一种光学分束装置及相关系统的制作方法

本技术涉及超短脉冲激光，特别是涉及一种光学分束装置。

背景技术：

1、在超短脉冲激光技术领域，经常需要将一束输入激光分成多路输出，将多路激光应用于精密测量或者多路相干放大。上述技术场景中，不仅要求各路输出光功率满足预定比例，还追求较高的测量精度或相干合束效率。

2、飞秒脉冲具有较宽的光谱带宽，例如 100 fs 周期的脉冲在 1030 nm 附近通常对应约 15 nm 带宽，30 fs周期的脉冲可对应约 50 nm 带宽，10fs以下周期的脉冲对应约100nm带宽。在飞秒脉冲激光系统这类宽光谱脉冲系统中，光谱带宽范围内的群延迟色散（group delay dispersion,gdd）一致性是影响测量精度和合束效率的关键参数。若多路输出光束中各自引入不一致的gdd，将严重影响不同光路脉冲宽度的一致性，进而直接导致干涉测量精度下降或相干合束效率降低。

3、现有多路分束方案主要包括级联固定比例分束镜方案和内反射玻璃块分束方案。其中，级联固定比例分束镜方案通常通过多块分束片逐级分束实现多路输出。图1a为分束片级联结构实现分束的示意图，如图1a所示，四路分束需要三块分束片bs1、bs2和bs3，以此类推，则八路分束需要七块分束片。由于不同输出路次穿过的分束片数量不同，各路光束经过的玻璃基底次数不同，导致基底材料引入的 gdd 不一致，以1030 nm波长的激光束以45°入射3 mm熔石英分束片的情景为例，各路输出光束的gdd差异最高可达到196 fs2。该差异来源于结构本身，难以通过镀膜优化消除。内反射玻璃块分束方案利用单块玻璃内部多次反射形成多路输出，虽然元件数量较少，但各路光束在玻璃内部传播次数不同。图1b为内反射玻璃块实现分束的示意图，如图1b所示，若需要四路输出，各路在玻璃内传播次数可呈1:3:5:7 的关系，导致各路光束的gdd不一致，以1030 nm波长的激光束以近法向约5°入射12.7 mm厚玻璃块的情景为例，各路输出光束的gdd最大相差1450fs2。因此，现有多路分束方案均不适合对脉冲时域一致性要求较高的飞秒激光精密测量和相干合束系统。

4、因此，如何在实现多路分束和功率可控的同时，使各路输出光束经过相同的基底材料光程、从结构上消除各路基底 gdd 差异，成为超短脉冲激光技术领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于上述问题，本技术提供了一种光学分束装置，目的是通过该光学分束装置，将入射激光束分为基底gdd一致的多路激光束，进而提高应用多路激光束的测量精度或相干合束效率。

2、本技术实施例公开了如下技术方案：

3、本技术第一方面提供了一种光学分束装置，该装置用于将入射激光束分为多路输出激光束，并使各路输出激光束由基底引入的群延迟色散一致，所述光学分束装置包括：分区梯度透射率分束镜和反射镜；

4、所述分区梯度透射率分束镜包括透明基底以及设置于所述透明基底的第一表面的膜层，所述膜层在沿预设方向排布的n个区域内具有对应的透射率，以使所述分区梯度透射率分束镜形成沿所述预设方向排布的n个分束区域，其中n为大于或等于2的整数；

5、所述反射镜的反射面与所述分区梯度透射率分束镜的所述第一表面相对设置，所述反射镜用于将由当前分束区域反射的剩余激光束反射至沿所述预设方向排列的下一分束区域；

6、其中，入射至任一所述分束区域的激光束中的一部分经该分束区域透射并穿过所述透明基底形成对应一路输出激光束，另一部分经该分束区域反射形成所述剩余激光束；所述多路输出激光束均以透射方式穿过所述透明基底，且每一路所述输出激光束仅穿过所述透明基底一次，以使各路输出激光束由所述透明基底引入的群延迟色散一致。

