高功率激光衍射型空间滤波器 【技术领域】
本发明涉及一种光学空间滤波装置，特别是一种适用于高功率激光脉冲的衍射型低通滤波装置。
背景技术
针孔滤波器是最常用的空间滤波器之一。它利用透镜的傅立叶变换功能，使入射光束中的低阶模、高阶模在频谱面分离开，然后利用针孔板(或单模光纤)选通所需角谱分量，实现空间低通滤波。针孔滤波器用于高功率激光器时，存在以下不足：高功率激光在针孔附近聚焦，经透镜聚焦的激光光斑烧毁针孔，或在光路中形成有害的等离子体。中国专利200710039731.7公开了一种用石英晶体平凸透镜、滤波小孔、普通透镜和偏振片构成的共焦系统，该激光束空间整形装置内部有聚焦点。中国专利200610024096.0公开了一种体全息光栅整形装置，其用途是动态地、多功能地对超短脉冲激光束进行整形。美国专利US7424185B2提出一种基于变周期体全息光栅的脉冲整形装置，其用途是对超短脉冲激光束进行展宽和压缩。李彪，陈怀新，隋展，丁磊等(基于晶体旋光效应的近场光学空间滤波，《强激光与粒子束》2006年第18卷第1期)提出了用旋光性实现激光光束的近场空间滤波方法。傅恩生(用腔内布拉格光栅改善激光源的空间光束质量，《激光与光电子学进展》2003年第40卷第12期)提出利用厚相位光栅插入各种激光腔中进行角向选择，改善空间光束质量。郑光威，何焰蓝，黄水花，谭吉春等(透射型体相位光栅对连续激光光束空间低通滤波研究，《光学学报》，2009年29卷第4期，P863-868)；郑光威，刘莉等(透射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性研究，《光学学报》2009年29卷第1期P126-131)；郑光威，谭吉春等(反射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性分析，《光学学报》2009年29卷第12期)分析了体积布喇格光栅对激光的衍射性能。上述专利和文献没有针对高功率激光系统多程放大和级间隔离的需要提供光栅滤波装置，所报道的滤波器构型满足单程滤波的需要，不能满足双程、二轴空间滤波的需要。
【发明内容】
本发明的目的在于针对针孔滤波器以及光栅单程滤波的缺点，提供一种没有透镜和针孔的、承载功率较高的光栅双程空间滤波器件，替代多程放大器中的针孔滤波器；提供一种衍射频带宽度较宽的光栅，满足短脉冲和超短脉冲空间滤波的需求。
本发明的高功率激光衍射型空间滤波器，结构是：左边是1个中轴线为竖线BC的级间隔离滤波器、中间是1组中轴线为横线CD的增益介质，右边是一个中轴线为竖线DE的多程腔滤波器，整个装置的中轴线组成一条BCDEF折线，在B点、C点、D点和E点各安放1个使光束偏转90°的光栅，所述光栅为分离式体积布喇格光栅或双片集成式光栅，在F点安放1个反射镜。
所述光栅为分离式体积布喇格光栅或双片集成式光栅。其中，分离式光栅的结构有两种：单周期光栅和多周期光栅。
所述光栅是一块透明的片状玻璃或晶体材料，其长度和宽度为25mm～500cm，单片厚度为2～30mm。光栅在光路中的运行状态分为“反射型”和“透射型”，二者的滤波效果基本相同。
所述分离式体积布喇格光栅的一种构型是单周期光栅，单片栅体材料中有一组平行的层状栅纹面，其光栅周期对入射激光的中心波长λ0满足布喇格衍射条件，衍射效率不小于90％。所述单周期光栅的截面最大尺寸不小于增益介质截面直径(或边长)的倍，厚度不大于5mm。
所述分离式体积布喇格光栅的另一种构型是多周期光栅，单片栅体材料内含2～100个光栅矢量平行的层状子光栅，层状子光栅栅纹面的周期分别对入射激光脉冲的波长成份λ1、λ2…λ99、λ100满足布喇格衍射条件，衍射效率不小于90％。所述层状子光栅的截面最大尺寸不小于增益介质截面直径(或边长)的倍，厚度不大于5mm。
