CN103928833A - 一种基于镀膜的脉冲序列调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超快激光脉冲序列调制方法和调制器，属于超快激光领域。包括：超快激光脉冲，调制镜片，前表面，后表面。超快激光脉冲垂直入射到调制镜片的前表面上，透过调制镜片后到达后表面，调制镜片的前表面和后表面都镀有半透半反膜，经过调制镜片调制后的脉冲序列从后表面输出。本发明仅使用一个双面镀膜的镜片就可以直接产生特定的飞秒到皮秒量级时间延迟和特定能量分布规律的脉冲序列，不需要复杂的光路，没有调整机构，不涉及光路对齐和调整校正等过程，大大降低了系统复杂度和成本，提高了可靠性和稳定性。

Description

一种基于镀膜的脉冲序列调制器

技术领域

本发明涉及一种超快激光脉冲序列调制方法和调制器，属于超快激光领域。

背景技术

超快激光具有持续时间短、峰值功率高的特点(LanJiang,LisanLi,SumeiWangandHai-LungTsai.Microscopicenergytransportthroughphoton-electron-photoninteractionsduringurtrashortlaserablationofwidebandgapmaterials.中国激光.Vol.36,No.4.2009.)，具有很强的激发、调控及探测能力，因而在超快化学(AHZewail-Femtochemistry:Atomic-scaledynamicsofthechemicalbond.TheJournalofPhysicalChemistryA,2000.)、超快生物以及超快激光制造等领域都有重要应用，近来在超快激光制造领域，基于电子状态调控思想实现高精度高质量高效率制造(LJiang,PLiu,XYan,NLeng,CXu,HXiao,YLu.High-throughputrear-surfacedrillingofmicrochannelsinglassbasedonelectrondynamicscontrolusingfemtosecondpulsetrains.Opticsletters,2012.)，得到国内外学者广泛认可。

电子状态调控的一个具体方法是将超快激光脉冲调制为间隔在飞秒到皮秒量级的超快激光脉冲序列。然而，一般的超快激光器本身的脉冲重复频率都很低，对应的脉冲间隔周期一般都不会短于纳秒，如何获取脉冲间隔为飞秒到皮秒量级的脉冲序列成为一个难题。飞秒到皮秒这么短的时间尺度已经远远超过一般电子设备的频率响应极限，所以很难通过电学方法来实现这么短时间延迟的脉冲序列，必须采用光学方法。现在商用的脉冲整形器采用空间光调制器对光束截面上的每个像素单元进行不同的相位延迟，从而达到时间和空间整形的目的，具有结构简单，自动化程度高的优点，但是设备成本高，不能适用大功率，原理不直观，误差较大，出光效率低，而且调制过程耗时较长。常用的分光合光法也可以产生简单的双脉冲，但是这种方法使用一对垂直反射镜的平移来控制光程差（也即子脉冲间延时），用于调制双脉冲序列还可以接受，一旦子脉冲数增多，光路结构将会变得非常复杂，光路对齐和校准也将会变得非常困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服商业脉冲整形器系统结构复杂、损伤阈值低、成本高、调制速度慢的缺点和解决常规分光方法存在的光路结构复杂、对齐调整困难的问题，提出了一种基于镀膜的脉冲序列调制器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于镀膜的脉冲序列调制器，包括：超快激光脉冲，调制镜片，前表面，后表面。

连接关系为：

超快激光脉冲垂直入射到调制镜片的前表面上，透过调制镜片后到达后表面，调制镜片的前表面和后表面都镀有半透半反膜，经过调制镜片调制后的脉冲序列从后表面输出。

当需要利用前表面产生的脉冲序列时，在调制镜片的前表面前增加分光镜,使从前表面产生的脉冲序列与入射激光分离：超快激光脉冲透过与激光传播方向成45度放置的分光镜后，垂直入射到调制镜片的前表面上，然后穿过调制镜片到达后表面，经过调制后的脉冲序列从调制镜片的前表面输出，遇到分光镜后与被反射，从而与入射激光分离，沿着与入射激光垂直的方向输出，调制镜片的前表面和后表面都镀有半透半反膜。

所述调制镜片为特定厚度的两表面互相平行的透明玻璃镜片，其厚度由需要的脉冲序列中相邻子脉冲间的延迟决定，调制镜片厚度与脉冲延迟的关系为：相邻两个子脉冲之间的延迟，等于光通过两倍于调制镜片的厚度的光程所需要的时间。公式表示如下：

