CN104218441A - 一种超快激光脉冲序列调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超快激光脉冲序列调制方法，通过级联分光合光的方式将一个超快激光单脉冲调制成由两个或多个间隔为飞秒到皮秒量级的子脉冲构成的脉冲序列，并且可以精确控制子脉冲个数、子脉冲之间延时和每个子脉冲能量。本发明的有益效果为：结构原理简单，占用光学元件少，占用空间小，各子脉冲相互独立，对其能量和延时的调节互不影响，且可以在入射激光和出射激光之间随意增减分光级数来增减出射激光脉冲序列中子脉冲的个数，而不影响原有脉冲序列中各子脉冲的延时分布。

Description

一种超快激光脉冲序列调制方法

技术领域

本发明涉及激光光学领域，尤其涉及一种超快激光脉冲序列调制方法。

背景技术

超快激光由于它的脉冲持续时间极短，短到比很多微观物理化学过程都短，这使得让人类认识和观察超快瞬间过程成为可能，比如观察化学反应中化学键断裂，原子重组的过程。另一方面，超快激光极短的脉冲持续时间也意味着极高的瞬时功率，极高的电磁场强度，这种极端性质的电磁场与物质相互作用必然会有一些特殊的现象或者规律，在超快微纳制造、超快生命科学、超快化学等领域有巨大的应用前景。

人们通过理论模拟和实验发现，用多个时间延迟和能量分布经过精心设计的脉冲构成的脉冲序列代替单个超快激光脉冲加工材料时，会得到更好的加工质量和加工效率。但是要求脉冲序列中子脉冲间延时在fs和ps量级，超快激光器本身的重复频率很难达到这么高，目前常用的方法主要有空间光调制法(傅里叶光学调制)和分光合光法(几何光学调制)两种。空间光调制法有成型的设备，其优点是无机械运动部件，方便高效准确，对超快激光时域展宽小，缺点是这种设备成本非常高，能量利用效率低，子脉冲数多于5个时基本没法使用；普通分光合光法一般利用一对儿相互垂直的反射镜的平移来控制光程差(也即子脉冲间延时)，原理简单，但是需要的光学元件较多，占用空间大，多用于双脉冲，用于多脉冲时尤其复杂，调整和校准工作量非常大。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快激光脉冲序列调制方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种超快激光脉冲序列调制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)入射激光被一组分光镜逐级分成多个子脉冲；

(2)然后对这多个子脉冲分别进行延时和能量调制；以及

(3)最后再通过另一组分光镜逐级耦合到一条直线上输出，形成由多个子脉冲构成的脉冲序列。

进一步的，步骤(1)中，进一步包括以下步骤：激光在同一个平面内传播，入射激光方向和出射激光方向互相平行，各子脉冲沿着直线传播，连接入射激光和出射激光，整个光路呈现一种多级并联式的结构。

进一步的，步骤(2)中，进一步包括以下步骤：通过调节每一级并联支路的倾斜角度可以改变通过该支路的子脉冲的光程，进而控制其延时，这是通过调节该支路前后两个分光镜的角度和位置来实现的。

进一步的，步骤(3)中，进一步包括以下步骤：通过调节每一级并联支路中的衰减片，可以调整对应子脉冲的能量，从而控制最后输出的脉冲序列中各子脉冲的能量分布。

本发明的有益效果为：本发明结构原理简单，占用光学元件少，占用空间小，各子脉冲相互独立，对其能量和延时的调节互不影响，且可以在入射激光和出射激光之间随意增减分光级数来增减出射激光脉冲序列中子脉冲的个数，而不影响原有脉冲序列中各子脉冲的延时分布。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的光路结构示意图；

图2是本发明实施例所述的以一个双脉冲光路为例，介绍顺时针旋转并联光路分支对光程的影响的简化原理图；

图3是本发明实施例所述的以一个双脉冲光路为例，介绍逆时针旋转并联光路分支对光程的影响的简化原理图；

图4是本发明实施例所述的光程随并联光路分支旋转角度的变化曲线图。

图中：

1是入射超快激光；2(3、80、81、82、83、84、85、86)、光阑；4、挡光器；5、出射超快激光脉冲序列；10(11、12、13、14、61、62、63、64、65)、超快激光分光镜；15(60)、超快激光反射镜；20(21、22、23、24、30、31、32、33、34、35、70、71、72、73、74、90、91、92、93、94)、光束；40(41、42、43、44、45)、光快门；50(51、52、53、54、55)、连续衰减片。

具体实施方式

本发明实施例所述的一种超快激光脉冲序列调制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)入射激光被一组分光镜逐级分成多个子脉冲；