7、在第一方面的可选实现方式中，所述分区梯度透射率分束镜还包括设置在所述透明基底的第二表面的增透膜。

8、在第一方面的可选实现方式中，所述n个分束区域的透射率按照等功率分束的递推关系设置；

9、沿所述预设方向排列的第1个分束区域，用于接收所述入射激光束；其它的n-1个分束区域，分别用于接收前一个分束区域反射并经所述反射镜反射而来的剩余激光束；

10、第k个分束区域的透射率tk满足：tk=1/(n-k+1)，第k个分束区域的反射率rk满足：rk=(n-k)/(n-k+1)，k=1,2,…,n；

11、其中，当输入至第1个分束区域的所述入射激光束的功率为p0时，所述n个分束区域透射形成的n路输出激光束的功率均为p0/n；经所述反射镜反射至第k个分束区域的激光束的功率为p0·(n-k+1)/n。

12、在第一方面的可选实现方式中，所述n个分束区域的透射率按照目标输出功率比例的递推关系设置；

13、当所述多路输出激光束的目标输出功率比例为p1:p2:…:pn时，第k个分束区域的透射率tk满足：tk=pk/(pk+pk+1+…+pn)，第k个分束区域的反射率rk满足：rk=(pk+1+pk+2+…+pn)/(pk+pk+1+…+pn)，k=1,2,…,n-1；第n个分束区域的透射率tn为1且反射率rn为0；

14、其中，输入至第k个分束区域的剩余激光束的功率对应于第k路至第n路目标输出功率之和，第k个分束区域从所述剩余激光束中透射出与pk对应的一路输出激光束，并将与pk+1+…+pn对应的剩余激光束反射至所述反射镜，再由所述反射镜反射至沿所述预设方向排列的下一分束区域。

15、在第一方面的可选实现方式中，所述膜层包括分别对应于所述n个分束区域的n个分区膜层，各分区膜层具有与其对应分束区域的透射率相匹配的膜系结构；

16、所述n个分区膜层被配置为在所述入射激光束的工作光谱带宽范围内分别提供对应的透射率，并使各分区膜层在所述工作光谱带宽范围内的膜层群延迟色散处于预设范围内；

17、所述n个分区膜层中的至少一个分区膜层包括：多层介质膜，和/或，金属膜与介质保护膜形成的复合膜层。

18、本技术第二方面提供了一种瞬态光栅频率分辨光学门控测量系统，该系统包括：

19、超短脉冲激光源；

20、如第一方面任一实现方式提供的光学分束装置，所述光学分束装置设置于所述超短脉冲激光源的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光源输出的入射激光束分为三路输出激光束；

21、延迟调节单元，设置于至少一路所述输出激光束的光路上，用于调节至少一路所述输出激光束相对于其他输出激光束的时间延迟；

22、非线性作用单元，用于接收所述三路输出激光束，其中两路输出激光束作为泵浦光束并在所述非线性作用单元中交叠形成瞬态光栅，另一路输出激光束作为探测光束并在所述非线性作用单元中读取所述瞬态光栅，以产生瞬态光栅信号光；

23、探测单元，设置于所述瞬态光栅信号光的出射光路上，用于采集所述瞬态光栅信号光；

24、其中，所述三路输出激光束均由所述光学分束装置以透射方式输出，并且均仅穿过所述光学分束装置中的透明基底一次，以使所述三路输出激光束由所述透明基底引入的群延迟色散一致。

25、本技术第三方面提供了一种多臂干涉测量系统，该系统包括：

26、超短脉冲激光源；

27、如第一方面任一实现方式提供的光学分束装置，所述光学分束装置设置于所述超短脉冲激光源的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光源输出的入射激光束分为多路输出激光束；

28、多个干涉臂，分别设置于所述多路输出激光束的光路上；

29、合束探测单元，用于接收经过所述多个干涉臂后的多路输出激光束并进行干涉探测；

30、其中，所述多路输出激光束均由所述光学分束装置以透射方式输出，并且均仅穿过所述光学分束装置中所述分区梯度透射率分束镜的透明基底一次，以使各路输出激光束由所述透明基底引入的群延迟色散一致。

31、本技术第四方面提供了一种超短脉冲激光相干合束放大系统，该系统包括：

32、超短脉冲激光源；

33、如第一方面任一实现方式提供的光学分束装置，所述光学分束装置设置于所述超短脉冲激光源的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光源输出的入射激光束分为多路输出激光束；

