CN104238123A - 可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束方法和分束装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束方法和分束装置。所述装置由十一个反射镜、两个分光平片和三个精密平移台组成，其中八个反射镜即4个反射镜对分别构成四个延迟线结构。分束方法包括：将超短激光单脉冲分束调节为两个具有超短脉宽与脉冲间隔的脉冲；将所述两个脉冲经过爬高折回后又引入到分光平片上，获得四脉冲的输出；将装置中两组可调节延迟线整合到一个平移台上，形成了一步调节，即可实现均匀同步调节脉冲间隔的目的。该系统可将单一超短激光脉冲分束为脉冲间隔同步可调、共线传输、能量均等且偏振状态一致的四个子脉冲。

Description

可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束方法和分束装置

技术领域

 本发明涉及超短激光脉冲分束领域，特别是指一种由飞秒激光单脉冲获得飞秒激光四脉冲的分束结构和方法。

背景技术

飞秒激光是一种以脉冲形式发射的激光，持续时间在飞秒量级。由于飞秒激光具有高瞬间功率、高靶向聚焦定位精度和超短脉冲宽度等特点，在微加工和超快过程探测等领域被广泛应用。其中，通过对飞秒激光多脉冲泵浦的超快瞬态过程的研究，可获得许多物质结构变化或能量转化等领域的重要结果，如何实现对飞秒激多脉冲的分束和脉冲间隔的调节显得尤为重要。

目前，对飞秒激光的脉冲分束的器件主要有分光平片、双折射晶体、光栅等。在这些方法中，双折射晶体和光栅无法对脉冲间隔方便地进行调节，因此，用分光平片及延迟线的组合形成了一种有效而且简单的脉冲间隔调节方式。但是，对于多脉冲（大于2）的分束，用分光平片的分束方法存在结构复杂，调节步骤多等问题而被抛弃。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束方法和分束装置，可一步将单一超短激光脉冲分束为脉冲间隔同步可调、共线传输、能量均等且偏振状态一致的四个超短激光子脉冲。

 

本发明首先提供了一种可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束方法，该方法包括：

第1、将超短激光单脉冲经过第一片分光平片（BS₁）分束后得到两个具有超短脉宽与脉冲间隔的子脉冲；

第2、第1步得到的两个子脉冲分别进入第二延迟线结构（ DL₂）和第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1），再经过第二片分光平片（BS₂）再次分束，得到四个子脉冲；

第3、将第2步再次分束后得到的四个子脉冲分别进入第一延迟线结构（DL₁）和第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2），其中在第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）前面接有一个转镜，在第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）后面接有一个爬高器折返并爬高光路，再次经过第二片分光平片（BS₂）合束得到四个共线传输子脉冲；

第4、在满足                                               的初始光程的条件下，式中h ₁表示第一分光平片到第二延迟线结构的实际距离，h ₂表示第三延迟线结构到第二分光平片的实际距离，h ₃表示第一延迟线结构到第二分光平片的实际距离，h ₄表示第二分光平片到爬高器（elevator₂）之间的光程距离，即第三延迟线结构的第二组成部分和第一延迟线结构的光程差是第二延迟线结构和第三延迟线结构的第一组成部分的光程差的两倍时，通过调节第三延迟线结构（DL₃）实现脉冲间隔同步可调；

其中，第一延迟线结构（DL₁）和第二延迟线结构（DL₂）均由一个反射镜对组成，第一延迟线结构（DL₁）是由两个反射镜组成的光束拔高器；第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1）和第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）分别由一个反射镜对组成，即第三延迟线结构（DL₃）是由两个反射镜对组成的一套组合式延迟系统。

 

本发明同时还提供了一种可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束装置，该装置包括：十一个反射镜、两个分光平片和三个精密平移台，其中八个反射镜即4个反射镜对分别构成四个延迟线结构；

