CN107069408A - 飞秒高功率超连续白光产生装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒高功率超连续白光产生装置与方法，包括沿基频飞秒激光入射方向依次放置的第一微透镜阵列、第一4f系统、超连续白光产生介质、第二4f系统和第二微透镜阵列。飞秒激光通过第一微透镜阵列聚焦成多焦点阵列，经过第一4f系统入射到白光产生介质，并在介质内产生多条细丝，同时出射多束白光光源；多束白光经过第二4f系统和第二微透镜阵列后可整形为具有准高斯空间分布的高功率超连续白光。本发明利用微透镜阵列聚焦飞秒激光在介质中产生低能量多丝光源，通过对多光束光源整形可实现高功率超连续白光的产生。本发明可解决传统单束飞秒激光产生超连续白光时受限于介质损伤阈值，无法产生高能量稳定超连续白光的难题。

Description

飞秒高功率超连续白光产生装置与方法
【技术领域】
本发明属于超连续白光技术领域，具体涉及一种飞秒高功率超连续白光产生装置与方法。
【背景技术】
超连续白光是指当超短激光脉冲入射到非线性介质内，由于介质的色散和自相位调制等各种非线性效应，使出射激光光谱得到极大展宽而产生的具有连续光谱分布的白光辐射。超连续白光不仅具有激光光源亮度高和方向性号的优点，而且还具有传统光源的宽光谱特性，因此在光学测量、分子光谱学、共聚焦显微镜、光学相干层析、生物医学成像等诸多研究领域具有非常重要的应用。
利用飞秒激光脉冲产生超连续白光时，需要将激光脉冲聚焦入射到介质内(如水、甲苯、石英、光子晶体光纤等)。飞秒激光聚焦到透明介质后，由于自聚焦和等离子体散焦效应的共同作用，将在介质中产生稳定传输的等离子体细丝通道。为了保证出射白光的均匀性和稳定性，入射激光脉冲的能量需要控制介质的损伤阈值内，因此出射白光脉冲的能量往往很低，从而大大限制了超连续白光的应用。因此，需要开发高功率超连续白光的产生方法和装置。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种飞秒高功率超连续白光产生装置与方法。与传统方法相比较，本发明产生的超连续白光功率可以提高两个以上量级，出射光束具有较好的光斑模式，同时还具有结构简单、激光聚焦参数可调的优点。
为了达到上述目的，本发明实施的技术方案如下：
一种飞秒高功率超连续白光产生装置，包括飞秒激光器，沿激光传播方向依次同轴设置的第一微透镜阵列、由第一透镜和第二透镜组成的第一4f系统、非线性透明介质、由第三透镜和第四透镜组成的第二4f系统和第二微透镜阵列。
所述的第一微透镜阵列与第一透镜共焦放置，第一透镜和第二透镜共焦放置。
所述的非线性透明介质置于第二透镜焦点位置附近，且前后位置可调。
所述的第三透镜置于非线性透明介质后一倍焦距处，第四透镜与第三透镜共焦放置。
所述的第二微透镜阵列置于第四透镜后焦点位置，第二微透镜阵列垂直于入射光方向且能够沿透镜中心旋转。
所述的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列均为石英材质，包含18×18的微透镜阵列，子透镜焦距为40mm。
所述的第一透镜和第二透镜焦距分别为100mm和200mm，所述的第三透镜和第四透镜焦距分别为200mm和100mm。
所述的非线性透明介质为盛放在光程为50mm的石英比色皿中的去离子水。
一种基于飞秒高功率超连续白光产生装置的白光产生方法，包括：
飞秒激光器出射的基频飞秒激光经过第一微透镜阵列聚焦成焦点阵列，再经过由第一透镜和第二透镜组成的第一4f系统聚焦到非线性透明介质中，产生周期排列的多条细丝，同时出射多束白光光源；多束白光经过由第三透镜和第四透镜组成的第二4f系统和第二微透镜阵列后整形为具有准高斯空间分布的高功率超连续白光。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用微透镜阵列将飞秒激光聚焦到透明介质中，并行产生多条白光细丝组成的光源阵列，光源阵列经过第二微透镜整形后可出射具有准高斯空间分布的超连续白光光源。利用该装置产生超连续白光时，可通过控制入射光功率使每条成丝通道稳定传输，从而保证出射白光的稳定性；与传统单束飞秒激光产生超连续白光相比，该方法可使超连续白光的输出功率提升2个以上数量级。
本发明为了解决微透镜阵列普遍存在的焦距较短、激光聚焦后易发散的问题，采用第一4f系统可将第一微透镜产生的焦点阵列成像到透明介质中，从而延长激光在透明介质中成丝 的长度，增加超连续白光的产生效率。
本发明采用第二4f系统将透明介质中出射的超连续白光光源阵列成像到第二微透镜阵列的焦平面上，通过微透镜出射后白光光源阵列可整形为具有准高斯空间分布单束超连续白光光束，且光束具有较小的发散角，可实现产距离传输。
【附图说明】
图1本发明的超连续白光产生原理示意图；
图2采用本发明方法利用脉冲宽度60fs，中心波长800nm，重复频率1kHz的飞秒脉冲激光产生的超连续白光的横向模式分布；其中，a为超连续白光光斑强度分布三维图；b为沿光斑半径方向的强度分布；
图3采用本发明产生的超连续白光与传统单光束产生的超连续白光的强度比较；
其中，1、飞秒激光器，2、第一微透镜阵列，3、第一透镜，4、第二透镜，5、非线性介质，6、第三透镜，7、第四透镜，8、第二微透镜阵列。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明飞秒高功率超连续白光产生装置，包括飞秒激光器1、微透镜阵列2、第一透镜3和第二透镜4组成的第一4f系统、非线性透明介质5、第三透镜6和第四透镜7组成的第二4f系统和微透镜阵列8。
