啁啾体光栅频谱衍射曲线的测量装置与测量方法
阅读说明：本技术 啁啾体光栅频谱衍射曲线的测量装置与测量方法 (Measuring device and measuring method for chirp volume grating frequency spectrum diffraction curve ) 是由 晋云霞 莫建威 孔钒宇 邵建达 何冬兵 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线测量装置与测量方法,采用高功率宽光谱激光器作为测量光源,其输出光束聚焦到一根光纤的某个端面上,在光纤中耦合并传导至光谱分析仪中,得到放置啁啾体光栅前后的输入功率,经计算后得到其衍射效率、衍射带宽和中心波长等技术参数。在该测量装置中加入多维调节载物台以精准控制啁啾体光栅的方位。本发明光路搭建简单、计算方法清晰明了,对任意规格的啁啾体光栅的频谱衍射曲线测量具有普适性,提高了啁啾体光栅频谱衍射曲线测量的效率和精度。(The invention discloses a chirp volume grating spectrum diffraction curve measuring device and a measuring method based on a high-power wide-spectrum laser. A multi-dimensional adjusting stage is added in the measuring device to accurately control the orientation of the chirped volume grating. The method has the advantages of simple light path construction and clear calculation method, has universality for measuring the frequency spectrum diffraction curve of the chirped volume grating with any specification, and improves the efficiency and the precision of the frequency spectrum diffraction curve measurement of the chirped volume grating.)
技术领域
本发明属于啁啾体光栅频谱衍射曲线测量领域，尤其是涉及一种基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线的测量装置与测量方法
背景技术
1985年，啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简称CPA)的概念被引入到激光领域中，为突破进一步提高激光脉冲的峰值功率的限制奠定了理论基础。CPA技术的基本思想是，在激光放大前，利用色散元件(衍射光栅、棱镜等)将小能量的短脉冲展宽以分散其能量，在激光放大后再压缩成短脉冲集中能量。因此在保证高能量获取效率的同时能够避免了增益介质非线性损伤的问题，巧妙地把单路激光的峰值功率提高了多个数量级，所以CPA技术是目前高功率激光系统的核心技术。
其中脉冲展宽器和压缩器是啁啾脉冲放大系统中最重要的器件之一，它们的性能限制了激光脉冲能量的提高，而且激光脉冲展宽后的最大脉冲宽度直接由脉冲展宽器和压缩器的色散量决定。另外，脉冲压缩器作为CPA系统最后一级，其色散能力、衍射效率、损伤阈值等特性决定了整个系统的最终能量输出。
啁啾体光栅(Chirped Volume Bragg Gratings，简称CVBG)因具有紧凑的尺寸结构、良好的环境稳定性、大色散能力等优点，研究人员常利用它们作为光纤啁啾脉冲放大系统的脉冲展宽器与压缩器。所以在啁啾体光栅制备完成后和使用前，一般伴随着啁啾体光栅的频谱衍射曲线的测量。通过测量，研究人员可以获得啁啾体光栅的衍射效率η、衍射带宽Δλ、中心波长λ0等技术参数，进而能够衡量所设计制造的啁啾体光栅是否达标。
鉴于以上问题，有必要提出一种基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线的测量装置与测量方法，该测量装置及相应的测量方法能够满足任意规格的啁啾体光栅的频谱衍射曲线测量的要求。
发明内容
