借助于衍射元件的用于超短激光脈沖的空間重組的系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明的領(lǐng)域?yàn)榇罅砍堂}沖激光源(也即脈沖寬度小于1皮秒)的相干重組的領(lǐng)域。本發(fā)明的架構(gòu)涉及這些激光脈沖的空間重組技術(shù)，這些激光脈沖被假定為在其他方面是完全同步的。

背景技術(shù)：

超短脈沖激光源的相干重組尤其應(yīng)用于高能激光源的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)選擇在遠(yuǎn)場中并置光束或者選擇在近場中(也即在系統(tǒng)的出射光瞳的水平)疊加光束，用于對相干光束進(jìn)行空間重組的方法分為兩種類型。

圖1a中顯示了用于通過并置來重組的系統(tǒng)。在這種情況下，從激光源F_k(k從0變化至N)產(chǎn)生的待重組的光束通過校準(zhǔn)透鏡陣列MLC而在近場中為平行且校準(zhǔn)的，并且以盡可能緊湊的方式而彼此并排地設(shè)置。然后通過自由傳播直到遠(yuǎn)場而執(zhí)行光束的疊加。這種系統(tǒng)不牽涉任何色散硬件部件，并且因此等同地應(yīng)用于小于1皮秒的脈沖寬度。然而，這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)在于其相對較低的效率，尤其是柵瓣中的能量損失具有相當(dāng)大的份額。

對于近場疊加系統(tǒng)而言，其例如能夠通過利用電磁場的偏振來重組光束：從激光源F_k產(chǎn)生并且通過校準(zhǔn)透鏡CL_k而校準(zhǔn)的光束借助于分別關(guān)聯(lián)于半波片HWP_k的偏振分光立方體PBS_k而在近場中疊加，如圖1b中的示例所示。根據(jù)該系統(tǒng)，對于N個光束的重組效率由下式給出：

其中，η是每對(偏振分光立方體/半波片)的透射系數(shù)。該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，對于較少數(shù)量的待重組的光束而言，其實(shí)現(xiàn)相對容易：通常最大約10個。一方面，對于大量的光束，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變得非常復(fù)雜，而另一方面，重組效率隨光源的數(shù)量而迅速下降(在η＝99％的情況下，對于1000個重組光束，效率下降至10％)。

無論是涉及通過校準(zhǔn)和平行光束的自由傳播而在遠(yuǎn)場重組，還是涉及通過利用分光片或偏振分光立方體的近場光束的疊加，這些系統(tǒng)都不適用于大量脈沖(通常>100或?qū)嶋H上>1000)的重組，即由于效率的問題(遠(yuǎn)場設(shè)備的柵瓣)或近場系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的問題。

用于通過疊加來重組的另一種技術(shù)利用衍射光學(xué)元件來組合光束。根據(jù)圖1c所示的該技術(shù)，傅里葉變換設(shè)置中的透鏡23能夠校準(zhǔn)待重組的光束(所述光束從激光源F_k產(chǎn)生)，并且將光束導(dǎo)向位于透鏡23的焦平面的衍射光學(xué)元件或DOE 1。在透鏡23的物平面A中的光源點(diǎn)的空間分布(周期為P_A的周期性分布)變換為入射在光學(xué)元件DOE 1上的角度的分布。光學(xué)元件1通常是周期性相位光柵(例如，達(dá)曼光柵類型的周期性相位光柵)，其確保了所有入射光束在0級的相長干涉以及在所有其他級的相消；該光柵的周期Λ和入射角度θ_2k通過用于衍射光柵的已知公式而相關(guān)聯(lián)：

該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)尤其在于高效率(在連續(xù)方式下展現(xiàn)出超過90％的效率)，并且由于這種集合定位、可能的二維布置以及單一透鏡的使用，該架構(gòu)是非常適于大量光束(通常>100)的架構(gòu)。另一方面，這種技術(shù)不能原樣應(yīng)用于超短脈沖方式中。

