CN101291041A - 飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法 - Google Patents

Abstract

一种飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法，其特点是：在飞秒激光器的输出端放置随机位相板或阶跃型位相板，峰值功率为TW量级的飞秒激光脉冲经过所述的位相板后在空气中形成等离子体通道，在短距离内成丝，该等离体子通道内光丝的激光强度比未加位相板的激光强度高一个数量级。本发明方法实用、简单、有效，不仅使得光丝快速形成，而且分裂后的光丝峰值强度提高一个量级。

Description

飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法

技术领域

本发明涉及强场激光物理，特别是飞秒激光脉冲在空气中短距离内成丝的方法。

背景技术

当超短激光脉冲的峰值功率超过一定数值(3.3GW)[参见M.Mlejnek，E.M.Wright，and J.V.Moloney，OPTICS LETTERS 23，382(1998).]，将产生自聚焦效应，进而把空气电离，由于电离产生的等离子体具有负折射率，因此又使光束产生自散焦，二者作用，超短激光脉冲在空气中产生一个等离子体通道，即光丝。

实验结果[参见S.Eisenmann，et al.，OPTICS EXPRESS，15，2779(2007)]表明，稳定的等离子体通道内的激光强度可达5×10¹³W/cm²～1×10¹⁴W/cm²，光丝的直径为80μm～200μm，一般激光脉冲在空气中产生等离子体的临界强度约为8×10¹²W/cm²。

人们观察和研究光丝的特性，需要产生这种强度在10¹³W/cm²量级的稳定的光丝，但是这样的光丝形成在比较远的距离。而且，如果产生等离子体通道，则对激光器的输出性能要求很高，一般来讲其峰值功率很高(10TW～30TW范围)。这类性能的飞秒激光器系统的造价比较昂贵，目前商用产品在100万美元左右。因此如果是在实验室内开展相关的前期物理问题及白光光谱形成技术等方面的研究工作，采用如此昂贵的激光器，并不是每个实验室都能够解决的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种飞秒激光脉冲在空气中短距离内成丝的方法，使峰值功率为太瓦(TW)量级的飞秒激光脉冲在空气中快速地形成等离子体通道(光丝)，而且分裂后的光丝的强度接近于相应的更强的飞秒激光脉冲(例如，10TW以上)所形成的光丝强度，以大大降低实验成本。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法，其特点是：在飞秒激光器的输出端放置随机位相板或阶跃型位相板，峰值功率为TW量级的飞秒激光脉冲经过所述的位相板后在空气中形成等离子体通道，在短距离内成丝，该等离体子通道内光丝的激光强度比未加位相板的激光强度高一个数量级。

所述的随机位相板(Random Phase Plate，简称RPP)是由基板上随机排布的二值位相元的膜层阵列构成的，所述的二值位相元为等边三角形、正方形或正六边形等，二值位相元对工作波长的光束将产生0或π相移。

所述的阶跃型位相板是由基板上排布的位相元的膜层阵列构成的，位相元形成以光束中心为圆心的多个等分的扇形分布，相邻扇形区域的位相差是固定的，环绕一周形成总的位相差为2π。

所述的飞秒激光脉冲的峰值功率在TW量级，其范围为100GW至5TW，中心波长为800nm。

所述的飞秒激光脉冲经过所述的位相板后0.1～1.0米的距离内分裂、发散，发散后光丝中的激光强度为10¹³W/cm²～10¹⁴W/cm²。

本发明具有以下优点：

采用单一阶跃型位相板或随机位相板，操作方法相对简单，只需要对激光器产生的脉冲能量、脉宽和束腰半径等参量进行调节，不需要增加其他光学元件。低功率的激光脉冲就可获得比它本身高一个数量级的峰值光强，并且把实验的范围控制在实验室空间内，很大程度上节约了实验成本。

附图说明

图1是本发明飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法的实验示意图

图2是本发明位相元形状为等边三角形的随机位相板示意图

图3是本发明位相元形状为正方形的随机位相板示意图

图4是本发明位相元形状为正六边形的随机位相板示意图

图5是本发明五等分波前位相分布的阶跃位相板示意图

图6是本发明四等分波前位相分布的阶跃位相板示意图

图7是本发明三等分波前位相分布的阶跃位相板示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明利用位相板使飞秒激光脉冲在空气中快速成丝的方法的实验示意图，由图可见，本发明飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法，是在飞秒激光器1的输出端放置随机位相板或阶跃型位相板2，峰值功率为TW量级的飞秒激光脉冲经过所述的位相板2后在空气中形成等离子体通道3，在短距离内成丝，在4处记录光斑样式。经测试表明，该等离体子通道内光丝的激光强度比未加位相板的激光强度高一个数量级。本发明方法的实质是通过采用改变飞秒激光脉冲位相来实现飞秒激光脉冲成丝的快速分裂。