(2)然后对这多个子脉冲分别进行延时和能量调制；以及

(3)最后再通过另一组分光镜逐级耦合到一条直线上输出，形成由多个子脉冲构成的脉冲序列。

步骤(1)中，进一步包括以下步骤：激光在同一个平面内传播，入射激光方向和出射激光方向互相平行，各子脉冲沿着直线传播，连接入射激光和出射激光，整个光路呈现一种多级并联式的结构。

步骤(2)中，进一步包括以下步骤：通过调节每一级并联支路的倾斜角度可以改变通过该支路的子脉冲的光程，进而控制其延时，这是通过调节该支路前后两个分光镜的角度和位置来实现的。

步骤(3)中，进一步包括以下步骤：通过调节每一级并联支路中的衰减片，可以调整对应子脉冲的能量，从而控制最后输出的脉冲序列中各子脉冲的能量分布

如图1所示，分光镜10、11、12、13、14和反射镜15都先安装在两轴可调镜架上，镜架下面用高度可调的光学支杆支座支撑并固定在光学平台上，分光镜60、61、62、63、64和反射镜65都先安装在两轴可调镜架上，镜架下面用高度可调的光学支杆支座支撑并固定在微米精度的平移台上，最后把精密平移台固定在光学平台上。其他光学元件(光快门、连续衰减片、光阑)都通过高度可调的支杆支座直接固定在光学平台上。调整这些光学元器件，使入射激光按照图1所示的传播路径通过每一个光学元件的中心并保证光高一致。

所有分光镜和反射镜的角度调整都通过两轴镜架来实现，所有分光镜和反射镜的平移调整则由精密平移台来实现。

需要调整某两个子脉冲的相对延时的时候，这里以调整子脉冲31相对子脉冲30的延时为例，可以把除这两个子脉冲之外的其他子脉冲光路(32、33、34、35)用白纸板等物挡住，保持被参考的子光路30不动，先调整分光镜11的二维可调镜架旋钮，使子光束31的传播方向倾斜，光束31照射到分光镜61上的位置就会发生改变，甚至有可能脱离分光镜61的范围，这时候调整分光镜61所在的平移台，可以用电动也可以用手动方式，让光束31重新照射到分光镜61的中心，这个时候，从分光镜61反射出去的光束肯定与从61透射出去的光束不重合，再通过调整61所在的二维镜架旋钮，让这两束光重合。至此，调整过程完成，这两个子脉冲的具体相对延时可以通过在光束输出口放置的自相关仪进行测量。如果测量结果比想要设定的延时大，可以重复上面的调整过程，减小光束31相对光束30的倾斜角度，反之，增大光束31相对光束30的倾斜角度。

为了调整起来简单，所有其他脉冲的延时调整都可以选用同一个子脉冲(例如30)作为参照。

需要调整某一个子脉冲(例如30)的能量时，挡住所有其他子脉冲光路(例如31、32、33、34、35)，在光路出口处放置一个功率计，用于测量该子脉冲的能量，旋转该子光路对应的连续衰减片(例如50)，调整到对应的能量即可。

以一个双脉冲光路为例，详细介绍本发明调节子脉冲间延时的原理和方法。第一个子脉冲沿着路径1-10-60-5传播，第二个子脉冲沿着路径1-15-65-5。当反射镜15和分光镜65处于虚线所示位置和角度时，ABCD1是平行四边形，所以两个子脉冲的光程相同。此时若反射镜15绕着光束20的入射点C顺时针方向偏转角度θ，光束20的反射光线35就会偏转2θ角，沿着CD2方向传播，如果分光镜65不动，光束35在分光镜65上的入射点就会向右上方偏移，经过分光镜65之后的反射光也就不再与光束5重合，如果角度θ足够大，光线35甚至有可能脱离分光镜65。所以这时候需要调整分光镜65的角度和位置，使得光束35在分光镜65上的反射光与光束5重新重合。调整方法是，先将镜片65向右平移，使光线35在分光镜65上的入射点重新回到镜片65中央，即与光束70的入射点重合，此时如果用纸片挡在分光镜65右边，可以看到两个光斑，然后将分光镜65沿着光束70的入射点D2顺时针，直到纸片上的两个光斑重合(理论上分光镜65需要旋转θ角)，这样调整后的光路是ABCD2，这时，两个子脉冲的路径分别为ABD2和ACD2，光程差为：

Δl＝ABD₂-ACD₂

＝(AB+BD₁+D₁D₂)-(AC+CD₂)

＝(AC+CD₁+D₁D₂)-(AC+CD₂)