待解決的技術(shù)問題在于，盡可能高效率地通過相干過程而將激光脈沖的每個的能量轉(zhuǎn)換成單個脈沖，同時相對于基本脈沖而盡可能少地降低最終脈沖的光束品質(zhì)，并且同時可兼容于大量的加和的脈沖以及亞皮秒的脈沖持續(xù)時間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提出的方案基于利用衍射光學(xué)元件DOE來組合光束，從而通過疊加來進(jìn)行重組。根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)衍射組件放置在該衍射光學(xué)元件的上游，從而能夠經(jīng)由適當(dāng)?shù)某上裣到y(tǒng)來優(yōu)化超短脈沖方式的組合效率。

更確切而言，本發(fā)明的主題為一種用于脈沖激光束的空間重組的系統(tǒng)，所述脈沖激光束具有以λ₀為中心的相同波長，并從N個同步的光源k產(chǎn)生，其中k從1變化至N，N為大于1的整數(shù)，所述系統(tǒng)具有光軸，并且包括：

-具有焦長f₂的傅里葉透鏡，其具有預(yù)定的物平面和預(yù)定的像平面，激光束在物平面(平面A)中展現(xiàn)出在λ₀具有間隔P_A的周期性空間結(jié)構(gòu)，

-重組衍射光學(xué)元件，其具有周期性相位輪廓，N個光束旨在通過所述傅里葉透鏡根據(jù)入射角度θ_2k而被引導(dǎo)至所述重組衍射光學(xué)元件上，這些入射角度從一個光束至下一光束而不同，且根據(jù)重組衍射光學(xué)元件的周期而確定，

其主要特點(diǎn)在于，所述光源能夠發(fā)射持續(xù)時間小于10^-12s的脈沖，并且在于，所述系統(tǒng)包括：

-N個補(bǔ)償衍射光學(xué)元件(DOE)，其具有周期性光柵、入射角度θ_1k和光柵間隔Λ_1k，其中，每個光源具有一個補(bǔ)償衍射光學(xué)元件，所述入射角度θ_1k從一個光束至下一光束而不同，以及所述光柵間隔Λ_1k在相鄰補(bǔ)償衍射光學(xué)元件之間不同，

-透鏡陣列，每個光源具有一個透鏡，所述透鏡陣列具有預(yù)定的物平面和預(yù)定的像平面，與傅里葉透鏡形成具有預(yù)定放大率γ的雙-傅里葉變換設(shè)置，所述雙-傅里葉變換設(shè)置能夠?qū)⒚總€補(bǔ)償衍射光學(xué)元件成像在重組衍射光學(xué)元件上，補(bǔ)償DOE位于透鏡陣列的物平面，重組DOE位于傅里葉透鏡的像平面，透鏡陣列的像平面與傅里葉透鏡的物平面重合，

并且在于，對于每個補(bǔ)償DOE，在補(bǔ)償DOE上的光束的入射角度θ_1k、補(bǔ)償DOE在光軸上的傾斜角度Θ_k以及補(bǔ)償DOE的光柵的間隔Λ_1k，基于重組衍射光學(xué)元件的間隔P_A、k、λ₀、放大率γ、焦長f₂以及周期而確定。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，補(bǔ)償DOE的傾斜角度Θ_k為零，所述DOE位于同一平面。

所述光源可以根據(jù)一維或二維空間結(jié)構(gòu)而設(shè)置。

優(yōu)選地，補(bǔ)償DOE光柵為閃耀光柵。

根據(jù)本發(fā)明的特性，從激光源產(chǎn)生的光束具有同一出射面，并且該系統(tǒng)包括另一傅里葉透鏡，所述另一傅里葉透鏡具有物平面，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葉透鏡的物平面。該透鏡的像平面相對于補(bǔ)償衍射光學(xué)元件的組件所位于的平面的位置，以及在該透鏡的物平面中的光源的分隔，根據(jù)傅里葉透鏡的焦長、周期P_A和角度θ_1k而確定。