第一片分光平片（BS₁），用于将超短激光单脉冲分束为两个具有超短脉宽与脉冲间隔的子脉冲；

第二延迟线结构（DL₂）：位于第一片分光平片的反射光路上，由一对反射镜组成，用于转折光路以及调整第一分光平片分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1）：位于第一片分光平片的透射光路上，由一对反射镜组成，同样用于转折光路以及调整第一分光平片（BS₁）分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

第二片分光平片（BS₂），位于第二延迟线结构（DL₂）和第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1）光路的交汇处，用于第一分光平片（BS₁）所分束出的光束的合束以及后续延迟结构反射光的合束；

第一延迟线结构（DL₁）：位于第二分光平片（BS₂）的透射光路一侧，用于调整第二分光平片透射光束的延迟量，并起到了一个爬高的作用，使得折返的光束能在第二分光平片上合束出射；

第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）：位于第二分光平片的反射光路一侧，用于转折光路以及调整第二分光平片分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

转镜：位于第二分光平片的反射光路一侧，在第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）之前，用于转折光路；

三个精密平移台装于延迟线结构底部，用于调整第一延迟线结构（DL₁）、第二延迟线结构（DL₂）和第三延迟线结构（DL₃）的相对位置，以此来调节光程，控制脉冲的脉冲间隔，即延迟量。所述的各反射镜的接触面上分别镀有增反膜。

 

本发明装置可将单一超短激光脉冲分束为脉冲间隔同步可调、共线传输、能量均等且偏振状态一致的四个子脉冲，将装置中两组可调节延迟线，即DL₁和DL₂整合到一个平移台上，形成了一步调节，即可实现均匀同步调节脉冲间隔的目的。

本发明的优点和有益效果：

本发明由于采用了整合延迟线的方式，在初始光程满足式（2）的前提的下，可以通过一步调节，即可由一个超短激光脉冲获得4个脉冲间隔均匀、共线传输、能量均等且偏振状态一致的四个子脉冲。相较于传统的脉冲分束方式，本发明具有调节简易、灵活的效果。

附图说明

图1为本发明一种脉冲间隔同步可调的超短激光脉冲分束方法流程示意图；

图2为分束结构平面示意图；

图3为所分束出的四脉冲的脉冲间隔示意图。

图中，1第一分光平片（BS₁）, 2第二延迟线结构（DL₂），3第二分光平片（BS₂），4 第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1），5 第一延迟线结构（DL₁）即爬高器（elevator1），6 转镜，7 第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2），8 爬高器（elevator2）。

下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本发明实施例提供了一种脉冲间隔同步可调的超短激光脉冲分束装置，该装置包括：十一个反射镜、两个分光平片和三个精密平移台，其中八个反射镜即4个反射镜对分别构成四个延迟线结构；

1是第一片分光平片（BS₁），用于将超短激光单脉冲分束为两个具有超短脉宽与脉冲间隔的子脉冲；

2是第二延迟线结构DL₂：位于第一片分光平片的反射光路上，由一对反射镜组成，用于转折光路以及调整分光平片BS₁分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

4是第三延迟线结构的第一组成部分DL₃-1：位于第一片分光平片的透射光路上，由一对反射镜组成，同样用于转折光路以及调整第一分光平片（BS₁）分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

3是第二片分光平片（BS₂），位于第二延迟线结构DL₂和第三延迟线结构的第一组成部分DL₃-1光路的交汇处，用于第一分光平片（BS₁）所分束出的光束的合束以及后续延迟结构反射光的合束；

5是第一延迟线结构DL₁：位于第二分光平片（BS₂）的透射光路一侧，用于调整BS₂透射光束的延迟量，并起到了一个爬高的作用，使得折返的光束能在BS₂上合束出射；

7是第三延迟线结构的第二组成部分DL₃-2：位于分光平片BS₂的反射光路一侧，用于转折光路以及调整分光平片BS₂分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

