柱面展宽器光栅对的调节方法技术领域
本发明涉及飞秒脉冲展宽，是一种柱面展宽器光栅对的调节方
法。本发明利用衍射光调节光栅对平行，具有操作简单，精度高，调
节范围广，不受光栅水平和竖直错开距离限制的优点。
背景技术
啁啾脉冲放大技术是目前获取超短、超强激光脉冲的经典方法，
它首先利用展宽器对飞秒种子脉冲引入一定的啁啾量，使脉冲展宽，
再通过必要的放大后，利用压缩器引入与展宽器相反的啁啾量，使脉
冲宽度复原。由于展宽后的脉冲峰值功率已被大大降低，在随后的放
大过程中啁啾激光脉冲可以得到充分放大而不会过早产生非线性效
应和放大饱和效应。展宽系统是激光装置的重要组成部分，它的设计、
调节好坏直接影响输出脉冲的质量。
1996年，G.Cheriaux等人提出了一种消像差的展宽系统，又叫
Offner展宽器。这种展宽器的成像系统由共心放置的凹面镜和凸面
镜组成，凸面镜的曲率半径为凹面镜曲率半径的一半，凸面镜置于凹
面镜焦点处，使得系统像差很小，但缺点为对曲面镜曲率半径的精度
和曲面镜面形的精度要求都很高，光路比较复杂，调节难度较大。事
实上，由于这种展宽器采用球面镜结构，在偏离共心处仍然存在着像
差，并对具有超宽频谱的窄脉冲有着不可忽略的色阶色散。
1997年，日本东京大学固体物理实验室的JiroItatani等人将
Offner展宽器成像系统的球面镜换成柱面镜，这种柱面展宽器结构
如图1所示。柱面展宽器理论上能够完全消除像差和噪声“啁啾”，
提高激光脉冲的对比度。然而，柱面镜加工精度无法保证，并且展宽
器中使用了两块光栅，调节难度较大，这也是这种展宽器仍未能广泛
使用的原因。近些年来，伴随着柱面镜加工技术的发展和工程上的需
求，柱面展宽器又重新引起了科研人员的关注。如何精密地实现柱面
展宽器光栅对的调节，成为制约该种展宽系统在高能拍瓦装置中应用
的技术瓶颈之一。
在先技术中，中国科学院上海光学精密机械研究所李闯等人使用
一台准直光源和一个直角棱镜，利用直角棱镜调节光栅对平行，这种
方法操作简单，精度较高，不受光栅对水平错开距离的限制，但缺点
是：当两个光栅在竖直方向上没有交叉或者光栅的工作面是同一方向
时,这种方法不适用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种柱面展宽器光栅
对的调节方法。该方法操作简单，具有操作简单，精度高，调节范围
广，不受光栅水平和竖直错开距离限制的优点。
本发明所采用的技术方案是：
一种柱面展宽器光栅对的调节方法，其特点征在于该方法需要使
用的器件包括：宽带光源、小孔光阑、白片、光纤光谱仪及其安装的
调整平台，待调整的第一光栅和第二光栅，该方法包括如下步骤：
第一步，将待调整的第一光栅放置在柱面凸面镜和柱面凹面镜所
构成的成像系统的曲率中心，确定成像系统轴线方向；
第二步，设定待调整的第二光栅的放置位置和基准方向，该基准
方向要分别和第一光栅的摆放位置及第二光栅设定的摆放位置相
交；
第三步，调节所述宽带光源的高度，使该宽带光源的输出光以第
一光栅的中心高度沿基准方向水平出射，依次经小孔光阑的小孔和白
片入射至第一光栅并反射，调节第一光栅的角度和俯仰，使所述的输
出光经第一光栅反射后射入所述的白片后分为透射光路和反射光路，
保持所述的透射光路经小孔光阑的小孔原路返回，实现宽带光源的输
出光与第一光栅垂直；
第四步，将光纤光谱仪的探头放置于白片的反射光路上，调节光
纤光谱仪探头的空间位置，使光纤光谱仪测得的光谱强度最大，固定
该光纤光谱仪的探头；
第五步，根据光栅方程计算第一光栅在理想工作状态时光纤光谱
仪所接收的峰值波长的理论值λ，调节第一光栅的角度，使光纤光谱
仪显示的峰值波长等于理论值λ，同时调节第一光栅的条纹旋转，使
得第一光栅的衍射光线与宽带光源的输出光保持水平；
第六步，将待调整的第二光栅摆放在放置位置；
第七步，调节所述宽带光源的高度，使该宽带光源的输出光以第
二光栅的中心高度沿基准方向水平出射，依次经小孔光阑的小孔和白
片入射至第二光栅并反射，调节第二光栅的角度和俯仰，使所述的输
出光经第二光栅反射后射入所述的白片后分为透射光路和反射光路，
保持所述的透射光路经小孔光阑的小孔原路返回，实现宽带光源的输
出光与第二光栅垂直；
第八步，重复第三步的操作；
第九步，调节第二光栅的角度，使光纤光谱仪显示的峰值波长等
于理论值λ，同时调节第二光栅的条纹旋转，使得第二光栅的衍射光