其中，所述的第一微透镜阵列2与第一透镜3共焦放置，第一透镜3和第二透镜4共焦放置。
所述的非线性介质5的激光入射面置于第二透镜4焦点位置附近，且前后位置可调。
所述的第三透镜6置于非线性介质5出射面后一倍焦距处，第三透镜6与第四透镜7共焦放置。
所述的第二微透镜阵列8与第四透镜7共焦放置，且第二微透镜阵列8可垂直于入射光 方向沿透镜中心旋转。
工作原理为：所述的飞秒激光器1出射的基频飞秒激光经过第一微透镜阵列2聚焦成焦点阵列，再经过由第一透镜3和第二透镜4组成的第一4f系统聚焦到非线性透明介质5中，可产生周期排列的多条细丝，同时出射多束白光光源；多束白光光束经过由第三透镜6、第四透镜7组成的第二4f系统和第二微透镜阵列8后可整形为具有准高斯空间分布的高功率超连续白光。
实施例
参见图1，本发明包括飞秒激光器1，沿激光传播方向依次放置的第一微透镜阵列2、由第一透镜3和第二透镜4组成的第一4f系统、非线性透明介质5、由第三透镜6和第四透镜7组成的第二4f系统和第二微透镜阵列8。
其中，所述的第一微透镜阵列2与第一透镜3共焦放置，第一透镜3和第二透镜4共焦放置；所述的非线性介质5的激光入射面置于第二透镜4焦点位置附近，且前后位置可调；所述的第三透镜6置于非线性介质5出射面后一倍焦距处，第三透镜6与第四透镜7共焦放置；所述的第二微透镜阵列8与第四透镜7共焦放置，且第二微透镜阵列8可垂直于入射光方向沿透镜中心旋转。
所述的第一微透镜阵列2和第二微透镜阵列8均为石英材质，包含18×18的微透镜阵列，子透镜焦距为40mm，子透镜直径为1mm；第一透镜3和第二透镜4焦距分别为100mm和200mm，所述的第三透镜6和第四透镜7焦距分别为200mm和100mm；非线性透明介质为盛放在光程为50mm的石英比色皿中的去离子水。
图2给出了利用脉冲宽度60fs，中心波长800nm，重复频率1kHz的飞秒脉冲激光产生的超连续白光的横向模式分布；
利用该装置产生单光束出射的超连续白光，光斑具有较好的横向分布(参见图2a)。出射光斑沿直径方向的光强分布可用高斯曲线很好的拟合，表明光束具有准高斯空间分布(见 图2b)。
图3给出了采用本发明装置产生的超连续白光与传统单光束产生的超连续白光的强度比较；通过比较可以看出，本发明装置产生的超连续白光比传统单光束产生的超连续白光的强度提升了大约100倍。
由此可见，本发明提出的装置不仅可以产生稳定的大功率超连续白光，同时还可以保证超连续白光光束的光斑质量，因此具有重要的应用价值。
本发明利用微透镜阵列将飞秒脉冲聚焦到透明介质中，并行产生多条白光细丝组成的光源阵列，光源阵列经过第二微透镜整形后可出射具有准高斯空间分布的超连续白光光源。进一步，通过两组4f系统与微透镜阵列结合，可以提升该方法的可操作性。利用该装置产生超连续白光时，可通过控制入射光功率使每条成丝通道稳定传输，从而保证出射白光的稳定性；同时避免了利用单光束产生超强超连续白光时由于介质损伤引起的白光的不稳定。该方法与传统方法相比可将产生稳定超连续白光的能量提升2个数量级以上。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：包括飞秒激光器(1)，沿激光传播方向依次同轴设置的第一微透镜阵列(2)、由第一透镜(3)和第二透镜(4)组成的第一4f系统、非线性透明介质(5)、由第三透镜(6)和第四透镜(7)组成的第二4f系统和第二微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的第一微透镜阵列(2)与第一透镜(3)共焦放置，第一透镜(3)和第二透镜(4)共焦放置。
3.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的非线性透明介质(5)置于第二透镜(4)焦点位置附近，且前后位置可调。
4.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的第三透镜(6)置于非线性透明介质(5)后一倍焦距处，第四透镜(7)与第三透镜(6)共焦放置。
5.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的第二微透镜阵列(8)置于第四透镜(7)后焦点位置，第二微透镜阵列(8)垂直于入射光方向且能够沿透镜中心旋转。
6.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的第一微透镜阵列(2)和第二微透镜阵列(8)均为石英材质，包含18×18的微透镜阵列，子透镜焦距为40mm。
7.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的第一透镜(3)和第二透镜(4)焦距分别为100mm和200mm，所述的第三透镜(6)和第四透镜(7)焦距分别为200mm和100mm。
8.根据权利要求1所述的飞秒高功率超连续白光产生装置，其特征在于：所述的非线性透明介质(5)为盛放在光程为50mm的石英比色皿中的去离子水。
9.一种飞秒高功率超连续白光产生方法，其特征在于，包括：
飞秒激光器(1)出射的基频飞秒激光经过第一微透镜阵列(2)聚焦成焦点阵列，再经过由第一透镜(3)和第二透镜(4)组成的第一4f系统聚焦到非线性透明介质(5)中，产生周期排列的多条细丝，同时出射多束白光光源；多束白光经过由第三透镜(6)和第四透镜(7)组成的第二4f系统和第二微透镜阵列(8)后整形为具有准高斯空间分布的高功率超连续白光。
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