CN107482431B - 一种超短激光脉冲串选择装置及其输出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超短激光脉冲串选择装置及其的输出方法，所述选择装置包括：高反镜，用于改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光；所述半波片、电光晶体和偏振分光棱镜依次沿着所述反射激光的传播方向同轴设置；光电探测器，用于接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列；TTL脉冲信号发生器，用于接收光电探测器的电脉冲序列，以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列；高压发生器，用于接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号序列，并根据TTL信号序列输出具有高压序列的高压电并加载在电光晶体上。
Description
技术领域
本发明涉及超短脉冲激光技术领域，尤其涉及一种超短激光脉冲串选择装置及其输出方法。
背景技术
超短脉冲激光在很多应用场合，比如超精细微加工，激光与物质相互作用的研究等，需要精确控制脉冲数量，实现单个脉冲或者一串脉冲输出，而且为了更好的开展工艺研究，脉冲串的个数，脉冲串之间的间隔时间都需要实现精确的控制。为了实现这样的功能，目前采用的方式有机械快门，但是其响应速度一般有几个ms，比较昂贵的机械快门其速度也仅能达到0.1ms，所以无法实现从高重频(几十KHz以上)的脉冲串中去选择任意个数的脉冲。而采用声光调制器选择脉冲串的装置，其通过衍射效应，实现选择脉冲串输出，但是其实现的脉冲串输出衍射光与透射光其夹角非常小(一般十几个mrad)，其输出脉冲串需要传播1m左右才能有效地和透射光分离开，同时其衍射效率一般也比较低，一般在80％以下。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此本发明的目的在于提出一种超短激光脉冲串选择装置及其输出方法。
为了实现上述目的，本发明一方面实施例的超短激光脉冲串选择装置，所述选择装置包括：
高反镜，用于改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光；
所述半波片、电光晶体和偏振分光棱镜依次沿着所述反射激光的传播方向同轴设置；
光电探测器，用于接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列；
TTL脉冲信号发生器，用于接收光电探测器的电脉冲序列，以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列；
高压发生器，用于接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号序列，并根据TTL信号序列输出具有高压序列的高压电并加载在电光晶体上。
本发明实施例的超短激光脉冲串选择装置，通过利用电光效应实现超短脉冲激光的偏振控制，通过可编程的高压输出，产生不同的高压串，实现对脉冲串输出的灵活准确的控制，实现效率高的脉冲串选择，而且脉冲串个数选择灵活可控，实现脉冲串的精准选择。另外由于所述超短激光脉冲串选择装置是通过偏振分光棱镜输出脉冲串，即通过偏振控制输出的，所以不存在衍射光，两路光的偏振垂直，那么需要的脉冲串能进行透射，不需要的刚好反射，且两路偏振光相互垂直即已经进行分离。
为了实现上述目的，本发明另一方面实施例的超短激光脉冲串选择装置的输出方法，所述输出方法包括以下步骤：
入射激光到达高反镜后改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光；
所述反射激光依次经过半波片，电光晶体和偏振分光棱镜；
光电探测器接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列；