所述双片集成式光栅的内部包含栅纹取向相互垂直的两片子光栅， 一块栅体材料分成三个层状区域，中间是透明过渡层，左侧和右侧是子光栅，各子光栅内有一组平行的层状栅纹面，其厚度不大于5mm。单层子光栅的光栅周期均对入射激光的中心波长λ0满足布喇格衍射条件，衍射效率不小于90％。所述双片集成式光栅的截面最大尺寸不小于增益介质截面直径或边长的倍，总厚度不大于20mm。
所述级间隔离滤波器中，安装在级间隔离滤波器内 部B点和C点的两个光栅的栅纹面法线正交，对来自外部的正向传播的激光以及来自 增益介质的逆向传播的激光 同时进行空间滤波。
所述多程腔滤波器中，安装在所述多程 腔滤波器内部D点和E点的两个光栅的栅纹面法线正交，对来自增益介质的正向传播的激光以及来自反射镜的逆向传播的激光 同时进行空间滤波。
本发明的优点：(1)空间滤波器可承载地功率较高：滤波器内部不含会聚透镜，激光束不会在光学滤波装置中形成会聚点，排除了高功率激光聚焦烧毁滤波器件的可能性；与此同时，通过激光扩束(增大光栅的面积)，可相应减小光栅材料单位面积受辐照的光功率密度。使得衍射型滤波器不存在针孔滤波器易于被聚焦激光烧毁的缺点。光栅使用抗损阈值较高的玻璃或晶体材料制成相位光栅，滤波器件可承载的激光功率较高，能满足10焦耳-100焦耳级高功率激光空间滤波的需求。(2)光束在滤波器内双程传播，提高单个光栅的利用率，有利于改善滤波器的角谱选择性。(3)滤波器中使用双片集成式光栅，有利于缩小二轴滤波器的体积。(4)滤波器中使用多周期光栅，具备对超短脉冲激光的空间滤波性能。多周期光栅中各子光栅分别对入射光中心波长λ及边带成份λ+Δλ、λ-Δλ有较高衍射效率，衍射滤波的频带宽度较宽。在角谱选择性相同的实验条件下，单周期光栅只能有效地对激光脉冲的中心波长成分λ滤波，存在“衍射频带宽度较窄”的局限性。
【附图说明】
图1为实施例1高功率激光衍射型滤波器结构示意图；
图2为实施例2反射型光栅组成I类滤波器示意图；
图3为实施例3透射型光栅组成I类滤波器示意图；
图4单周期光栅的布喇格衍射角谱选择性曲线图；
图5为实施例4双片集成式光栅的外形示意图；
图6双片集成式光栅组成的II类滤波器示意图；
图7为实施例5多周期光栅外形和内部结构示意图；
图8多周期光栅布喇格衍射波长选择性曲线图。
【具体实施方式】
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明：
实施例1：高功率激光衍射型滤波器
参照图1：滤波器装置中，左边是1个中轴线为竖线BC的级间隔离滤波器、中间是1组中轴线为横线CD的增益介质，右边是一个中轴线为竖线DE的多程腔滤波器，整个装置的中轴线组成一条BCDEF折线，在B点、C点、D点和E点各安放1个使光束偏转90°的分离式体积布喇格光栅，在F点安放1个反射镜。
其中，级间隔离滤波器由两个光栅(光栅2、光栅3)组成。多程腔滤波器由两个光栅(光栅5、光栅6)和一片反射镜8组成。
利用体积布喇格光栅的角谱选择性实现空间滤波。在反射镜的作用下，激光在图1装置中正向、逆向往返1周，每个光栅起两次滤波作用，有利于增强滤波的角谱选择性。
所述光栅的结构分为三种：分离式单周期、分离式多周期和双片集成式。三种光栅均起滤波作用，表1列出主要不同点。
表1
激光的第一种传播路径是“出射光与入射光同轴”：激光束1自A点入射，沿ABCDEF折线传播到F点。光束7沿FEDCB折线传播到A点，出射方向与入射方向重合。第二种路径是出射方向与入射方向有小的夹角。使得“出射光与入射光在空间分离”。