附圖說明

通過閱讀下述通過非限制性示例并且參考附圖而給出的具體描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，在附圖中：

已描述的圖1示意性地表示了用于在近場(圖1a)、遠(yuǎn)場(圖1b)以及通過衍射元件(圖1c)而進(jìn)行相干光束的空間重組的系統(tǒng)；

圖2示意性地示出了由用于通過衍射元件進(jìn)行相干光束的空間重組的系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題：色散(圖2a)、空間重疊缺陷(圖2b)以及重疊系數(shù)根據(jù)光瞳尺寸的示例性曲線(圖2c)；

圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的由用于通過衍射元件進(jìn)行相干光束的空間重組的系統(tǒng)所滿足的條件；

圖4示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明的用于通過衍射元件進(jìn)行相干光束的空間重組的示例性系統(tǒng)；

圖5示意性地表示了對于單個光源，根據(jù)本發(fā)明的用于光束的空間重組的系統(tǒng)的色散補(bǔ)償原理和空間重疊優(yōu)化原理(圖5a)，在補(bǔ)償DOE水平示出在穿過補(bǔ)償DOE時的脈沖的空間分布的傾斜的更具體的視圖(圖5b)，以及示出補(bǔ)償DOE根據(jù)入射角度和光柵的傾斜的光柵矢量的幾何構(gòu)造和入射波矢量的幾何構(gòu)造的相應(yīng)幾何構(gòu)造(圖5c)；

圖6示意性地示出了對于兩個不同波長，在補(bǔ)償DOE(圖6a)和組合DOE(圖6b)上的衍射角度的圖解確定；

圖7示出了用于對在組合DOE上的脈沖的重疊進(jìn)行優(yōu)化以及對色散進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娜肷浣嵌群脱a(bǔ)償光柵的傾斜的示例性計算；

圖8顯示了在有利于顏色補(bǔ)償時(圖8b)或者有利于重疊缺陷的補(bǔ)償時(圖8a)，利用設(shè)置在同一平面中的補(bǔ)償DOE，根據(jù)本發(fā)明的用于光束的空間重組的系統(tǒng)的兩個示例性實(shí)施方案。

從一個附圖至下一個附圖，相同的元件由相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)記。

本說明參考附圖所描述附圖的方位而給出。在該系統(tǒng)可以根據(jù)其他方位而設(shè)置的情況下，方向的術(shù)語僅以說明的方式指示，而并非是限制性的。

具體實(shí)施方式

當(dāng)系統(tǒng)旨在對具有典型地小于1皮秒的脈沖寬度的脈沖激光源進(jìn)行重組時，在對如圖2所示的具有DOE的重組系統(tǒng)的設(shè)置中存在兩個難點(diǎn)：

-第一個難點(diǎn)相關(guān)于脈沖的光譜寬度(通常大約為，對于Δt～100.10^-15s，Δλ＝10nm)。衍射元件1針對給定的工作波長而設(shè)定和制造。然而，大約10nm的光譜寬度不會嚴(yán)重影響DOE的重組的效率(通常，對于10nm的光譜寬度，效率損失為百分之幾)。另一方面，DOE的角分散δθ₀更成問題(脈沖的光譜中的藍(lán)色成分將與紅色成分以不同的角度離開DOE，如圖2a所示)。