TTL脉冲信号发生器接收光电探测器的电脉冲序列，并以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列；
高压发生器接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号序列，并根据TTL信号序列输出具有高压序列的高压电并加载在电光晶体上；
偏振分光棱镜输出脉冲串。
本发明实施例的超短激光脉冲串选择装置的输出方法，通过利用电光效应实现超短脉冲激光的偏振控制，通过可编程的高压输出，产生不同的高压串，实现对脉冲串输出的灵活准确的控制，实现效率高的脉冲串选择，而且脉冲串个数选择灵活可控，实现脉冲串的精准选择。另外由于所述超短激光脉冲串选择装置是通过偏振分光棱镜输出脉冲串，即通过偏振控制输出的，所以不存在衍射光，两路光的偏振垂直，那么需要的脉冲串能进行透射，不需要的刚好反射，且两路偏振光相互垂直即已经进行分离。
附图说明
图1是本发明一个实施例超短激光脉冲串选择装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例超短激光脉冲串选择装置各种信号的时序图；
图3是本发明一个实施例超短激光脉冲串选择装置实现脉冲串的输出方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1是根据本发明一个实施例超短激光脉冲串选择装置的结构示意图。如图1所示，所述超短激光脉冲串选择装置包括：高反镜1，半波片2，电光晶体3，偏振分光棱镜4，光电探测器5，TTL脉冲信号发生器6和高压发生器7。
其中，高反镜1用于改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光即对入射线偏振光进行反射。在具体实施中，通过所述高反镜1的反射面能改变95％以上的入射激光的传播方向以得到反射激光，而剩余的所述入射激光穿过所述高反镜1的反射面后被所述光电探测器5探测。
半波片2，电光晶体3和偏振分光棱镜4依次沿着所述反射激光的传播方向同轴设置。所述光电探测器5用于接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列。所述TTL脉冲信号发生器6用于接收光电探测器的电脉冲序列，以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列。所述高压发生器7用于接收TTL脉冲信号发生器6的TTL信号序列，并根据TTL信号序列输出具有高压序列的高压电并加载在电光晶体3上。
也就是说，光路部分包括：入射线偏振光依次经过高反镜1，半波片2，具有快速响应的电光晶体3，偏振分光棱镜4，电路部分包括探测高反镜1漏过来光线的PIN光电探测器即光电探测器5，PIN探测器将光信号转化为电信号，该电信号作为时钟传输给TTL脉冲信号发生器6，该TTL脉冲信号发生器6产生的可编程的TTL信号序列，传输给高压发生器7，作为其同步触发信号，该高压发生器7产生可编程的几千伏高压脉冲序列加载在电光晶体3之上。当电光晶体3没有加载电压时，无双折射现象产生，如同通过一个透明介质一样，然后传输到偏振分光棱镜4，当电光晶体3被加载上一定强度的半波电压之后，产生电光效应，使得光的偏振方向旋转90度。
由于利用电光效应实现超短脉冲激光的偏振控制，通过可编程的高压输出，产生不同的高压串，实现对脉冲串输出的灵活准确的控制，实现效率高的脉冲串选择，而且脉冲串个数选择灵活可控，实现脉冲串的精准选择。另外由于所述超短激光脉冲串选择装置是通过偏振分光棱镜输出脉冲串，即通过偏振控制输出的，所以不存在衍射光，两路光的偏振垂直，那么需要的脉冲串能进行透射，不需要的刚好反射，且两路偏振光相互垂直即已经进行分离。
在本发明的一个实施例中，两路偏振光即p偏振光和s偏振光，其中p偏振光的振动方向平行于入射面，s偏振光的振动方向垂直于入射面，即所述垂直偏振的光为s偏振光。
在本发明的一个实施例中，所述TTL信号序列与高压序列同步。
在本发明的一个实施例中，所述TTL信号序列的宽度和高压电的宽度相同，所述TTL信号的频率和高压电的频率相同。