＝CD₁+D₁D₂-CD₂

Δl对应三角形CD1D2的两边之和减第三边，由于三角形的两边之和总是大于第三边，所以Δl＞0，即光路分支35向右倾斜后光程变短。

当CD₁⊥D₁D₂时，设CD₁＝l可以得出：

$\mathrm{\Δl}=l+l\tan 2\mathrm{\θ}-l/\cos 2\mathrm{\θ}=\frac{\cos 2\mathrm{\θ}+\sin 2\mathrm{\θ}-l}{\cos 2\mathrm{\θ}}l$

根据图3所示，同样的方法可以推导出，当镜片15逆时针旋转θ角时，两个子脉冲的光程差为：

Δl＝ABD₂-ACD₂

＝ABD₂D₁-ACD₂D₁

＝(AB+BD₁-D₁D₂)-(AC+CD₂)

＝(AC+CD₁-D₁D₂)-(AC+CD₂)

＝CD₁-D₁D₂-CD₂

＜0

表明光束35向左倾斜后，光程变长。当CD₁⊥D₁D₂时，设CD₁＝l可以得出：

$\mathrm{\Δl}=l-l\tan 2\mathrm{\θ}-l/\cos 2\mathrm{\θ}=\frac{\cos 2\mathrm{\θ}-\sin 2\mathrm{\θ}+l}{\cos 2\mathrm{\θ}}l$

图4是顺时针和逆时针旋转光线时，光程差的绝对值与旋转角度的关系曲线，可见，无论顺时针还是逆时针旋转光线，光程差都随着旋转角度的增大而增大，也就是说，并联分支光路向右倾斜的越厉害，光程越短，向左倾斜的越厉害，光程越长。但是，从图4中可以看出，并联分支顺时针偏转时，光程差变化得比逆时针偏转时更慢，且更接近线性关系。

从两脉冲的例子中可以看到，一个并联光路分支的角度决定着通过在这个光路分支的子脉冲的光程，而这个并联光路分支的角度又由首尾两个分光镜(或者反射镜)的角度和位置唯一确定(例如光束30的方向由分光镜10和反射镜60唯一确定，光束31的方向由分光镜11和分光镜61唯一确定，光束32的方向由分光镜12和分光镜62唯一确定)。最重要的是，调整某一个并联光路分支两端的反射镜的角度和位置，并不会影响其他子脉冲光路的传播路径和光程，因为对其他子脉冲来说，都是直接透过这两个镜片，其传播方向和光程与这两个镜片的角度和位置无关。这说明各个子脉冲的光程调节相互独立，给调整脉冲延时分布带来了很大的方便。

本说明书介绍的是一个6脉冲序列光路的实施例，但是利用本专利的方法不限于6脉冲序列，可以是任意数量，只需要在6脉冲序列光路的基础上插入或者删除一些并联光路分支，最终调制出的脉冲序列中最大子脉冲个数由分光支路的级数决定。然而，脉冲序列中子脉冲个数要受限于单个子脉冲的最低能量要求，因为每利用分光镜进行一次合束，激光能量就要损失一半(被挡光器4挡住的那部分激光的能量)，子脉冲数越多，耦合级数越多，总的能量损耗就越多，最后输出的脉冲序列中每个子脉冲的能量就越小。

在本实施例中，入射光线1和出射光线5之间的距离为l＝10cm，并联光路分支倾斜角度范围为-40°到40°(对应镜片偏转角度范围为-20°到20°)，镜片角度调节通过两轴调整镜架实现，精密螺纹调整精度为10um，力臂长度3cm，则镜片角度调整精度为0.02°，脉冲序列延时调整范围为：0——550ps(首尾子脉冲最大间隔时间)，延时调节精度为150fs。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超快激光脉冲序列调制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)入射激光被一组分光镜逐级分成多个子脉冲；

(2)然后对这多个子脉冲分别进行延时和能量调制；以及

(3)最后再通过另一组分光镜逐级耦合到一条直线上输出，形成由多个子脉冲构成的脉冲序列。

2.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制方法，其特征在于：步骤(1)中，进一步包括以下步骤：激光在同一个平面内传播，入射激光方向和出射激光方向互相平行，各子脉冲沿着直线传播，连接入射激光和出射激光，整个光路呈现一种多级并联式的结构。

3.根据权利要求2所述的超快激光脉冲序列调制方法，其特征在于：步骤(2)中，进一步包括以下步骤：通过调节每一级并联支路的倾斜角度可以改变通过该支路的子脉冲的光程，进而控制其延时，这是通过调节该支路前后两个分光镜的角度和位置来实现的。

4.根据权利要求3所述的超快激光脉冲序列调制方法，其特征在于：步骤(3)中，进一步包括以下步骤：通过调节每一级并联支路中的衰减片，可以调整对应子脉冲的能量，从而控制最后输出的脉冲序列中各子脉冲的能量分布。