CN102200669A - 飞秒激光成丝及超连续辐射的控制装置和控制方法 - Google Patents

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王琛
刘力
程亚
徐至展
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Abstract

一种飞秒激光成丝及超连续辐射的控制装置和控制方法，该控制装置是在准直飞秒激光的输出光路上依次设置的位相板和聚焦透镜构成，所述的位相板为具有2n个位相跃变量为π的相间的分区的透射式位相板或反射式位相板，其中n的取值为1以上的正整数，该装置将入射飞秒激光形成2n根光丝输出。本发明可以实现飞秒激光形成多根光丝的精确控制，包括成丝的数目、成丝的位置、丝的位相以及伴随成丝的超连续辐射，且具有简单有效的特点。

Description

飞秒激光成丝及超连续辐射的控制装置和控制方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光，特别是一种飞秒激光成丝及超连续辐射的控制装置和控制方法，对与飞秒激光传输以及超连续辐射相关的应用研究有重要意义。
背景技术
飞秒激光在光学介质中的传输及相互作用是现代物理学中的一个重要的前沿领域。当飞秒激光超过所谓的临界功率时，超强飞秒激光脉冲在空气中传输时，由于非线性克尔自聚焦效应和产生的等离子体的散焦作用的动态平衡，激光在透明光学介质中自导引传输，激光脉冲在时间空间的分布上达到了相对稳定，形成了很长的等离子体通道，称为丝。当入射的飞秒激光功率超过若干倍的临界功率时，入射的飞秒激光会在若干随机热点处塌陷，形成随机的多丝。这些随机热点通常是由于光束横截面上的强度不均匀或者波前的随机扰动，随机的多丝是动态且不可重复的。寻求可行手段对飞秒激光在透明光学介质中的成丝过程进行有效控制是飞秒激光传输研究中最为关注的热点问题之一。
目前对成丝进行控制的方法都是基于对光束的强度梯度进行控制。如控制入射光斑的椭圆率以及在入射光路中放置狭缝和网格，通过人工引入的强度梯度和衍射模式来克服脉冲波前固有的小起伏，实现了对飞秒激光在介质形成多丝的控制。也有一些方法通过倾斜透镜引入像差或使用螺旋位相板引入波前位相差来控制成丝，在这种情况下，一个脉冲和另一个脉冲之间产生的多丝具有较好的重复性，但是多丝的位置实质上是随机的。
发明内容
本发明旨在提供一种飞秒激光成丝和超连续辐射的控制装置和控制方法，以实现飞秒激光形成多丝的精确控制，包括成丝的数目、成丝的位置、丝的位相以及伴随成丝的超连续辐射，具有简单有效的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种飞秒激光成丝及超连续辐射的控制装置，其特点是在准直飞秒激光的输出光路上依次设置的位相板和聚焦透镜构成，所述的位相板为具有2n个位相跃变量为
Figure BSA00000482105800011
的相间的分区的透射式位相板或反射式位相板，其中n的取值为1以上的正整数。
所述的位相板是在K9玻璃表面形成的圆形区域，具有多个中心对称的间隔分布0或π的位相延迟的扇形区域。
一种飞秒激光成丝及超连续辐射的控制方法，特点在于包括下列步骤：
①利用湿法刻蚀方法或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法在K9玻璃表面刻蚀出n个对角的扇形区域，刻蚀深度所对应的位相跃变量为π；或者在K9玻璃表面镀上一层n个对角的扇形区域的介质膜，膜厚度所对应的位相跃变量为π；
②在准直飞秒激光输出的光路上依次设置所述的位相板和聚焦透镜；
③开启飞秒激光器，准直的飞秒激光经设定位相板和聚焦透镜后，在空间形成飞秒激光成丝及超连续辐射，所述的飞秒激光成丝的数量与所述的位相板的位相跃变的分区数2n相等；
④更换所述的位相板可以改变所述的飞秒激光成丝的数量。
本发明的技术效果：
1、通过改变入射光的波前位相来改变聚焦区域的光场分布，使其出现2个或者4个或者2n个聚焦光斑，从而控制成丝的数目。
2、通过配合使用不同焦距的聚焦透镜，可以控制成丝的位置。
3、而且，由于这些丝之间都是相干的，彼此之间有固定的位相差，因此成丝过程伴随产生的超连续辐射也是相干的，在干涉效应下，超连续辐射呈现非常规律的条纹状或者网格状强度分布。
4、该方法通过控制多丝，使能量均匀分布于各根丝内，从而使飞秒光的传输更稳定，对飞秒激光传输的相关应用具有重要的意义。同时，所获得超连续辐射具有可控的强度分布，可用于激光三维结构制备等领域。
附图说明
图1透射式二区位相板示意图，
Figure BSA00000482105800021
为相对位相跃变量；
图2透射式四区位相板示意图，
Figure BSA00000482105800022
为相对位相跃变量；
图3透射式六区位相板示意图，
Figure BSA00000482105800023
为相对位相跃变量；
图4为本发明使用二区位相板的飞秒激光成两根丝及超连续辐射控制装置实施例1的光路图；
图5为本发明使用四区位相板的飞秒激光成四根丝及超连续辐射控制装置实施例2的光路图；
其中：1为入射超强超短脉冲激光，2为透射式位相板，3为聚焦透镜，4为超短超强激光聚焦后在空气中形成的光丝(弱等离子体通道)。
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。
实施例1
下面以使用1个两区位相板为例说明，位相板的结构如图1所示，在K9玻璃表面镀上一层半圆形区域的介质膜，膜厚度所对应的位相跃变量为
Figure BSA00000482105800031
即位相板等分为二等份：左半圆区域和右半圆区域，分别提供0和π的位相延迟。假设入射光波长为0.8μm，光斑为高斯分布并且光斑直径大小为10mm(1/e2)。
波长为0.8μm的光经过位相板之后，光斑左半圆和右半圆会有π的位相差。用透镜聚焦后，聚焦区域出现左、右两个聚焦光斑，两个光斑之间有π的位相差。两个聚焦光斑在衍射、自聚焦以及等离子体散焦效应的作用下，自导引传输，形成两根丝。伴随两根丝产生的超连续辐射彼此干涉，形成条纹状强度分布。
再请参阅图4，图4为本发明使用二区位相板的飞秒激光成两根丝及超连续辐射控制装置实施例1的光路图；
入射激光脉冲1先通过经过所述的二区位相板2来改变入射光脉冲的波前，再经过透镜3聚焦在空气中形成光丝4。由于入射光的波前发生变化，入射光斑中各个部分已经不再是等相位，这样在经过透镜之后，各个部分各自聚焦产生一个光斑。聚焦光斑在衍射、自聚焦以及等离子体散焦效应的作用下，自导引传输，形成2根光丝。
实施例2
下面继续以使用1个四区位相板为例说明，位相板的结构如图2所示，在K9玻璃表面镀上一层具有四个扇区的圆形介质膜，膜厚度所对应的位相跃变量为
Figure BSA00000482105800032
即位相板等分为四等份：左上半圆区域、左下半圆区域、右上半圆区域和右下半圆区域，分别提供0，π，π，0的位相延迟。
再请参阅图5，图5为本发明使用四区位相板的飞秒激光成四根丝及超连续辐射控制装置实施例2的光路图；
波长为0.8μm的光经过四区位相板之后，光斑的位相区域分为上左半圆、下左半圆、上右半圆、下右半圆区域，位相跃变分别为0，π，π，0。用透镜聚焦后，几何焦点位置出现上下左右四个聚焦光斑。这四个聚焦光斑在衍射、自聚焦以及等离子体散焦效应的作用下，自导引传输，形成四根光丝。伴随四根丝产生的超连续辐射彼此干涉，形成网格状强度分布。
值得注意的是，此外，位相板也不局限于透射式，也可以用反射式，例如可以使反射镜的各个部分介质膜厚度不同，使反射的光经历不同的光程，同样可实现位相的调节。
我们设计了具体的实验来初步验证我们的想法，详细描述如下：
我们用了一个焦距为100cm的透镜聚焦，入射光能量为3μJ/脉冲，脉宽约100fs，光斑直径约10mm(1/e2)，传输介质为YAG晶体。使用四区位相板。在实验中我们发现，不加位相板的情况下，入射光全部注入的时候，成随机的多丝，且脉冲与脉冲之间产生的丝无法重复。同时我们测量了成丝以后的超连续辐射，强度分布没有规律，比较杂乱。但加了位相板之后，相同情况下，可以得到四根稳定的光丝，丝位置与理论预测几乎一致，位置坐标分别为(-7.75μm，7.75μm)，(-7.75μm，-7.75μm)，(7.75μm，7.75μm)，(7.75μm，-7.75μm)，且脉冲与脉冲之间产生的丝有非常好的重复性。同时，远场超连续辐射(白光)呈现有规律强度分布，发散角变小，相对集中在轴向，这对于飞秒激光传输及超连续辐射相关应用有非常重要的意义。