在本发明的一个实施例中，所述选择装置还包括：连接在所述TTL脉冲信号发生器6和高压发生器7之间的信号延迟发生器(图上未示出，所述信号延迟发生器用于对所述TTL信号进行延迟处理，从而实现所述偏振分光棱镜4接收的改变方向后入射激光的光脉冲序列与高压序列同步。
在本发明的一个实施例中，所述电光晶体3的尺寸为：6mm＊6mm＊10mm。
在本发明的一个实施例中，所述TTL脉冲信号发生器6具体为可编程脉冲信号发生器或带外部触发的信号发生器。
在本发明的一个实施例中，所述半波片2的光轴方向与所述垂直偏振的光的传播方向成90角度，入射的线偏振光，通过旋转半波片，从而改变线偏振光的振动方向，使得入射光变成S偏振，当电光晶体3没有加载电压时，经过偏振分光棱镜4几乎全部反射出来，当加载电压到电光晶体3时，产生电光效应，使得光的偏振方向旋转90度，有高压的多个脉冲从s光变成p光，从偏振分光棱镜4输出，没有高压的多个脉冲依然是S光，被偏振分光棱镜4反射出去。由于半波片2的光轴方向与光的振动方向随入射光的偏振方向需要改变。也就是说：线偏振光经过半波片2的变化为：入射偏振光振动方向与光轴夹角x度，经过半波片，光的振动方向改变2＊x度，所以实际应用中该角度与入射激光的偏振方向有关，如果入射光为水平偏振，为了得到出射为垂直偏振，则所述半波片的光轴方向与入射光振动方向成45度。如果为垂直偏振入射，则半波片的光轴与垂直偏振光的传播方向夹角0度。
在具体实施中，入射光为1030nm，200KHz，20W，800fs的线偏振光入射，经高反镜1反射进入半波片2，半波片2输出S偏振光，然后通过电光晶体3，当电光晶体3没有加载电压时，无双折射现象产生，如同通过一个透明介质一样，然后传输到偏振分光棱镜4。当然入射光不能全部被高反镜1反射，透过高反镜1的微弱光信号被PIN光电二极管即光电探测器5探测到，其产生的200KHz的电脉冲序列作为时钟信号传输给TTL脉冲信号发生器6。所述TTL脉冲信号发生器6通过可编程逻辑器件实现TTL信号输出，其输出特点包括：(1)重频率为f的TTL信号序列，f为探测到的频率，应用实例中该频率为200KHz，信号幅值3.5V－5V，上升沿3ns－15ns，上升沿最佳为3－5ns，宽度为1/5f(实例中为1us)。并且200KHZ的TTL信号中可控制的实现m个TTL信号输出，其后的n个TTL信号无输出，然后依次循环，且m，n可以灵活设置，电路可以提供相对光信号延迟量为1/f，延迟调节精度达到200ns。在本实施例中，m为4，n为2。
接着，产生的TTL信号作为同步信号进入高压发生器7，该高压发生器7可以产生与触发TTL信号类似的为几千伏的高压，在本实施例中该高压电为2300V，为电光晶体3的半波电压，其上升沿速度达到小于10ns，该高压电的宽度与TTL信号同宽，该高压电的频率与TTL信号相同，为200KHz，也是m个高压输出后，n个高压无输出，然后依次循环。
最后，将该高压加载在电光晶体3上，通过TTL信号的延迟调整，使得偏振分光棱镜4处的光脉冲序列与高压序列同步，当电光晶体3被加载上该2300V的半波电压之后，产生电光效应，使得光的偏振方向旋转90度，有高压的m个脉冲从s光变成p光，从偏振分光棱镜4输出，没有高压的n个脉冲依然是S光，被偏振分光棱镜4反射出去，透射的脉冲重频依然是200KHz，实现了m个脉冲输出，暂停n个脉冲无输出，依次类推，实现脉冲串输出，且m，n随便可控。另外电光晶体选脉冲串，其透过率高达98％，即效率达到98％，远高于声光选脉冲。且脉冲门响应时间快，该实例中快门最窄宽度可达150ns。
如图2所示，所述激光脉冲串选择装置中各种信号的时序图。
在具体实施中，本发明还提供一实施例的利用上述的超短激光脉冲串选择装置实现脉冲串的输出方法，如图3所示，所述输出方法包括以下步骤：
步骤S1，入射激光到达高反镜后改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光；
步骤S2，所述反射激光依次经过半波片，电光晶体和偏振分光棱镜；
步骤S3，光电探测器接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列；