实施例2：使用反射型光栅组成的I类滤波器
本例所用的体积布喇格光栅为权利要求3所述的“分离式”光栅，分离式光栅所组成的滤波装置被称为I类装置。所述I类装置的特征是图2中BC和DE轴线的长度大于增益介质截面直径d(或边长L)的2倍。整个光路中无透镜，光束在滤波器中无会聚点。
本例所用的分离式光栅是单周期光栅，运行状态为反射型。反射状态的特点是衍射光与入射光位于光栅栅体的同一侧。光栅矢量正交的两个光栅成对使用。参照图2左部，级间隔离滤波器由两块体积布喇格光栅组成。其中光栅9R位于B点，使光束1偏转90°(沿BC方向传播)；另一块光栅11R位于C点，使光束10偏转90°(沿CD方向传播)。光束12通向 增益介质4。
参照图2右部，多程腔滤波器由两块体积布喇格光栅以及1面反射镜组成。其中光栅14R位于D点，使光束13转偏90°(沿DE方向传播)；光栅16R位于E点，使光束15转偏90°(沿EF方向传播)。位于F点的反射镜18使光束17逆转方向。在所述4块光栅和反射镜18的共同作用下，图2装置同时对入射激光8以及被反射镜18反射的逆向激光(图中未画出)实施低通滤波。
单个光栅是一块透明的玻璃或晶体，单块片状材料中有一组平行的层状栅纹面，其光栅周期均对入射激光的中心波长λ0满是布喇格衍射条件，衍射效率不小于90％。单个光栅外形厚度不大于5mm，长度、宽度在25mm～500cm范围。最大线度不小于增益介质截面直径d(或边长L)的倍。
反射型光栅的典型参数见表2。该例中，激光波长1053nm，单片光栅的厚度约3mm，光栅周期为0.37～0.45μm。
表2
参数名称 取值 参数名称 取值 波长λ 1053nm 光栅周期Λ 0.37～0.45um 入射角φ 45～60deg 光栅厚度t 3mm 材料折射率n 1.48 折射率调制度 ～2.6(×10-3)
实施例3：使用透射型光栅组成的I类滤波器
本例所用的体积布喇格光栅为权利要求3 所述的“分离式”光栅。该分离式光栅是单周期光栅，运行状态为透射型。透射运行状态的特点是衍射光与入射光位于光栅栅体的异侧。透射型光栅I类空间滤波装置的结构和上文实施例2反射型光栅组成装置的结构相同，光束传播方式相同。
参照图3左部，级间隔离滤波器由两个体积布喇格光栅组成。其中光栅9T位于B点，使光束1偏转90°(沿BC方向传播)；另一块光栅11T位于C点，使光束10偏转90°(沿CD方向传播)。光束12通向增益介质4。
参照图3右部，多程腔滤波器由两个体积布喇格光栅以及1面反射镜组成。其中光栅14T位于D点，使光束13转偏90°(沿DE方向传播)；光栅16T位于E点，使光束15转偏90°(沿EF方向传播)。位于F点的反射镜18使光束17反向传播。在所述4块光栅和反射镜18的共 同作用下，图3装置同时对入射激光8以及被反射镜18反射的逆向激光(图中未画出)实施低通滤波。
单个光栅是一块透明的玻璃或晶体，单块片状材料中有一组平行的层状栅纹面，其光栅周期均对入射激光的中心波长λ0满足布喇格衍射条件，衍射效率不小于90％。单个光栅外形长度、宽度在25mm～500cm范围，厚度不大于5mm。
对于波长1064nm激光，单层子光栅的厚度不小于1.8mm，光栅周期约为5.08μm，其它参数见表3。布喇格衍射角谱选择性曲线表征光栅的滤波性能。图4所示是光栅(表3单周期透射型)的角谱选择性曲线，曲线的半宽度约1.5毫弧度。
表3
参数名称 取值 参数名称 取值 波长λ 1064nm 光栅周期Λ 5.08μm 入射角φ 6.0deg 光栅厚度t 1.80mm 材料折射率n 1.500 折射率调制度 3×104
实施例4：双片集成式光栅组成的II类滤波器