34、多个独立放大单元，分别设置于所述多路输出激光束的光路上，用于分别对所述多路输出激光束进行放大；

35、相位控制单元，用于调节经所述多个独立放大单元放大后的多路激光束之间的相位关系；

36、相干合束单元，用于接收经相位调节后的多路激光束并进行相干合束；

37、其中，所述多路输出激光束均由所述光学分束装置以透射方式输出，并且均仅穿过所述光学分束装置中的透明基底一次，以使各路输出激光束由所述透明基底引入的群延迟色散一致。

38、本技术第五方面提供了一种多级光参量放大泵浦分配系统，该系统包括：

39、泵浦激光源；

40、如第一方面任一实现方式提供的光学分束装置，所述光学分束装置设置于所述泵浦激光源的出射光路上，用于将所述泵浦激光源输出的入射泵浦激光束分为多路泵浦输出激光束；

41、多个光参量放大级，分别接收所述多路泵浦输出激光束中的一路；

42、其中，所述光学分束装置中的多个分束区域的透射率按照预设的功率比例设置，使所述多路泵浦输出激光束的功率满足所述多个光参量放大级的泵浦能量需求；

43、其中，所述多路泵浦输出激光束均由所述光学分束装置以透射方式输出，并且均仅穿过所述光学分束装置中的透明基底一次，以使各路泵浦输出激光束由所述透明基底引入的群延迟色散一致。

44、本技术第六方面提供了一种多路泵浦-探测系统，该系统包括：

45、超短脉冲激光源；

46、如第一方面任一实现方式提供的光学分束装置，所述光学分束装置设置于所述超短脉冲激光源的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光源输出的入射激光束分为多路输出激光束；

47、样品承载单元，用于承载待测样品；

48、延迟调节单元，设置于至少一路所述输出激光束的光路上，用于调节至少一路所述输出激光束相对于其他输出激光束的时间延迟；

49、探测单元，用于探测所述待测样品在所述多路输出激光束作用下产生的响应信号；

50、其中，所述多路输出激光束中的至少一路作为泵浦光束，另有至少一路作为探测光束；所述多路输出激光束均由所述光学分束装置以透射方式输出，并且均仅穿过所述光学分束装置中的透明基底一次，以使各路输出激光束由所述透明基底引入的群延迟色散一致。

51、相较于现有技术，本技术具有以下有益效果：

52、本技术技术方案提出的光学分束装置通过分区梯度透射率分束镜与反射镜配合，将入射激光束依次引导至沿预设方向排列的多个分束区域，使除了最后一个分束区域之外，入射至其它分束区域的激光束均被分为透射输出部分和反射剩余部分。其中，透射输出部分穿过透明基底形成一路输出激光束，反射剩余部分经反射镜反射引导至下一分束区域。由此，本技术光学分束装置仅通过一个分区梯度透射率分束镜和一个反射镜即可实现多路分束，避免了传统级联固定比例分束镜方案中需要多块分束片逐级分束而导致光学元件数量多、光路复杂、装调难度大的问题。更重要的是，本技术使多路输出激光束均以透射方式穿过同一透明基底，且每一路输出激光束仅穿过该透明基底一次。对于平行出射的各路输出激光束，由透明基底引入的gdd一致，从结构上消除了现有级联分束方案中因不同输出光路穿过分束片数量不同而造成的基底gdd差异，也避免了内反射玻璃块方案中因各路光束在玻璃内部传播次数不同而导致的色散不一致问题。

53、对于飞秒脉冲等宽光谱超短脉冲激光而言，gdd一致性直接影响不同输出光路的脉冲宽度、时域波形和时间重叠精度。本技术能够在分束阶段保持各路输出激光束由基底引入的gdd一致，从而减小各路脉冲展宽差异，提高多路激光在精密测量、瞬态光栅频率分辨光学门控（tg-frog）测量、多臂干涉、多路泵浦-探测以及相干合束放大等应用中的时间分辨率、干涉对比度、测量精度和相干合束效率。此外，由于分区梯度透射率分束镜的各分束区域可分别设置对应透射率，本技术不仅能够实现多路等功率分束，也能够根据应用需求实现预设比例的功率分配。由此，本技术在实现多路输出和功率可控的同时，兼顾了各路输出激光束的基底gdd一致性，适用于对功率比例和脉冲时域一致性均具有较高要求的多种超短脉冲激光系统。