6是转镜：位于分光平片BS₂的反射光路一侧，在第三延迟线结构的第二组成部分DL₃-2之前，用于转折光路；

三个精密平移台分别装于第一、第二和第三延迟线结构底部，用于调整延迟线结构DL₁、DL₂和DL₃的相对位置，以此来调节光程，控制脉冲的脉冲间隔，即延迟量。所述的各反射镜的接触面上分别镀有增反膜。

 

实施例2、

图1为本发明一种脉冲间隔同步可调的超短激光脉冲分束方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括：

步骤101，将超短激光单脉冲经过第一片分光平片（BS₁）分束后得到两个具有超短脉宽与脉冲间隔的子脉冲；

具体的，通过分光平片进行分束。进一步的除了分光平片，还包括其他常用的分束器件如薄膜分束镜等。

步骤102，第1步得到的两个子脉冲分别进入延迟线结构DL₂（第二延迟线结构）和延迟线结构DL₃-1（第三延迟线结构的第一组成部分），再经过第二片分光平片（BS₂）再次分束，得到四个子脉冲；

具体的，如图2所示，其中在分光平片BS₂上合束后反射的是两个脉冲，透射同样是两个脉冲。

步骤103，将第2步再次分束后得到的四个子脉冲分别进入延迟线结构DL₁和延迟线结构DL₃-2，其中在延迟线结构DL₃-2前面接有一个转镜，在延迟线结构DL₃-2后面接有一个爬高器折返并爬高光路，再次经过第二片分光平片（BS₂）合束得到四个共线传输子脉冲；

具体的，如图2所示向左出射的两个脉冲经过elevator₁爬高后的反射光再一次透射经过BS₂，图2中BS₂向上出射的两个脉冲经过转折光路后，通过DL₃-2延迟线结构调节光程，并经过elevator₂爬高后原路折回分光平片BS₂，与elevator₁透射的双脉冲合束后形成了4脉冲的输出，所要指出的是，经过爬高器elevator₁和elevator₂后的光束仅仅是光路高度的改变，在水平面上的位置并没有发生任何改变。

步骤104，在满足的初始光程的条件下，即第三延迟线的第二部分和第一延迟线的光程差是第二延迟线和第三延迟线的第一部分的光程差的两倍时，通过调节第三延迟线结构（DL₃）实现脉冲间隔同步可调；

具体的，对以上所述的DL₃-1和DL₃-2两个延迟系统整合到同一个平移台上，构成一步调节即可同步均匀调节脉冲间隔的方法，具体为：利用两组延迟线结构调节方向在同一直线上的特点，把两组延迟线装置搭建在同一个平移台上，即一个平移台同时调节两组延迟线的光程，由于调节相同延迟线的距离的情况下，BS₂上面出射的光束的光程是BS₁透射的光束的光程该变量的两倍，因此，在初始光程满足式（2）条件下，可以实现4脉冲脉冲间隔的同步均匀调节。

 

在实际操作中，单个脉冲从最初的分光平片BS₁分束经过延迟光路到最后的分光平片BS₂,分束为脉冲间隔同步可调，共线传输、能量均等且偏振状态与入射脉冲一致的四个子脉冲。分束出来的四个子脉冲的光程L分别为：   

                   （1）

式中h ₁表示第一分光平片到第二延迟线结构的实际距离，h ₂表示第三延迟线结构到第二分光平片的实际距离，h ₃表示第一延迟线结构到第二分光平片的实际距离，h ₄表示第二分光平片到爬高器（elevator₂）之间的光程；Δ₁，Δ₂分别表示延迟线DL₁，DL₂中两反射镜的间隔；A₁，A₂，B₁，B₂表示经过这种光路结构先后出射的4个子脉冲。在光束调节的初级阶段，为使得出射的四个脉冲A₁，A₂，B₁，B₂具有两两相等的脉冲间隔，调节延迟线DL₁和DL₂使得初始的光程满足如下条件：

                      （2）

那么，在初始的光程满足上述条件的情况下，四个脉冲间两两的脉冲间隔均等于2（h ₂-h ₁）。该结构中的光路设计允许仅调节延迟线DL₃便能够实现脉冲间隔的同步可调。DL₃是一个组合的延迟线，可以认为是两个简单的延迟线组合而成的。调节DL₃引起的两臂（h ₂,h ₄）光程的改变量有如下的关系：

