CN103246064A - 基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及方法，基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置包括氦氖激光光源、超短脉冲光源、光学衰减片、空间光调制器、反射镜、二向色镜、非线性液体介质、遮光板、精密探测器。本发明基于泵浦-探测和渐变折射率等离子体透镜原理，提出了一种新型的产生空心光束的装置以及产生方法，与传统的产生空心光束的方法相比，本实施例的方法只要通过改变泵浦光的输入功率和聚焦形态，就可以方便快捷的实时控制环形光束中黑斑的大小和形状。

Description

基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体是一种基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及方法。

背景技术

空心光束是指在光束传播方向上中心光强较低或为零的环状光束。由于空心光束具有诸如桶状的强度分布，传输不变性等独特的物理性质，使之在激光光学、超分辨率荧光显微镜、微观粒子光学俘获、材料科学等方面具有广泛的应用前景。许多方法可以用来产生空心光束，例如：轴锥透镜法、模式变换法、计算和光学全息法、相位板法等。此外，研究表明，可以把激光束耦合进中空光纤、光子晶体光纤或者多模光纤来产生空心光束。最近，美国的Optical Letters 杂志，Zhangrong Mei 的题为“Random sources generating ring-shaped beams”，2013，Vol. 38，No. 2，pp. 91-93，文章中公开了一种利用随机源来产生空心光束的新方法。但是，以上方法都是基于特定的光电器件，不能灵活的实时控制环形光束中黑斑的大小和形状。本发明基于泵浦-探测和渐变折射率等离子体透镜的原理，提出了一种新型的产生空心光束的装置以及产生方法，通过改变泵浦光的输入功率和聚焦形态，就可以方便快捷的实时控制环形光束中黑斑的大小和形状。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置及产生方法，能够方便快捷的实时控制环形光束中黑斑的大小和形状。

本发明所采用的技术方案是：一种基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，包括氦氖激光光源、超短脉冲光源、光学衰减片、空间光调制器、反射镜、二向色镜、非线性液体介质、遮光板、精密探测器。其特征在于，超短脉冲光源产生的超短脉冲作为泵浦光，氦氖激光光源产生的激光作为探测光。探测光依次经过第一反射镜、第一二向色镜、非线性液体介质、第二反射镜、第二二向色镜、第二光学衰减片到达精密探测器。泵浦光依次经过第一光学衰减片、空间光调制器、第一二向色镜、非线性液体介质、第二反射镜、第二二向色镜到达遮光板。

所述氦氖激光光源采用氦氖激光器。

所述超短脉冲光源采用钛宝石再生放大激光器。

所述光学衰减片为可调节金属膜中性密度渐变滤光片。

所述空间光调制器采用空间光强度调制器。

所述反射镜为前表面镀银反射镜。

所述二向色镜对波长为800nm的激光反射率99.9%，对波长为632nm的激光透射率99.9%。

所述非线性液体介质为二硫化碳。

所述遮光板为光学遮光板。

所述精密探测器为CCD Camera。

基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置的产生空心光束的方法的具体步骤为：

1）调试泵浦光和探测光光路，使两光路共线射入非线性液体介质中；

2）调节第一光学衰减片，逐渐增大泵浦光入射功率直至能在精密探测仪器中观察到探测光光斑变成典型的环形结构，此时探测光即转变为空心光束；

3）调节泵浦光的入射功率，空心光束中的黑斑大小将会随泵浦光入射功率的增大而变大；通过设置空间光调制器改变泵浦光的空间强度分布，空心光束中的黑斑形状将会随之变化。

本发明的工作原理是：钛宝石再生放大激光器发出的飞秒脉冲，在非线性液体介质中传输时，将会产生一个等离子通道。由于飞秒激光具有高斯型的空间强度分布，将会导致等离子体中激光的强度分布为近高斯型。又由于等离子体的原子离化度与该处的光强成正比，因此等离子体中的电子密度分布为高斯型分布。所以等离子体通道中电子密度分布可以表示为：

$n_e=n_{0\left(P_{\mathrm{fs}}\right)}\exp (-\frac{x^2}{W^2})---\left(1\right)$

其中

为等离子体中心位置的电子密度，它正比于飞秒激光的输入功率，W为等离子体的半径。从（1）式可以看出，飞秒激光产生的等离子体通道的光轴上的电子密度最大，但激光束只能在等离子体中电子密度低于临界密度的区域传输，由于此区域的电子密度高于临界电子密度，因此探测光将不能通过等离子体中此区域。等离子中的折射率可以表示为：

$N^2=1-\frac{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{{{\mathrm{\ω}}_L}^2}=1-\frac{n_e}{n_c}---\left(2\right)$

其中N为等离子通道中折射率，ω_p为等离子体频率，ω_L为激光频率，n_c=ω²mε₀/e²为临界密度。从（1）和（2）式可以看出，飞秒激光诱导产生的等离子体通道的折射率分布也为高斯型分布。由于等离子体边缘电子密度比临界密度小，因此探测光能从等离子体边缘通过。类似于光束通过一个渐变折射率发散透镜，探测光在等离子体边缘传输时将发生偏转，又由于探测光束不能从等离子体中心通过，因此，探测光束将转变为空心光束。

当泵浦光功率增大时，飞秒激光诱导产生的等离子通道中电子密度增大，导致等离子中电子密度低于临界密度的范围变小，即等离子中探测光能通过的范围变小，因此可以发现当泵浦光功率增大时，空心光束中黑斑的面积变大。当调节空间光调制器改变泵浦光的空间强度分布时，等离子体通道中电子密度分布也随之改变，等离子体通道中探测光不能通过的区域的范围也同时随之改变，因此可以发现空心光束中黑斑的形状也随之发生变化。