該效應(yīng)一方面由于增大了重組光束的發(fā)散而對重組光束的空間品質(zhì)不利，并且另一方面使光束的空間色散變差，并暫時地加寬了脈沖。

-第二難點(diǎn)相關(guān)于在DOE上具有不同入射角度的短脈沖的空間重疊。該效應(yīng)示出于圖2b中，并且相關(guān)于脈沖的受限空間范圍：在光的傳播方向的橫斷面限制于2ω(在1/e²)，而在光的傳播方向限制于c.Δt(c為光速，Δt為脈沖的持續(xù)時間)。對于在傳播方向之間的零角度存在脈沖的完全重疊，而隨該角度增大，重疊減小。在圖1c示出的應(yīng)用中，對于等于1的數(shù)值孔徑，傳播方向之間的角度取決于所使用的傅里葉透鏡23的焦長，其最小值等于平面A中的整個光瞳的尺寸，即通道(一維，或者根據(jù)激光源的設(shè)置的圖案的直徑)的數(shù)量與在平面A中的兩個連續(xù)光源之間的間隔的乘積。圖2c給出了對于傅里葉透鏡的焦長的最優(yōu)值，根據(jù)在平面A中的光瞳的尺寸所計算的脈沖(具有300.10^-15s的持續(xù)時間)之間的重疊系數(shù)。該計算清楚地示出對于通常大于10的通道數(shù)量(在一維)，以短脈沖的方式(<10^-12s)，不可能高效地利用如圖1c所示的架構(gòu)。

最終，利用光學(xué)衍射元件DOE的重組系統(tǒng)(其確保了所有脈沖沿單個傳播方向的相長干涉，以及沿其他方向的相消)，可以是用于重組大量脈沖的很好的候選者，但是其在超短脈沖方式中受到兩個主要問題的影響：

-相關(guān)于脈沖的光譜寬度的問題，以及

-由于光束的入射角度的分布而導(dǎo)致的脈沖在DOE水平的空間重疊的缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，其技術(shù)效果為實(shí)現(xiàn)了圖3所示的條件，也即：

-一方面，脈沖的光譜的紅色成分和藍(lán)色成分必須以不同的入射角度到達(dá)組合DOE 1，所述不同的入射角度計算為使得，無論波長如何，離開這個組合DOE的波矢量全部沿著該附圖的z軸；

-另一方面，無論脈沖在組合DOE上的入射角度如何，在設(shè)定時刻的能量的空間分布必須平行于組合DOE 1，即平行于附圖的yOx平面，這是為了優(yōu)化脈沖在組合DOE上的空間重疊。

結(jié)合圖4、圖5a、圖5b和圖5c來描述這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)2。

通過成像設(shè)備將第一衍射補(bǔ)償組件21成像在組合DOE 1上。該成像設(shè)備包括：

-通過間隔P_A隔開的具有焦長f₁的M個透鏡(每個光束一個透鏡)的陣列22，P_A為在平面A中在λ₀的光束的空間周期，以及

-具有焦長f₂的傅里葉透鏡23，其具有至少等于N×f₁的孔徑，N為激光源的數(shù)量(沿著圖5a所示的維度)。

透鏡陣列22與傅里葉透鏡23形成具有預(yù)定放大率γ的雙FT設(shè)置，其能夠?qū)⒀苌涔鈱W(xué)補(bǔ)償組件21成像在重組衍射光學(xué)元件1上。衍射光學(xué)補(bǔ)償組件21位于透鏡陣列22的物平面，重組DOE 1位于傅里葉透鏡23的像平面，透鏡陣列22的像平面與傅里葉透鏡23的物平面重合。

該衍射補(bǔ)償組件21細(xì)分為N個同樣由P_A隔開的N個補(bǔ)償DOE，每個補(bǔ)償DOE 211包括具有間隔Λ_1k的周期性相位和/或振幅光柵。從脈沖激光源S_k產(chǎn)生的光束在該系統(tǒng)的上游受到校準(zhǔn)(所述光束例如位于平面中并且受到透鏡校準(zhǔn)，或者直接利用與每個光源相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)透鏡而根據(jù)光束的入射角度θ_1k來設(shè)置)，并且每個光束以特定角度θ_1k到達(dá)相應(yīng)的補(bǔ)償DOE 211。根據(jù)光束在相應(yīng)的補(bǔ)償DOE上的入射角度θ_1k和補(bǔ)償DOE在z軸上的傾斜角度Θ_k(我們使Λ_1(k-1)≠Λ_1k≠Λ_1(k+1)，但是使Λ_1(-k)＝Λ_1(+k))來計算每個間隔Λ_1k，使得在中心波長λ₀，所有的激光束在離開補(bǔ)償DOE時是平行的，也即，在中心波長λ₀，離開補(bǔ)償DOE的脈沖的波矢量是全部相同的。這些DOE 211的中部位于同一平面上，該平面位于透鏡陣列22的f₁處。

