科研计算器 | 脉冲压缩光栅对色散及尺寸计算
引言：
在现代光学技术中，脉冲激光器因其超短脉冲宽度和高峰值功率，广泛应用于材料加工、医学成像及基础科研等领域。为了优化激光性能，脉冲的展宽与压缩是关
键步骤，其光学系统设计涉及色散量、利特罗角、光栅间距及尺寸等多项复杂计算。传统手工计算不仅耗时费力，还易产生误差，影响设计效率和精度。
为此，波量科技推出了一系列专业科学计算器，专为脉冲展宽压缩系统设计而优化。这些计算器涵盖了色散量计算、利特罗角测算、光栅间距及尺寸设计等关键环
节，简化了复杂的计算流程。凭借直观的界面和高效的计算引擎，用户能够快速准确地获取所需参数，显著提升设计效率，确保系统性能的最优化。
考虑脉冲展宽压缩的光学实现手段，主要涉及以下部分的计算
1、根据脉宽变化情况计算需要引入的色散量
2、根据光栅的刻线密度和波长计算得到利特罗角， 入射角=利特罗角时，衍射效率最高
3、根据色散量和入射角计算光栅间距
4、根据入射角和光栅间距计算两片光栅的最小尺寸
举例说明：
波长800nm的钛宝石激光器，平均功率4W，单脉冲能量50uJ，脉宽在200fs左右，希望能展宽到100ps量级
运用科研计算器：
1.超短激光脉冲的展宽（点击跳转使用）：
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得到所需二阶色散量为720W fs²。 |
2.光栅的衍射角和Littrow角计算（点击跳转使用）：
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刻线密度（来自产品信息），波长，计算利特罗角（利特罗角：指当光波通 过一个具有给定数目的光栅单元时，其传播方向与其在第一条光栅线与最后 一条光栅线之间的夹角。） 选用刻线密度为1380的光栅，波长800nm，以入射角30°为例。 |
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计算得到利特罗角为33.5°左右。 |
但当入射角等于利特罗角时，以此角度作为入射角时衍射效率最高。 |
3.光栅对压缩器的时间色散（点击跳转使用）：
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使用1中计算的二阶色散和2中计算的入射角。 |
 计算得到所需的光栅间距为1200mm左右。 |
4.脉冲压缩器中光栅尺寸计算（点击跳转使用）：
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使用2中计算的入射角和3中计算的光栅间距，光束直径设为3.5mm，边缘保护区范围 设为2mm，波长范围设790-810nm。 |
 计算得到D1=8.2mm，D2=65.4mm。 |
最终选取光栅信息如图：
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D1对应光栅
型号：Gitterwerk 1385_10x8_6.35_X 1.中心波长Wavelength：800nm 2.通光孔径Clear aperture：10x8mm 3.周期Grating Period：725nm 4.刻线密度Grating Period：1379.3 l/mm 5.光栅尺寸Size：12mm*10mm*6.35mm 6.入射偏振Pol.：TE (s-pol) 7.衍射效率Measured Efficiency：≥99.0% |
D2对应光栅
型号：Gitterwerk 1385_128x13_3_H 1.中心波长Wavelength：800nm 2.通光孔径Clear aperture：128x13mm 3.周期Grating Period：725nm 4.刻线密度Grating Period：1379.3 l/mm 5.光栅尺寸Size：130mm*15mm*3mm 6.入射偏振Pol.：TE (s-pol) 7.衍射效率Measured Efficiency：≥98.5% |
计算器的使用方法：
为了最终达到两块光栅平行的之目的，首先要保证每一块光栅面垂直于某一基准平面，一般情况下选择光学平台面，或者使用标线仪确定一个基准水平面。本文作者
觉得最方便的就是使用标线仪。基准光源可以利用标线仪或待压缩激光，初步调试也可以采用连续半导体光源。
（1）首先设定入射激光严格准直水平入射到光栅平面上，这个水平的设置可以使用标线仪的水平线。
（2）将入射光以一定角度入射到光栅上，确保可以同时观察到0级反射光和-1级衍射光（如果用红光的标线仪，通常不是光栅镀膜设计波长，可以明显观察到反射
光），分别利用俯仰调节旋钮和光栅面内调平旋钮将反射光和-1级衍射光调至与入射光同高，即图2侧视图中的α和β都为0°。这表明光栅面和光栅的刻线方向均垂直
于入射光的水平面（主平面）。如果反射光微弱，可辅助使用红外卡片或者夜视仪。为保证精确性，建议在尽可能远的位置观察返回光高度。
寻找Littrow角：
（1）该步骤需要同时将标线仪的十字线即水平线和铅垂线照射到光栅上。在第一步的基础上，在-1级衍射光方向上放置一块0°反射镜（通常可用银镜）将-1级的光
调至原路返回。根据光线可逆原理，当返回光的-1级衍射光的水平线和铅垂线同时与入射光重合时即确保了光线原路返回。
（2）此时通过以光栅刻线方向为轴旋转光栅，调整入射光线与光栅的夹角，配合调整0°反射镜的位置和角度，时刻确保返回光原路返回的同时，使得返回光的0级
透射光与入射光的0级反射光重合——即入射光的-1级衍射光的反向延长线与入射光的0级反射光重合。此时就是我们需要的Littrow角！
光栅对平行的调节：
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图3 压缩器中基于Littrow角的光栅对的平行调节 |
（1） 在以上步骤的基础上，确保标线仪和光栅G1的位置不动， 然后拆掉0度反射镜并安装第二块光栅G2，尽可能的使G2与G1 平行。 （2） 在G2后面再次装入0度反射镜，并按照第二步骤中的（1） 调节光线原路返回。然后调节G2的水平旋转旋钮，使得G2返回 光的0级透射光与入射光的0级反射光的铅垂线重合——即G1与 G2“平行”。（注意：由于G2的俯仰调节与0度反射镜俯仰调节干 涉，此时G2的俯仰角度和面内平行并未确定）。 （3） 将标线仪移开一定角度和位置，使其避开G1直接照射到G2 上并根据步骤1完成G2的俯仰和面内水平调节。此时便完成了透 射光栅对平行的全部调节。 |
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