本发明的目的是针对啁啾体光栅制备完成后其频谱衍射曲线的测量，包括啁啾体光栅的衍射效率、衍射带宽、中心波长等技术参数。
为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线的测量装置，其特点在于该装置包括：高功率宽光谱激光器、电脑、会聚凹透镜、光纤和光谱分析仪；
所述的高功率宽光谱激光器与电脑相连，并输出测量光束，沿该测量光束的传输方向依次是待测啁啾体光栅样品和会聚凹透镜，测量光束经该会聚凹透镜聚焦后，耦合进入光纤的入射端，并从光纤的出射端进入光谱分析仪。
通过所述的光谱分析仪得到待测啁啾体光栅样品在透射情况下的频谱衍射曲线。
所述的光纤的入射端由光纤头安装架固定，所述的光纤头安装架可沿水平方向、竖直方向移动，以便于测量光束聚焦于光纤的入射端上，所述的光纤的出射端接有光纤连接头，用于与所述的光谱分析仪相连接。
所述的待测啁啾体光栅样品通过待测样品夹具固定在多维调节样品台上。
所述的多维调节样品台具有使所述的待测啁啾体光栅样品沿水平方向、竖直方向移动、绕三个旋转轴转动的调节和锁定机构。
所述的电脑用于控制所述的高功率宽光谱激光器的输出功率、重复频率和脉冲宽度以满足不同参数的啁啾体光栅的频谱衍射曲线的测量需求。
利用上述基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线的测量装置对啁啾体光栅的频谱衍射曲线进行测量的方法，其特点在于，该方法包括步骤如下：
(A)对光谱分析仪进行校准，使入射光准直射入所述的光谱分析仪；
(B)对光纤两端进行切割处理，使光纤端面与光纤轴线垂直，将光纤的入射端固定在光纤头安装架上，光纤的出射端通过光纤连接头与光谱分析仪相连；
(C)根据待测啁啾体光栅样品的测试要求，调整高功率宽光谱激光器的输出功率、重复频率和脉冲宽度并加以记录，调整会聚凹透镜，使高功率宽光谱激光器输出的测量光束聚焦于光纤的入射端，调整光纤头安装架使得所述的测量光束耦合进入所述的光纤中，获得足够大的输入功率以便于使用所述的光谱分析仪测量；
(D)将所述的高功率宽光谱激光器的输出功率调整为0，将所述的待测啁啾体光栅样品放置于所述的多维调节样品台上，并使用所述的待测样品夹具加以固定，调整所述的多维调节样品台，使得所述的待测啁啾体光栅样品处于指定的测试位置；
(E)将所述的高功率宽光谱激光器的输出功率调整至预设值，设定所述的光谱分析仪的波长测量范围、功率测量范围、波长扫描步长参数，对所述的待测啁啾体光栅样品的频谱衍射曲线进行测试，并对测量结果进行记录保存；
(F)一片样品测量完毕后，暂停所述的高功率宽光谱激光器(10)，更换所述的待测啁啾体光栅样品，重新调整所述的多维调节样品台，使得更换后的待测啁啾体光栅样品处于相应的测试位置，再次将所述的高功率宽光谱激光器的输出功率调整至预设值，继续测试并记录保存测量结果，以此类推，每个样品测试完成后，重复步骤(D)至(E)继续下一轮测量；
(G)所有样品测量完毕后，依次关闭所述的高功率宽光谱激光器、光谱分析仪，取下样品并存放妥当，直至新一轮测量。
根据步骤(F)得到的待测啁啾体光栅样品的频谱衍射曲线，计算待测啁啾体光栅样品的衍射效率η，公式如下：
式中，P1表示放置所述的待测啁啾体光栅样品后，测量光束经过所述的待测啁啾体光栅样品但未发生衍射时的透射功率，即测试功率；PT表示放置所述的待测啁啾体光栅样品后，测量光束经过所述的待测啁啾体光栅样品且发生衍射时的透射功率，即衍射功率；
通过测量所述的待测啁啾体光栅样品的频谱衍射曲线的宽度，得到待测啁啾体光栅样品的衍射带宽Δλ；
通过测量所述的待测啁啾体光栅样品的频谱衍射曲线的中点对应的波长大小，得到待测啁啾体光栅样品的中心波长λ0。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.能够满足任意规格的啁啾体光栅的频谱衍射曲线的测量，且提高了啁啾体光栅的频谱衍射曲线测量的效率。
2.可精准控制啁啾体光栅的方位，提高了啁啾体光栅的频谱衍射曲线测量的精度。
3.测量装置光路简单易搭建，所涉及的计算简单清晰。
附图说明
图1为本发明中基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线测量装置的示意图
图2为本发明实施例中的啁啾体光栅的测量结果图