傅里葉透鏡23操作從平面A至組合DOE 1的平面的傅里葉變換；因此，脈沖在組合DOE上的入射角度θ_2k由下式給出：

θ_2k＝k.P_A/f₂。

如前文所指出的，這些角度θ_2k還相關(guān)于組合DOE 1的光柵的周期，以獲得理想的最優(yōu)組合。

如圖5a所示，為了使在組合DOE 1上的入射脈沖的能量的空間分布平行于組合DOE的平面(圖中的平面xOy)，在透鏡23之前的脈沖的能量分布的傾斜角度(在xOz平面)必須等于θ_2k。為了優(yōu)化在組合DOE 1的水平的脈沖的重疊，由透鏡陣列22和傅里葉透鏡23組成的具有γ＝-f₂/f₁的放大率的成像設(shè)備然后將以下條件加至在離開每個補(bǔ)償DOE 211時能量的空間分布的傾斜角度上：

此外，認(rèn)為每個補(bǔ)償DOE 211包括具有均勻的間隔Λ_k的光柵，以及每個補(bǔ)償DOE的法線相對于所期望的離開DOE 211時的傳播方向(圖5a、5b和5c中的z軸)傾斜的角度為Θ_k。光源S_k的入射方向與所期望的從DOE離開時的傳播方向之間的角度指定為θ_1k。最后，指代從補(bǔ)償DOE 211離開時，在脈沖的能量的空間分布和脈沖的傳播的軸線之間的角度。進(jìn)入補(bǔ)償DOE 211時的波矢量和從補(bǔ)償DOE 211離開時的波矢量不平行(除了補(bǔ)償DOE不傾斜的情形，也即Θ₀＝0的情形)；角度Θ_k,、θ_1k和由下式聯(lián)系起來：

對在組合DOE水平的脈沖的空間重疊的優(yōu)化意味著：

這給出了標(biāo)示該系統(tǒng)的參數(shù)之間的第一關(guān)系式：

在平面A中的光源點(diǎn)的空間周期P_A，

光源的標(biāo)號k，

脈沖的中心波長λ₀，

成像設(shè)備的放大率γ，

傅里葉透鏡23的焦長f₂。

此外，如圖5c所示，對于每個補(bǔ)償DOE 211，其光柵的間隔Λ_1k根據(jù)入射的方向θ_1k、光柵的傾斜的方向以及波長λ₀而由下式來建立：

最后，如果在系統(tǒng)的參數(shù)之間的下述關(guān)系得到滿足，則借助于在圖4和圖5a中所描述的系統(tǒng)而確保了對在重組DOE 1的水平的脈沖的空間重疊的優(yōu)化：

即：

現(xiàn)在來考慮對色散的補(bǔ)償。

對于第一近似，將組合DOE認(rèn)為是N個正弦光柵的疊加(N為待組合的光束的數(shù)量)，其間隔Λ_2k由下式給出：

組合DOE的光柵的周期因此等于：

λ₀/sinθ₂₁。

其中，θ_2k為標(biāo)號為k的光束在中心波長λ₀的在組合DOE 1上的入射角度。要解決標(biāo)號為k的光束的色散的補(bǔ)償，僅考慮標(biāo)號為k的光柵?？紤]波長為λ₀+δλ₀的光束以角度θ_2k+δθ_2k而入射在組合DOE 1上。如圖6b所示，為了使在λ₀和λ₀+δλ₀的受到DOE 1衍射的光束具有平行的傳播方向(或波矢量)，波矢量的正切于DOE的平面的成分的保留意味著：