Δt=2*n*d/c

其中Δt表示调制生成的脉冲序列中相邻子脉冲之间的延迟，n为调制镜片材料对入射激光波长的折射率，d为调制镜片的厚度，c为真空中的光速。

所述半透半反膜，是根据所适用的超快激光波长范围，和最终需要的脉冲序列中子脉冲能量分配规律确定的反射率，通过电子束蒸镀等方法在玻璃镜片基底上镀的多层介质膜。

工作原理：首先在调制镜片的前表面和后表面都镀上半透半反膜，超快激光脉冲入射到脉冲序列调制镜片的前表面上，被分成了两个子脉冲，一个脉冲被前表面反射回去，成为从前表面输出的第一个子脉冲；另一个脉冲则透过前表面，进入调制镜片内部传播，接着这个脉冲遇到后表面的半透半反膜，再次发生分光，分成反射和透射两个子脉冲，被后表面透射的子脉冲成为从后表面输出的第一个子脉冲，被后表面反射的子脉冲又回到镜片前表面，在前表面处又发生分光，一个脉冲透射出去，从而在前表面输出第二个子脉冲，另一个反射脉冲继续在调制镜片内部传播，如此往返重复，不断地依次在调制镜片的前后表面输出子脉冲，每发生一次分光，脉冲能量就会衰减一次，直到最后脉冲能量衰减到0为止，所以这种调制器可以在调制镜片的前表面和后表面各输出一组脉冲序列，图1中虽然入射光是斜入射的，但是，如果入射光垂直入射，原理和效果也是一样的，只不过输出的两组脉冲序列都是共线的。

从调制镜片的前表面输出的脉冲序列由于与入射激光共线传播，所以一般需要在前表面前加入一个分光镜，用于将脉冲序列与入射激光分离后输出。而从调制镜片后表面输出的脉冲序列则无需任何器件即可作为最终输出。

对于这两组脉冲序列中的任一组，相邻两个子脉冲之间的延迟都相等，并且等于光通过两倍于调制镜片的厚度的光程所需要的时间，调制镜片的厚度越大，输出的脉冲序列中相邻子脉冲的延迟也越大,所以控制调制镜片的厚度就可以控制最后生成的脉冲序列中各子脉冲之间的延迟。

前表面的反射率用a表示，后表面的反射率用b表示，忽略吸收损失，那么经过调制后，从调制镜片的前表面输出的脉冲序列除了第一个子脉冲外，其后的子脉冲能量分布按等比衰减规律，衰减系数为a*b；从调制镜片的后表面输出的脉冲序列则从第一个子脉冲开始，各个子脉冲能量按等比规律衰减，衰减系数也为a*b。所以控制前表面和后表面的反射率，就可以控制输出的脉冲序列中各子脉冲的能量分布规律。

有益效果

1、本发明的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，仅使用一个双面镀膜的镜片就可以直接产生特定的飞秒到皮秒量级时间延迟和特定能量分布规律的脉冲序列，不需要复杂的光路，没有调整机构，不涉及光路对齐和调整校正等过程，大大降低了系统复杂度和成本，提高了可靠性和稳定性。

2、本发明的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，控制调制镜片的厚度，就可以控制脉冲序列中各子脉冲之间的延时；控制调制镜片前后两表面镀膜的反射率，就可以控制输出的脉冲序列中各子脉冲的能量分布规律，由于单个镜片的成本相对很低，因此可以按照需要的脉冲序列延时和能量规律定制一系列不同反射率镀膜和不同厚度的调制镜片。

3、本发明的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，如果将调制镜片设计为具有特定间隔的多层半透半反膜的复合结构，还可以产生更加复杂的脉冲序列。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是根据图1的原理，取前表面4的反射光作为最终输出的一个实施例的光路结构示意图；

图3是根据图1的原理，取后表面5的透射光作为最终输出的一个实施例的光路结构示意图。

其中：1—超快激光脉冲，2—调制镜片，3—前表面，4—后表面，5—分光镜。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种基于镀膜的脉冲序列调制器，包括：超快激光脉冲1，分光镜2，调制镜片3，前表面4，后表面5。

连接关系为：

超快激光脉冲1透过一个与激光传播方向成45度放置的分光镜2后，垂直入射到调制镜片3的前表面4上，然后穿过调制镜片3到达后表面5，经过调制镜片3的调制后，一束脉冲序列从前表面4反射回来，沿着与入射激光相反的方向传播，这束脉冲序列在遇到反射镜2后被反射，与入射激光发生分离，沿着与入射激光垂直的方向输出,调制镜片3的前表面4和后表面5都镀有半透半反膜；

