廓的相位光栅、具有二元轮廓的相位光栅或者具有二元轮廓(黑和白)或不具有灰度的强度光栅。所有这些示例(除了闪耀光栅)展示出多重衍射级，且因此不利于系统的整体效率。

[0105] 尽管在附图的示例中，组合DOE 1和补偿DOE 211以透射方式工作；当利用反射方式的DOE时，根据本发明的系统的原理仍然适用。