                           （3）

四个脉冲的脉冲间隔与光程的关系如图3所示。

由于一臂的光脉冲有折返，而另一臂没有，所以当调节延迟线时DL₃，两臂的光程改变量分别是延迟线移动量的四倍和二倍关系，即两臂光程改变量成倍数关系。也就是说，增大DL₃的延迟，脉冲间隔同步的增大，减小DL₃的延迟，脉冲间隔同步的减小。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束方法，其特征在于该方法包括：

第1、将超短激光单脉冲经过第一片分光平片（BS₁）分束后得到两个具有超短脉宽与脉冲间隔的子脉冲；

第2、第1步得到的两个子脉冲分别进入第二延迟线结构（ DL₂）和第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1），再经过第二片分光平片（BS₂）再次分束，得到四个子脉冲；

第3、将第2步再次分束后得到的四个子脉冲分别进入第一延迟线结构（DL₁）和第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2），其中在第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）前面接有一个转镜，在第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）后面接有一个爬高器折返并爬高光路，再次经过第二片分光平片（BS₂）合束得到四个共线传输子脉冲；

第4、在满足                                               的初始光程的条件下，式中h ₁表示第一分光平片到第二延迟线结构的实际距离，h ₂表示第三延迟线结构到第二分光平片的实际距离，h ₃表示第一延迟线结构到第二分光平片的实际距离，h ₄表示第二分光平片到爬高器（elevator₂）之间的光程，即第三延迟线结构的第二组成部分和第一延迟线结构的光程差是第二延迟线结构和第三延迟线结构的第一组成部分的光程差的两倍时，通过调节第三延迟线结构（DL₃）实现脉冲间隔同步可调；

其中，第一延迟线结构（DL₁）和第二延迟线结构（DL₂）均由一个反射镜对组成，第一延迟线结构（DL₁）是由两个反射镜组成的光束拔高器；第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1）和第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）分别由一个反射镜对组成，即第三延迟线结构（DL₃）是由两个反射镜对组成的一套组合式延迟系统。

2.一种可调脉冲间隔的共光路超短激光脉冲分束装置，其特征在于该装置包括：十一个反射镜、两个分光平片和三个精密平移台，其中八个反射镜即4个反射镜对分别构成四个延迟线结构；

第一片分光平片（BS₁），用于将超短激光单脉冲分束为两个具有超短脉宽与脉冲间隔的子脉冲；

第二延迟线结构（DL₂）：位于第一片分光平片的反射光路上，由一对反射镜组成，用于转折光路以及调整第一分光平片分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1）：位于第一片分光平片的透射光路上，由一对反射镜组成，同样用于转折光路以及调整第一分光平片（BS₁）分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

第二片分光平片（BS₂），位于第二延迟线结构（DL₂）和第三延迟线结构的第一组成部分（DL₃-1）光路的交汇处，用于第一分光平片（BS₁）所分束出的光束的合束以及后续延迟结构反射光的合束；

第一延迟线结构（DL₁）：位于第二分光平片（BS₂）的透射光路一侧，用于调整第二分光平片透射光束的延迟量，并起到了一个爬高的作用，使得折返的光束能在第二分光平片上合束出射；

第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）：位于第二分光平片的反射光路一侧，用于转折光路以及调整第二分光平片分束出的双脉冲的脉冲延迟量；

转镜：位于第二分光平片的反射光路一侧，在第三延迟线结构的第二组成部分（DL₃-2）之前，用于转折光路；

三个精密平移台装于延迟线结构底部，用于调整第一延迟线结构（DL₁）、第二延迟线结构（DL₂）和第三延迟线结构（DL₃）的相对位置，以此来调节光程，控制脉冲的脉冲间隔，即延迟量。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的各反射镜的接触面上分别镀有增反膜。