因此，組合DOE 1的色散等于：

同樣地，對于補(bǔ)償DOE 211，可以看出，補(bǔ)償光柵的間隔Λ_1k根據(jù)入射的方向θ_1k、光柵的傾斜的方向以及波長λ₀而由下式來建立：

對在波長λ₀和λ₀+δλ₀受到補(bǔ)償DOE 211衍射的并且示出在圖6a中的波矢量之間的角度偏差δθ_1k的計算給出：

因此，補(bǔ)償DOE 211的角度色散等于：

通過對具有橫向放大率γ的偏離中心的成像設(shè)備的角放大率(例如圖5a中所描述的系統(tǒng)的橫向放大率)進(jìn)行計算來推導(dǎo)顏色補(bǔ)償條件。因而獲得了下述條件：

最后，如果下述關(guān)系得到滿足，則能夠借助于圖4和圖5a中所描述的設(shè)備而確保對組合DOE 1的色散的補(bǔ)償。

根據(jù)在先前部分中建立的條件，如果下述關(guān)系式得到滿足，則能夠借助于在圖4和圖5a中所描述的設(shè)備來確保對組合DOE 1的色散和在組合BOE 1的水平的脈沖的空間重疊的缺陷的同時補(bǔ)償：

讓我們來考慮下述情形中的示例：

要組合根據(jù)為2mm的周期P_A而共線地設(shè)置的101個超短(300ps)的脈沖光源(NB：下述計算等價于在2維設(shè)置中在最大直徑上具有101個光源的情形，即在六邊形鑲嵌形式下具有7651個光源的情形)。

成像系統(tǒng)的放大率固定為γ＝-5。

中心波長為λ₀＝1030nm。

圖7表示了在補(bǔ)償DOE上的入射角度θ_1k-Θ_k的值和補(bǔ)償DOE 211的傾斜角度Θ_k的值，這些值滿足上述系統(tǒng)，并且因此確保了對組合DOE 1的色散效應(yīng)和在組合DOE上的脈沖的空間重疊缺陷的同時補(bǔ)償。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案(其示例顯示在圖8a和圖8b中)，補(bǔ)償DOE 211位于同一個平面，從而簡化了系統(tǒng)，并且尤其避免了用于對每個DOE 211定向的設(shè)備，這些設(shè)備占據(jù)大量體積并且增加了整個系統(tǒng)的成本。這是這樣的情形：光柵例如制造在同一個支持物上，從而展現(xiàn)出在制造時間和成本方面的優(yōu)點(diǎn)。這然后體現(xiàn)在之前的補(bǔ)償DOE的傾斜角度Θ_k為零度的關(guān)系式中：Θ_k＝0。

然后對于每個補(bǔ)償DOE 211，光束的入射角度θ_1k為：

-當(dāng)相比于顏色補(bǔ)償?shù)膿p失而更期望有利于對重組的脈沖的重疊的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償時，γ.tan(k P_A/f₂)＝sin(θ_1k)(圖8a)，或者

-當(dāng)相比于重疊缺陷的補(bǔ)償?shù)膿p失而更期望有利于對重組的脈沖的顏色進(jìn)行補(bǔ)償時，γ.tan(k P_A/f₂)(1+tan(k P_A/f₂)²)＝sin(θ_1k)(圖8b)。

補(bǔ)償DOE的光柵有益地為閃耀相位光柵。可替選地，他們可以是具有正弦連續(xù)輪廓的相位光柵、具有二元輪廓的相位光柵或者具有二元輪廓(黑和白)或不具有灰度的強(qiáng)度光柵。所有這些示例(除了閃耀光柵)展示出多重衍射級，且因此不利于系統(tǒng)的整體效率。

盡管在附圖的示例中，組合DOE 1和補(bǔ)償DOE 211以透射方式工作；當(dāng)利用反射方式的DOE時，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的原理仍然適用。