本例所用的光栅为权利要求5所述的“双片集成式”光栅，双片集成式光栅所组成的滤波装置被称为II类装置。所述II类装置的特征是图2中BC和DE轴线的长度小于增益介质截面直径d(或边长L)的2倍。整个光路中无透镜，光束在滤波器中无会聚点。
参照图5、图6，用透明玻璃或晶体制作双片集成式光栅，同一块材料分成三个层状区域，每层厚度在1～5mm范围。左侧子光栅22和右侧子光栅23是透射型片状相位光栅，二者之间是透明过渡层。子光栅22和子光栅23的特征在于，两个子光栅的周期均对入射激光的中心波长λ0满足布喇格衍射条件，二者栅纹取向相互垂直，形成一个二轴滤波器。波长为λ0的激光束的空间频率低频成份的传播路径为ABCD折线，几何参数见表4。
表4
光栅名称 光束入射角(度) 光束出射角(度)角谱滤波面 子光栅1a ∠ABJ＝45° ∠CBK＝45°与△ABC平行的平面 子光栅1b ∠BCp＝45° ∠DCQ＝45°与△BCD平行的平面
子光栅22的轴线JBK与笛卡尔坐标系Z’轴重合。子光栅23的轴线PCQ与Z’轴平行。二者的表面均与X’-Y’面平行。子光栅22、子光栅23的一级(或二级)布喇格衍射波长等于激光束的中心波长为λ0，入射激光束19在△ABJ面内(即Y’-Z’坐标面)，沿AB从左侧进入子光栅22，其入射方向与Z’轴的夹角为45°(或其它锐角γ)。子光栅22对△ABC平面内的角谱分量实现低通滤波，在X’-Z’坐标面内产生衍射光20。子光栅23对△BCD平面内的角谱分量实现低通滤波，在Z’轴上方△CDQ面内产生衍射光21，其出射方向与Z’轴的夹角为45°(或其它锐角γ)。
一块双片集成式光栅的厚度比实施例2一片普通“分离式”光栅的厚度至少大1倍，内部集成两块子光栅(二者光栅矢量正交)。因为1块双片集成式光栅起到权利要求所述两个分离式光栅相同的滤波效果，所以本实施例中双片集成式光栅的特殊作用是，其厚度增大没有明显增大光栅占用的空间，而减少一个分离式光栅，能明显缩短滤波器的轴线长度，从而减小整个滤波装置的安装空间。
实施例5：适用于脉冲激光的多周期光栅I类滤波器
权利要求4所述的多周期光栅是分离式光栅的另一种构型。单块多周期光栅在图1滤波器中的安装位置和使用方法与一个分离式单周期光栅相同。本发明中，多周期光栅的特殊作用，是在保持角谱选择性的前提下扩展滤波器的带宽。
反射型多周期光栅24的光路如图7(右)，入射激光脉冲为25，出射(衍射)光脉冲为26。特征在于：一块多周期光栅的厚度比权利要求3所述的单片“单周期”光栅的厚度至少大两倍，其内部集成2片(或3～100片)子光栅。参照图7(左)，一块片状材料分成3个层状区域，每一层是一个相位子光栅，各层状子光栅的光栅矢量的方向相互平行，但三个子光栅的栅纹周期Λ-、Λ、Λ+分别对入射激光的波长成份λ1、λ2和λ3满足布刺格衍射条件，形成一个分层多周期光栅24。
图8为含三个子光栅的一块多周期光栅的波长选择性曲线图。入射激光划分成λ+△λ、λ、λ-△λ三个波段，多周期光栅被划分成厚度为40微米的3个区。子光栅周期变化范围为0.3612-0.3695微米(折射率n＝1.52，折射率调制系数n1＝0.0065)。根据传输矩阵计算出的多周期光栅的布喇格衍射带宽约为25nm，适合用于对脉冲滤波。和同样厚度(120μm)的周期为0.3653微米的单周期光栅(Uniform volume grating)相比，单周期光栅对中心波长632.8nm的激光的衍射带宽约为5nm，适合用于对连续机关滤波。
实施例5仅仅是一个简明的例子，它将栅体划分成3个薄层区域，在各薄层制作多周期光栅。本发明权利要求5的内容，同样适用于子光栅周期Λm沿栅纹面法线渐变的变周期光栅器件(Chirped volume grating)和滤波装置。