线与宽带光源的输出光保持水平；至此，第一光栅与第二光栅平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明操作简单，精度高，光栅对平行度误差小于20微弧
度。
(2)本发明适用范围广，不受光栅入射角的限制，也不受光栅
对水平和竖直错开距离限制，光栅对的工作面可以朝向同一方向。
(3)本发明使用的器材是实验室常用器材，容易获得。
附图说明
图1为一种常用的柱面展宽器的结构图实施例，(a)为俯视图，(b)
为侧视图。
图2为所述的宽带光源的光谱图。
图3为选取的基准方向，从俯视图上观察，基准方向要与第一光
栅1和第二光栅2相交；
图4为本发明柱面展宽器光栅对的调节方法，用来调节入光栅与
入射光垂直。
图5为本发明柱面展宽器光栅对的调节方法，用来旋转光栅到理
想工作状态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。其中相同的标号始终表示相
同的部件，下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。
图1为一种常用的柱面展宽器的结构图实施例，(a)为俯视图，(b)
为侧视图，其中1为第一光栅，2为第二光栅，3为柱面凸面镜，4
为平面全反镜，5为柱面凹面镜，01、02分别为入射光和出射光。柱
面凸面镜3和柱面凹面镜5的柱面方向呈相互平行放置，且柱面凸面
镜3和柱面凹面镜5的曲率中心重合，第一光栅1放置在柱面凸面镜
3和柱面凹面镜5的曲率中心上，第二光栅2与第一光栅1平行放置，
第二光栅2与第一光栅1之间的距离由柱面展宽器的色散量确定，平
面全反镜4与第二光栅2的衍射光路垂直。
本发明柱面展宽器光栅对的调节方法，需要使用的器件包括：宽
带光源6、小孔光阑7、白片8、光纤光谱仪9及其安装的调整平台，
待调整的第一光栅1和第二光栅2，该方法包括如下步骤：
第一步，将待调整的第一光栅1放置在柱面凸面镜3和柱面凹面
镜4所构成的成像系统的曲率中心，确定成像系统轴线方向；
第二步，设定待调整的第二光栅2的摆放位置和基准方向03，
如图3所示，从俯视图上观察，该基准方向要分别和第一光栅1的摆
放位置及第二光栅2设定的摆放位置相交；
第三步，调节所述宽带光源6的高度，使该宽带光源6的输出光
以第一光栅1的中心高度沿基准方向03水平出射，依次经小孔光阑
7的小孔和白片8入射至第一光栅1并反射，调节第一光栅1的角度
和俯仰，使所述的输出光经第一光栅1反射后射入所述的白片8后分
为透射光路和反射光路，保持所述的透射光路经小孔光阑7的小孔原
路返回，实现宽带光源6的输出光与第一光栅1垂直；
第四步，将光纤光谱仪9的探头放置于白片8的反射光路上，调
节光纤光谱仪9探头的空间位置，使光纤光谱仪9测得的光谱强度最
大，固定该光纤光谱仪9的探头，如图4所示；
第五步，根据光栅方程计算第一光栅1在理想工作状态时光纤光
谱仪9所接收的峰值波长的理论值λ，调节第一光栅1的角度，使光
纤光谱仪9显示的峰值波长等于理论值λ，同时调节第一光栅1的条
纹旋转，使得第一光栅1的衍射光线与宽带光源6的输出光保持水平，
如图5所示；
第六步，将待调整的第二光栅2放置在设定的摆放位置上；
第七步，调节所述宽带光源6的高度，使该宽带光源6的输出光
以第二光栅2的中心高度沿基准方向03水平出射，依次经小孔光阑
7的小孔和白片8入射至第二光栅2并反射，调节第二光栅2的角度
和俯仰，使所述的输出光经第二光栅2反射后射入所述的白片8后分
为透射光路和反射光路，保持所述的透射光路经小孔光阑7的小孔原
路返回，实现宽带光源6的输出光与第二光栅2垂直；
第八步，重复第三步的操作；
第九步，调节第二光栅2的角度，使光纤光谱仪9显示的峰值波
长等于理论值λ，同时调节第二光栅2的条纹旋转，使得第二光栅2
的衍射光线与宽带光源6的输出光保持水平；至此，第一光栅1与第
二光栅2平行。
本发明主要应用于柱面展宽器光栅对的调节。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体描述和显示了本发明，
但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本
发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。