通常使用普通透镜聚焦激光束也可以使得焦点处的空气电离，但是激光束在焦点后的分散是由透镜本身特性造成的，该散射光能量一般小于由等离子体通道分裂所形成的散射光能量。

所述的随机位相板是由基板上随机排布的二值位相元膜层阵列构成的，

图2是本发明相元形状为等边三角形的随机位相板示意图；图中5白色区域产生0相移，6黑色区域表示产生π相移。

图3是本发明相元形状为正方形的随机位相板示意图，图中7白色区域产生0相移，8黑色区域表示产生π相移。

图4是本发明相元形状为正六边形的随机位相板示意图，图中9白色区域产生0相移，10黑色区域表示产生π相移。

阶跃型位相板或者随机位相板的制作工艺和设计方法比较成熟，通过镀膜技术就可以实现。RPP能有效地消除焦斑的不均匀性，已普遍应用于激光聚变实验装置中。SPP阶跃型位相板使光束的位相形成以光束中心为圆心的扇形分布，图5是本发明五等分波前位相分布的阶跃位相板示意图，相移在平面环绕一周的变化为2π。激光通过白色区域11产生0相移、竖线区域12产生(2π)/5的相移、横线区域13产生2×(2π)/5的相移、网格区域14产生3×(2π)/5的相移和黑色区域15产生的相移为4×(2π)/5。

图6是本发明四等分波前位相分布的阶跃位相板示意图，四等分阶跃位相板产生的位相分布，相移在平面环绕一周的变化为2π。激光通过白色区域16产生0相移、竖线区域17产生π/2的相移、横线区域18产生π的相移和黑色区域19产生的相移为3π/2。

图7是本发明三等分波前位相分布的阶跃位相板示意图，三等分阶跃位相板产生的位相分布，相移在平面环绕一周的变化为2π。激光通过白色区域20产生0相移、竖线区域21产生2π/3的相移和黑色区域22产生的相移为4π/3。

本发明利用TW量级的钛宝石超短飞秒脉冲激光器，脉冲半宽度在40～250fs，峰值功率在0.1TW～5TW，中心波长为800nm进行了实验。将位相板2放置在激光器1的输出端，光束中心和位相板中心重合，如图1所示。

飞秒脉冲激光器输出峰值功率为P＝2.5TW，光束束腰半径为ω＝6.4mm，脉冲的峰值半宽τ＝100fs，激光输出波形为高斯型，脉冲中心的光强为4.3×10¹²W/cm²。随机噪声选取为10％，即高斯型光束振幅的涨落幅度为-5％～5％。

飞秒激光脉冲在未加位相板时，传播距离在0.2m、0.8m和1.0m处的强度分布(未产生光丝)，光强依次为4.75×10¹²W/cm²，5.49×10¹²W/cm²，7.27×10¹²W/cm²。

实施例1：随机相位板的正方形位相元的边长选取为250μm。在0.1m、0.8m和1.0m距离光丝处的光丝强度分别为4.94×10¹³W/cm²，5.69×10¹³W/cm²，5.83×10¹³W/cm²，光斑的尺度为100μm。

实施例2：三种阶跃位相板，在0.1m光丝处的光强在1.2×10¹³W/cm²以上，在0.8m和1.0m距离处的光丝强度都在6.5×10¹³W/cm²以上，而且光斑的尺度为100μm。

实验结果表明，在光路中加入位相板，激光脉冲很快地(0.1m至1.0m内)分裂，光丝强度均超过一般方法形成等离子体通道的临界强度8×10¹²W/cm²。

Claims (6)

1、一种飞秒激光脉冲空气中快速成丝的方法，其特征是：在飞秒激光器的输出端放置随机位相板或阶跃型位相板，峰值功率为TW量级的飞秒激光脉冲经过所述的位相板后在空气中形成等离子体通道，在短距离内成丝，该等离体子通道内光丝的激光强度比未加位相板的激光强度高一个数量级。

2、根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲空气中快速成丝方法，其特征在于所述的随机位相板是由基板上随机排布的二值位相元的膜层阵列构成，二值位相元的膜层对工作波长的光束将产生0或π相移。

3、根据权利要求2所述的飞秒激光脉冲空气中快速成丝方法，其特征在于所述的二值位相元为等边三角形、正方形或正六边形。

4、根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲空气中快速成丝方法，其特征在于所述的阶跃型位相板是由基板上排布的位相元的膜层阵列构成的，位相元形成以光束中心为圆心的多个等分的扇形分布，相邻扇形区域的位相差是固定的，环绕一周形成总的位相差为2π。

5、根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲空气中快速成丝方法，其特征在于所述的飞秒激光脉冲的峰值功率在TW量级，其范围为100GW至5TW，中心波长为800nm。

6、根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲空气中快速成丝方法，其特征在于所述的飞秒激光脉冲经过所述的位相板后0.1～1.0米的距离内分裂、发散，发散后光丝中的激光强度为10¹³W/cm²～10¹⁴W/cm²。

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