本实施例的调制镜片3的基底材料为N-BK7，厚度为1mm,前后表面抛光后先清洗再镀膜，前表面4上镀膜为针对800±50nm的宽带介质反射膜，反射率为30%，后表面5上先镀有一层银膜，然后镀了一层二氧化硅保护膜作为保护膜，后表面的镀膜对中心波长800nm的超快激光的反射率为100%，即全反。当输入中心波长为800nm，脉宽为50fs的飞秒激光时，从分光镜2的一侧输出的脉冲序列中相邻子脉冲的延迟为10ps，各子脉冲能量比例为：30:49:14.7:4.41:……

工作过程如下，如图2所示；

1)、将玻璃镜片基底磨成需要的厚度，并两面抛光，然后用超声波清洗，最后在真空中进行镀膜，镀膜参数根据需要的波长范围和反射率确定，镀好膜之后即得到了需要的脉冲序列调制镜片3；

2)、在调制镜片3的前面放置一个与光传播方向成45度的分光镜2；

3)、将一束超快激光1垂直入射到调制镜片3的前表面4上，并保证超快激光1先通过分光镜2之后再到达调制镜片3；

4)、在分光镜2的一侧与入射激光垂直的方向上就可以得到除第一个子脉冲外，其余子脉冲能量等比递减的无穷脉冲序列。

实施例2

一种基于镀膜的脉冲序列调制器，包括：1—超快激光脉冲，3—调制镜片，4—前表面，5—后表面。

连接关系为：

超快激光脉冲1垂直入射到调制镜片3的前表面4上，透过调制镜片3后到达后表面5，调制镜片3的前表面4和后表面5都镀有半透半反膜。

本实施例的调制镜片3的材料为N-BK7，厚度为100um,前表面4上镀有一层宽带介质膜，在700-920波长范围内的反射率为40%，后表面5上镀有一层在700-920波长范围内反射率为50%的介质膜。当输入中心波长为800nm，脉宽为50fs的飞秒激光时，从后表面5输出的脉冲序列中相邻子脉冲的延迟为1ps，各子脉冲能量比例为：100:20:5:1:……。

工作过程如下：如图3所示；

1)、将玻璃镜片基底磨成需要的厚度，并两面抛光，然后用超声波清洗，最后在真空中进行镀膜，前后表面镀膜的参数根据需要的波长范围和反射率确定，镀好膜之后即得到了需要的脉冲序列调制镜片3；

2)、将一束超快激光1垂直入射到调制镜片3的前表面4上；

3)、在调制镜片3的后表面5处即可得到一束能量等比递减的无穷脉冲序列。

本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于镀膜的脉冲序列调制器，其特征在于：包括：超快激光脉冲（1），调制镜片（3），前表面（4），后表面（5）；超快激光脉冲（1）垂直入射到调制镜片（3）的前表面（4）上，透过调制镜片（3）后到达后表面（5），调制镜片（3）的前表面（4）和后表面（5）都镀有半透半反膜，经过调制镜片（3）调制后的脉冲序列从后表面（5）输出。

2.如权利要求1所述的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，其特征在于：当需要利用前表面（4）产生的脉冲序列时，在调制镜片（3）的前表面（4）前增加分光镜（2）,使从前表面（4）产生的脉冲序列与入射激光分离：超快激光脉冲（1）透过与激光传播方向成45度放置的分光镜（2）后，垂直入射到调制镜片（3）的前表面（4）上，然后穿过调制镜片（3）到达后表面（5），经过调制后的脉冲序列从调制镜片（3）的前表面（4）输出，遇到分光镜（2）后与被反射，从而与入射激光分离，沿着与入射激光垂直的方向输出，调制镜片（3）的前表面（4）和后表面（5）都镀有半透半反膜。

3.如权利要求1所述的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，其特征在于：所述调制镜片为两表面互相平行的透明玻璃镜片，调制镜片的厚度由需要的脉冲序列中相邻子脉冲间的延迟决定，调制镜片厚度与脉冲延迟的关系为：相邻两个子脉冲之间的延迟，等于光通过两倍于调制镜片的厚度的光程所需要的时间；公式表示如下：

Δt=2*n*d/c

其中Δt表示调制生成的脉冲序列中相邻子脉冲之间的延迟，n为调制镜片材料对入射激光波长的折射率，d为调制镜片的厚度，c为真空中的光速。

4.如权利要求1所述的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，其特征在于：所述半透半反膜，是根据所适用的超快激光波长范围，和最终需要的脉冲序列中子脉冲能量分配规律确定的反射率，通过电子束蒸镀等方法在玻璃镜片基底上镀的多层介质膜。

5.如权利要求1所述的一种基于镀膜的脉冲序列调制器，其特征在于：控制前表面(4)和后表面(5)的反射率，就能够控制输出的脉冲序列中各子脉冲的能量分布规律。