步骤S4，TTL脉冲信号发生器接收光电探测器的电脉冲，并以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列；
步骤S5，高压发生器接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号，并根据TTL信号序列输出具有高压序列的高压电并加载在电光晶体上；
步骤S6，偏振分光棱镜输出脉冲串。
通过利用电光效应实现超短脉冲激光的偏振控制，通过可编程的高压输出，产生不同的高压串，实现对脉冲串输出的灵活准确的控制，实现效率高的脉冲串选择，而且脉冲串个数选择灵活可控，实现脉冲串的精准选择。另外由于所述超短激光脉冲串选择装置是通过偏振分光棱镜输出脉冲串，即通过偏振控制输出的，所以不存在衍射光，两路光的偏振垂直，那么需要的脉冲串能进行透射，不需要的刚好反射，且两路偏振光相互垂直即已经进行分离。
在步骤S1中，通过所述高反镜的反射面能改变95％以上的入射激光的传播方向以得到反射激光，而剩余的所述入射激光穿过所述高反镜的反射面后被所述光电探测器探测。
在本发明的一个实施例中，两路偏振光即p偏振光和s偏振光，其中p偏振光的振动方向平行于入射面，s偏振光的振动方向垂直于入射面，即所述垂直偏振的光为s偏振光。
在本发明的一个实施例中，所述TTL信号序列与高压序列同步。
在本发明的一个实施例中，所述TTL信号序列的宽度和高压电的宽度相同，所述TTL信号的频率和高压电的频率相同。
在本发明的一个实施例中，所述选择装置还包括：连接在所述TTL脉冲信号发生器和高压发生器之间的信号延迟发生器(图上未示出，所述信号延迟发生器用于对所述TTL信号进行延迟处理，从而实现所述偏振分光棱镜接收的垂直偏振的光的光脉冲序列与高压序列同步。
在本发明的一个实施例中，所述电光晶体的尺寸为：6mm＊6mm＊10mm。
在本发明的一个实施例中，所述TTL脉冲信号发生器体为可编程脉冲信号发生器或带外部触发的信号发生器。
在本发明的一个实施例中，所述半波片的光轴方向与所述垂直偏振的光的传播方向成90角度，入射的线偏振光，通过旋转半波片，从而改变线偏振光的振动方向，使得入射光变成S偏振，当电光晶体没有加载电压时，经过偏振分光棱镜4几乎全部反射出来，当加载电压到电光晶体时，产生电光效应，使得光的偏振方向旋转90度，有高压的多个脉冲从s光变成p光，从偏振分光棱镜4输出，没有高压的多个脉冲依然是S光，被偏振分光棱镜4反射出去。由于半波片的光轴方向与光的振动方向随入射光的偏振方向需要改变。也就是说：线偏振光经过半波片的变化为：入射偏振光振动方向与光轴夹角x度，经过半波片，光的振动方向改变2＊x度，所以实际应用中该角度与入射激光的偏振方向有关，如果入射光为水平偏振，为了得到出射为垂直偏振，则所述半波片的光轴方向与入射光振动方向成45度。如果为垂直偏振入射，则半波片的光轴与垂直偏振光的传播方向夹角0度。
在具体实施中，入射光为1030nm，200KHz，20W，800fs的线偏振光入射，经高反镜反射进入半波片，半波片输出S偏振光，然后通过电光晶体，当电光晶体没有加载电压时，无双折射现象产生，如同通过一个透明介质一样，然后传输到偏振分光棱镜。当然入射光不能全部被高反镜反射，透过高反镜1的微弱光信号被PIN光电二极管即光电探测器探测到，其产生的200KHz的电脉冲序列作为时钟信号传输给TTL脉冲信号发生器。所述TTL脉冲信号发生器6通过可编程逻辑器件实现TTL信号序列输出，其输出特点包括：(1)重频率为f的TTL信号序列，f为探测到的频率，应用实例中该频率为200KHz，信号幅值3.5V－5V，上升沿3ns－15ns，上升沿最佳为3－5ns，宽度为1/5f(实例中为1us)。并且200KHZ的TTL信号序列中可控制的实现m个TTL信号序列输出，其后的n个TTL信号序列无输出，然后依次循环，且m，n可以灵活设置，电路可以提供相对光信号延迟量为1/f，延迟调节精度达到200ns。在本实施例中，m为4，n为2。