附图说明

图1为本发明基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置的结构示意图和原理示意图；（a）产生空心光束的结构示意图；（b）产生空心光束的原理示意图；

图2为本发明基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置得到的空心光束光斑图；（a）当泵浦光输入平均功率为11mW时得到的空心光束光斑图；（b）当泵浦光输入平均功率为17mW时得到的空心光束光斑图；（c）不利用空间光调制器改变泵浦光的空间强度分布得到的空心光束光斑图；（d）利用空间光调制器改变泵浦光的空间强度分布后得到的空心光束光斑图。

其中：

1：氦氖激光光源；2：超短脉冲光源；3a-3b：光学衰减片；4：空间光调制器；5a-5b：反射镜；6a-6b：二向色镜；7：非线性液体介质；8：遮光板；9：精密探测器；10：等离子体通道；11：空心光束。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明做具体说明。

如图1所示，本实施例的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，包括氦氖激光光源1、超短脉冲光源2、光学衰减片3a-3b、空间光调制器4、反射镜5a-5b、二向色镜6a-6b、非线性液体介质7、遮光板8、精密探测器9、等离子体通道10、空心光束11。

上述各部分的功能分别说明如下：

氦氖激光光源1，用于产生探测光；

超短脉冲光源2，用于产生泵浦光；

光学衰减片3a，用于调节入射到非线性介质的超短脉冲的功率；

光学衰减片3b，用于调节入射到精密探测器CCD中的功率，避免因功率过大损坏CCD；

空间光调制器4，用于改变入射飞秒激光的空间强度分布；

反射镜5a-5b，用于光束的反射，本实施例选用前表面镀银的反射镜；

二向色镜6a-6b，用于选择性的通过光束，本实施例选用对波长为800nm的光束反射率99.9%，对波长为632nm的光束透射率99.9%二向色镜；

非线性液体介质7，用作产生等离子体通道；

遮光板8，用于遮除掉从第二二向色镜中反射出来的波长为800nm的光束；

精密探测器9，用于动态探测探测光的变化过程，本实施例选用CCDCamera（Coherent公司的Laser Cam-HR^TM Beamview，其点阵为1280×1024,分辨率约为6.7μm×6.7μm）；

等离子体通道10，飞秒激光在非线性液体介质中传输时将产生等离子通道，探测光从等离子通道通过时，将会转变为空心光束；

空心光束11，探测光从等离子通道通过时，由于临界密度和渐变折射率的影响，探测光将转变为空心光束。

本发明所采用的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置工作过程如下：

激光光源1为氦氖激光器，中心波长为632nm，作为探测光。激光光源2为Coherent公司生产的商用钛宝石再生放大激光系统（型号为LibraS），输出的最短脉冲宽度约100fs，带宽约为12nm，重复频率为1kHz，中心波长为800nm，作为泵浦光。调试泵浦光和探测光光路，使两光路共线射入非线性液体介质7中，泵浦光在非线性液体介质7中传输时将产生等离子通道10。调节第一光学衰减片，逐渐增大泵浦光入射功率直至能在精密探测仪器中观察到探测光光斑变成典型的环形结构，此时探测光即转变为空心光束11。如图2（a）和（b）所示，调节泵浦光的入射功率，空心光束中的黑斑大小将会随泵浦光入射功率的增大而变大；如图2（c）和（d）所示，调节空间光调制器改变泵浦光的空间强度分布，空心光束中的黑斑形状将会随之变化。

本实施例基于泵浦-探测和渐变折射率等离子体透镜原理，提出了一种新型的产生空心光束的装置以及产生方法，与传统的产生空心光束的方法相比，本实施例的方法只要通过改变泵浦光的输入功率和聚焦形态，就可以方便快捷的实时控制环形光束中黑斑的大小和形状。

Claims (11)

1.一种基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，包括氦氖激光光源、超短脉冲光源、光学衰减片、空间光调制器、反射镜、二向色镜、非线性液体介质、遮光板、精密探测器；其特征在于，超短脉冲光源产生的超短脉冲作为泵浦光，氦氖激光光源产生的激光作为探测光；探测光依次经过第一反射镜、第一二向色镜、非线性液体介质、第二反射镜、第二二向色镜、第二光学衰减片到达精密探测器；泵浦光依次经过第一光学衰减片、空间光调制器、第一二向色镜、非线性液体介质、第二反射镜、第二二向色镜到达遮光板。

2.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述氦氖激光光源采用氦氖激光器。

3.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述超短脉冲光源采用钛宝石再生放大激光器。

4.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述光学衰减片为可调节金属膜中性密度渐变滤光片。

5.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述空间光调制器为空间光强度调制器。

6.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述反射镜为前表面镀银反射镜。

7.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，

所述二向色镜对波长为800nm的激光反射率99.9%，对波长为632nm的激光透射率99.9%。

8.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述非线性液体介质为二硫化碳。

9.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述遮光板为光学遮光板。

10.根据权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置，其特征在于，所述精密探测器为CCD Camera。

11.一种利用权利要求1所述的基于渐变折射率等离子体透镜产生空心光束的装置的空心光束的产生方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

1）调试泵浦光和探测光光路，使两光路共线射入非线性液体介质中；

2）调节第一光学衰减片，逐渐增大泵浦光入射功率直至能在精密探测仪器中观察到探测光光斑变成典型的环形结构，此时探测光即转变为空心光束；

3）调节泵浦光的入射功率，空心光束中的黑斑大小将会随泵浦光入射功率的增大而变大；通过设置空间光调制器改变泵浦光的空间强度分布，空心光束中的黑斑形状将会随之变化。

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