Claims (3)

1.一种飞秒激光成丝及超连续辐射的控制装置，其特征是在准直飞秒激光(1)输出的光路上依次设置的位相板(2)和聚焦透镜(3)构成，所述的位相板(2)为具有2n个位相跃变量为π的相间的分区的透射式位相板或反射式位相板，其中n的取值为1以上的正整数。
2.根据权利要求1所述的控制飞秒激光成丝及超连续的装置，其特征在于所述的位相板(2)是在K9玻璃表面形成的圆形区域，具有多个中心对称的间隔分布0或π的位相延迟的扇形区域。
3.一种飞秒激光成丝及超连续辐射的控制方法，特征在于包括下列步骤：
①利用湿法刻蚀方法或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法在K9玻璃表面刻蚀出n个对角的扇形区域，刻蚀深度所对应的位相跃变量为π；或者在K9玻璃表面镀上一层n个对角的扇形区域的介质膜，膜厚度所对应的位相跃变量为π；
②在准直飞秒激光输出的光路上依次设置所述的位相板(2)和聚焦透镜(3)；
③开启飞秒激光器，准直的飞秒激光经设定位相板(2)和聚焦透镜(3)后，在空间形成飞秒激光成丝及超连续辐射，所述的飞秒激光成丝的数量与所述的位相板(2)的位相跃变的分区数2n相等；
④更换所述的位相板(2)可以改变所述的飞秒激光成丝的数量。
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