CN107768971B - 利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置及方，属于飞秒激光多丝控制技术领域，包括飞秒激光放大器、半波片、第一楔形石英晶片、第二楔形石英晶片及平凸透镜；飞秒激光放大器的输出端依次竖直放置半波片、第一楔形石英片、第二楔形石英晶片及平凸透镜。本发明利用石英晶体双折射特性将入射的高峰值功率飞秒激光脉冲分成两束能量相等且偏振方向互相垂直的飞秒激光。两束激光在石英片内折射率不同，在带有切角后表面出射时能后产生空间分离；利用平凸透镜聚焦时可在空气中产生空间分布有序、图样稳定的飞秒激光光丝阵列。

Description

利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置及方法
技术领域
本发明属于飞秒激光多丝控制技术领域，具体涉及一种利用楔形石英晶片在空气中产生空间分布有序、图样稳定的光丝阵列的装置及方法。
背景技术
超高峰值功率的飞秒激光脉冲在空气中传播时会受到三阶非线性克尔效应的调制，克服衍射极限产生自聚焦；当自聚焦焦点处功率密度足够高时，会以多光子或隧穿形式电离空气分子，形成等离子体，等离子体具有散焦效应会阻碍激光脉冲在空间上的进一步聚焦；当二者达到平衡后，飞秒激光脉冲在传播过程中不会发散，从而在传播方向上形成一条狭长的、丝状的高激光功率区域，被称之为飞秒激光光丝。飞秒激光成丝现象目前已被广泛应用于光频转换、大气遥感、燃烧诊断、激光人工增雨雪等领域。
当飞秒激光脉冲的峰值功率远远大于自聚焦的阈值功率时，激光光斑上的“噪声”会被非线性放大，形成多条飞秒激光光丝。在光学介质内部自发形成的多条光丝并不是孤立的，它们彼此间存在着相互作用，例如吸引、排斥，融合等，从而导致光丝在空间分布上呈现无序化，图样重复性差。传统上主要是采用振幅调制或者位相调制等手段控制光丝的分布，例如Mechain等人采用金属掩模板引入强场梯度在空气中制备图样相对稳定的多丝阵列，光丝数目由金属掩模板上孔的个数决定。这种有序分布的光丝阵列对于产生白光阵列、微波辐射的定向导引、精密微加工等领域具有良好的应用前景。然而，利用金属掩模板制备光丝阵列的方法只能透过金属孔区域的能量，部分激光脉冲能量被遮挡，导致激光脉冲能量利用率较低。
石英晶体是一种典型的单轴双折射晶体，常被制作成光学偏振器件。线偏振的激光光束以其合适的角度入射进入石英晶体内部传播时，可以被分成两束能量相同且偏振方向相互垂直的线偏振激光，线偏振度几乎为100％。两束激光在石英内部感受到的折射率是不同的，依据折射规律对两束激光在界面上的折射路径进行调控，可以使两束激光在空间上进行分离。同时两束激光在石英晶体内部传输过程中会产生光程差，本征地会导致时域上的分离。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置及方法。当从石英晶片中新产生的飞秒激光脉冲的峰值功率仍然高于在空气中自聚焦的阈值功率时，每一束激光可以在空气中独立演化形成一条飞秒激光光丝。这些激光脉冲在时间和空间上都是分离的，彼此之间不存在相互作用，可以实现稳定传输。这种利用晶体双折射特性在空气中或得的图样稳定的飞秒激光光丝阵列在微波辐射定向传输、精密微加工等领域，具有独特的优势和良好应用前景。
本发明通过如下技术方案实现：
利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置，包括飞秒激光放大器1、半波片2、第一楔形石英晶片3、第二楔形石英晶片4及平凸透镜5；飞秒激光放大器1的输出端依次竖直放置半波片2、第一楔形石英片3、第二楔形石英晶片4及平凸透镜5。
进一步地，所述的飞秒激光放大器1为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作波长为800nm，脉冲宽度为35fs～500fs，重复频率为10Hz～1000Hz，飞秒激光的单脉冲能量为2.5mJ～4.0mJ，激光脉冲为线偏振光，偏振方向为水平方向。
进一步地，所述的半波片2的工作波长为680nm～1100nm,孔径大小为10mm～15mm。
进一步地，所述的第一楔形石英晶片3和第二楔形石英晶片4的切角角度为4°～20°，孔径大小为25.4mm～38.4mm，第一楔形石英晶片3和第二楔形石英晶片4光轴均在前表面内，且与前后表面的交线垂直。
进一步地，所述的平凸透镜5的材质为熔融石英，焦距为400mm-2000mm，可以使飞秒激光脉冲在空气中产生光丝。
利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其具体步骤如下：
(1)、将飞秒激光放大器的重复频率调节为100Hz-1000Hz，通过改变飞秒激光放大器的泵浦光源的工作电流，使飞秒激光放大器的单脉冲能量为0.5mJ～4.0mJ；
(2)、旋转半波片改变激光的偏振方向，与水平方向呈45度；
(3)、调整第一楔形石英晶片的光轴与水平面成90度，调整第二楔形石英晶片的光轴与水平面成45度；
(4)、打开飞秒激光脉冲放大器的出光口，飞秒激光脉冲依次通过半波片、第一楔形石英晶片、第二楔形石英晶片及平凸透镜后，在空气中形成光丝阵列。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明的装置可在空气中远程产生图样稳定的飞秒激光光丝阵列，具有方法简单，能量利用率高等突出优点，极其适用于远程产生大数目、图案化光丝阵列。
附图说明
图1为本发明的利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1在激光传播方向的侧向利用Olymbus相机拍摄的光丝阵列的照片；其中，平凸透镜的焦距为1000mm；
图3为本发明实施例1利用Olymbus相机拍摄的飞秒激光光丝阵列的高强度核区在硬纸板上打孔的孔洞照片；其中，平凸透镜的焦距为1000mm，硬纸板的厚度为350μm，与硬纸板相互作用的激光脉冲数目为100；
图中：飞秒激光放大器1、半波片2、第一楔形石英片3、第二楔形石英片4、平凸透镜5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置，包括飞秒激光放大器1、半波片2、第一楔形石英晶片3、第二楔形石英晶片4及平凸透镜5；飞秒激光放大器1的输出端依次竖直放置半波片2、第一楔形石英片3、第二楔形石英晶片4及平凸透镜5。
利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其具体步骤如下：
首先，使用Spectra-Physics公司的波长为800nm，脉宽为35fs，单脉冲能量为3.0mJ的带有振荡器的飞秒激光放大器，并且设置其重复频率1000Hz。在光路中依次放置孔径为25.4mm、工作波长为800nm的半波片(武汉优光科技有限责任公司)，孔径为25.4mm、楔角为4°的第一楔形石英晶片及第二楔形石英晶片(武汉优光科技有限责任公司)，以及焦距为1000mm的带有增透膜的平凸透镜作为成丝透镜(长春金龙光电公司)。旋转半波片使入射激光的偏振方向与水平面逆时针成45度，旋转第一楔形石英晶片使光轴于水平面成90度，旋转第二楔形石英晶片使其光轴与水平方向逆时针成45度。
其次，打开飞秒激光放大器的出口端，飞秒激光在通过上述光路在空气中形成光丝阵列，然后，利用相机(Olympus)在侧向拍摄光丝图片，如图2所示。
接着，将厚度为350μm硬纸板插入到光丝阵列中间，光丝与硬纸板表面垂直，利用一个光闸控制激光与硬纸板相互作用的数目，设置其曝光时间为100ms，在曝光时间内高强度的光丝核区破坏硬纸板表面，留下孔洞，拍摄孔洞图片如图3所示。