接着，产生的TTL信号序列作为同步信号进入高压发生器，该高压发生器7可以产生与触发TTL信号序列类似的为几千伏的高压，在本实施例中该高压电为2300V，为电光晶体的半波电压，其上升沿速度达到小于10ns，该高压电的宽度与TTL信号序列同宽，该高压电的频率与TTL信号序列相同，为200KHz，也是m个高压输出后，n个高压无输出，然后依次循环。
最后，将该高压加载在电光晶体上，通过TTL信号序列的延迟调整，使得偏振分光棱镜处的光脉冲序列与高压序列同步，当电光晶体被加载上该2300V的半波电压之后，产生电光效应，使得光的偏振方向旋转90度，有高压的m个脉冲从s光变成p光，从偏振分光棱镜输出，没有高压的n个脉冲依然是S光，被偏振分光棱镜反射出去，透射的脉冲重频依然是200KHz，实现了m个脉冲输出，暂停n个脉冲无输出，依次类推，实现脉冲串输出，且m，n随便可控。另外电光晶体选脉冲串，其透过率高达98％，即效率达到98％，远高于声光选脉冲。且脉冲门响应时间快，该实例中快门最窄宽度可达150ns。 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种超短激光脉冲串选择装置，其特征在于：所述选择装置包括高反镜、半波片、电光晶体、偏振分光棱镜、光电探测器、TTL脉冲信号发生器和高压发生器；其中
高反镜，用于改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光；
所述半波片、电光晶体和偏振分光棱镜依次沿着所述反射激光的传播方向同轴设置；
光电探测器，用于接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列；
TTL脉冲信号发生器，用于接收光电探测器的电脉冲序列，以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列；
高压发生器，连接电光晶体，用于接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号序列，并根据TTL信号序列输出具有可编程的高压输出的高压电，产生不同的高压串，实现对脉冲串输出的灵活准确的控制；
所述选择装置还包括：连接在所述TTL脉冲信号发生器和高压发生器之间的信号延迟发生器，
所述信号延迟发生器，用于对所述TTL信号序列进行延迟处理。
2.如权利要求1所述的选择装置，其特征在于：所述TTL信号序列与高压序列同步。
3.如权利要求1或2所述的选择装置，其特征在于：所述TTL信号序列的宽度和高压电的宽度相同，所述TTL信号序列的频率和高压电的频率相同。
4.如权利要求1所述的选择装置，其特征在于：所述偏振分光棱镜接收的垂直偏振的光脉冲序列与高压序列同步。
5.如权利要求1所述的选择装置，其特征在于：所述电光晶体的尺寸为：6mm*6mm*10mm。
6.如权利要求1所述的选择装置，其特征在于：所述TTL脉冲信号发生器为可编程脉冲信号发生器或带外部触发的信号发生器。
7.如权利要求1所述的选择装置，其特征在于：所述半波片的光轴方向与垂直偏振的光的传播方向夹角呈90°。
8.一种利用如权利要求1-7之一 的超短激光脉冲串选择装置实现脉冲串的输出方法，其特征在于：所述输出方法包括以下步骤：
入射激光到达高反镜后改变入射激光的传播方向得到反射激光，以及所述入射激光透过所述高反镜得到透射激光；
所述反射激光依次经过半波片，电光晶体和偏振分光棱镜；
光电探测器接收所述透射激光，并根据所述透射激光生成电脉冲序列；
TTL脉冲信号发生器接收光电探测器的电脉冲序列，并以所述电脉冲序列作为时钟信号输出TTL信号序列；
高压发生器接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号序列，并根据TTL信号序列输出具有可编程的高压输出的高压电，产生不同的高压串，实现对脉冲串输出的灵活准确的控制，并加载在电光晶体上；
偏振分光棱镜输出脉冲串；
所述高压发生器接收TTL脉冲信号发生器的TTL信号序列的步骤之前还包括：
信号延迟发生器对所述TTL信号序列进行延迟处理。
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