图中，1为光谱分析仪，2为光谱分析仪的出射端，3为光纤，4为光纤头安装架，5为会聚凹透镜，6为多维调节样品台，7为待测样品夹具，8为待测啁啾体光栅样品，9为测量光束，10为高功率宽光谱激光器，11为电脑，12为光谱分析仪的输入端，13为光纤连接头，a为光纤的出射端，b为光纤的入射端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1和图2，图1是本发明中基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线测量装置的示意图。图中，1为光谱分析仪，2为光谱分析仪的出射端，3为光纤，4为光纤头安装架，5为会聚凹透镜，6为多维调节样品台，7为待测样品夹具，8为待测啁啾体光栅样品，9为测量光束，10为高功率宽光谱激光器，11为电脑，12为光谱分析仪的输入端，13为光纤连接头，a为光纤的出射端，b为光纤的入射端。
图2是本发明实施例中的啁啾体光栅的测量结果图。图中，P0为未放置所述的待测啁啾体光栅样品时，测量光束9直接传输至光谱分析仪中的功率，即背景功率；P1为放置所述的待测啁啾体光栅样品后，测量光束9经过所述的待测啁啾体光栅样品但未发生衍射时的透射功率，即测试功率；PT为放置所述的待测啁啾体光栅样品后，测量光束9经过所述的待测啁啾体光栅样品且发生衍射时的透射功率，即衍射功率；Δλ为待测啁啾体光栅样品的衍射带宽；λ0为待测啁啾体光栅样品的中心波长。
由图可见，在本发明中基于高功率宽光谱激光器的啁啾体光栅频谱衍射曲线测量装置，包括：一直线形测量光束9从所述的高功率宽光谱激光器10中输出，依次经过由待测样品夹具7固定且放置在多维调节样品台6上的待测啁啾体光栅样品8，出射光束经过会聚凹透镜5后发生聚焦，并聚焦在光纤3的入射端b上，光纤3的入射端被光纤头安装架4固定，光纤3的出射端a接有光纤连接头13，通过所述的光纤连接头13将光纤3与光谱分析仪1的输入端12相连接。另外，所述的高功率宽光谱激光器10与电脑11相连，可通过电脑11调控高功率宽光谱激光器10的输出功率、重复频率和脉冲宽度，以得到测量所需的测量光束9。
本发明实施例中，测量了一块厚度为16mm、宽度为5mm的啁啾体光栅样品8，其设计中心波长λ0为1030nm，设计衍射带宽Δλ为2.38nm。本发明实施例中的测量如下步骤：对光谱分析仪1进行校准，使光谱分析仪1的波长测量误差满足测量要求，并使入射光准直射入所述的光谱分析仪1；对光纤3两端进行切割处理，使光纤端面与光纤轴线垂直，将光纤3的入射端b固定在光纤头安装架4上，光纤3的出射端a通过光纤连接头13与光谱分析仪1相连接；根据待测啁啾体光栅样品的测试要求，通过电脑11调整高功率宽光谱激光器10的输出功率、重复频率和脉冲宽度并加以记录，调整会聚凹透镜5，使高功率宽光谱激光器10输出的测量光束9聚焦于光纤3的入射端b，调整光纤头安装架4使得所述的测量光束9耦合进入所述的光纤3中，获得足够大的输入功率以便于使用所述的光谱分析仪1测量；将所述的高功率宽光谱激光器10的输出功率调整为0，将所述的待测啁啾体光栅样品8放置于所述的多维调节样品台6上，并使用所述的待测样品夹具7加以固定，调整所述的多维调节样品台6，使得所述的待测啁啾体光栅样品处于指定的测试位置；将所述的高功率宽光谱激光器10的输出功率调整至预设值，该预设值为所述的高功率宽光谱激光器10的额定输出功率的30％，将所述的光谱分析仪1的波长测量范围设定为1026nm至1035nm，功率测量范围设定为0mW至2×10-5mW，波长扫描步长参数设定为0.02nm，对所述的待测啁啾体光栅样品8的频谱衍射曲线进行测试，并对测量结果进行记录保存；测量完毕后，依次关闭所述的高功率宽光谱激光器10、光谱分析仪1，取下啁啾体光栅样品8并存放妥当，直至新一轮测量。
其测量结果如下图2所示，其中测量光束9经过所述的待测啁啾体光栅样品8但未发生衍射时的透射功率，即测试功率P1的测量值为1.82×10-5mW；测量光束9经过所述的待测啁啾体光栅样品8且发生衍射时的透射功率，即衍射功率PT的测量值为3.99×10-6mW。根据公式计算得到待测啁啾体光栅样品8的衍射效率为η＝78.1％。测量得到待测啁啾体光栅样品8的中心波长λ0为1030.41nm，衍射带宽Δλ为2.18nm。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
实验表明，本发明能够满足任意规格的啁啾体光栅的频谱衍射曲线的测量，该测量装置光路简单、易搭建、调整灵活精确，有效提高了啁啾体光栅频谱衍射曲线测量的效率和精度。
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