Claims (5)

1.一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其特征在于，该方法基于一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的装置产生，所述装置包括飞秒激光放大器(1)、半波片(2)、第一楔形石英晶片(3)、第二楔形石英晶片(4)及平凸透镜(5)；飞秒激光放大器(1)的输出端依次竖直放置半波片(2)、第一楔形石英片(3)、第二楔形石英晶片(4)及平凸透镜(5)；
具体步骤如下：
(1)、将飞秒激光放大器的重复频率调节为100Hz-1000Hz，通过改变飞秒激光放大器的泵浦光源的工作电流，使飞秒激光放大器的单脉冲能量为0.5mJ～4.0mJ；
(2)、旋转半波片改变激光的偏振方向，与水平方向呈45度；
(3)、调整第一楔形石英晶片的光轴与水平面成90度，调整第二楔形石英晶片的光轴与水平面成45度；
(4)、打开飞秒激光脉冲放大器的出光口，飞秒激光脉冲依次通过半波片、第一楔形石英晶片、第二楔形石英晶片及平凸透镜后，在空气中形成光丝阵列。
2.如权利要求1所述的一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其特征在于，所述的飞秒激光放大器(1)为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作波长为800nm，脉冲宽度为35fs～500fs，重复频率为10Hz～1000Hz，飞秒激光的单脉冲能量为2.5mJ～4.0mJ，激光脉冲为线偏振光，偏振方向为水平方向。
3.如权利要求1所述的一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其特征在于，所述的半波片(2)的工作波长为680nm～1100nm,孔径大小为10mm～15mm。
4.如权利要求1所述的一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其特征在于，所述的第一楔形石英晶片(3)和第二楔形石英晶片(4)的切角角度为4°～20°，孔径大小为25.4mm～38.4mm，第一楔形石英晶片(3)和第二楔形石英晶片(4)光轴均在前表面内，且与前后表面的交线垂直。
5.如权利要求1所述的一种利用楔形石英晶片产生飞秒激光光丝阵列的方法，其特征在于，所述的平凸透镜(5)的材质为熔融石英，焦距为400mm-2000mm。
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