CN110658631A - 一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振态调控和各向异性双光子吸收效应生成平顶光束的光束整形装置，所述装置系统自左向右依次为飞秒脉冲激光器、矢量光场生成系统、聚焦透镜、各向异性双光子吸收材料和光场检测系统。光场的偏振取向和各向异性材料的晶体取向之间存在最佳匹配，且不同相对取向直接影响光束整形效果。本发明中光束整形装置，能独立调控各点的透射光强，生成的平顶光束具有完美的平整度；优化光场的偏振态取向和材料的晶轴取向匹配关系，能将生成的平顶光束平顶范围最大化。无需借助其他衍射光学元件，可实现对目标平顶光束的平顶范围自由调控，装置具有设置简单，可控性强，生成效果好、可实时调控等优点。

Description

一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置

技术领域

本发明涉及光场调控领域，利用偏振态调控技术，将非线性光学中的各向异性双光子吸收效应运用于对光场的振幅调控，实现将基模高斯型光场整形为平顶光束的功能。该技术在材料加工、激光切割和激光印刷等方面具有应用价值。

背景技术

近年来，平顶光束因其独特的空间分布特性，引起了人们浓厚的研究兴趣。所谓平顶光束，即光强在横截面上具备均匀分布特点的光束。由于这样的光束具有独特的横向光强分布及焦场特性，被广泛应用于激光雕刻、微加工和粒子捕获等方面(D.L.Shealy andJ.A.Hoffnagle,“Laser beam shaping profiles and propagation,”Appl.Opt.45(21),5118-5131(2006).)。

现有的平顶光束生成方法众多，如非球面透镜法(B.R.Frieden,“Losslessconversion of a plane laser wave to a plane wave of uniform irradiance,”Appl.Opt.4(11),1400-1403(1965).)、双折射透镜组法(B.M.Van Wonterghem,J.T.Salmon,and R.W.Wilcox,et.al,“Beamlet pulse-generation and wavefront-control system,”ICF Quarterly Report,5(1),43(1994).)、多透镜合成法(F.M.Dickeyand S.C.Holswade,“Gaussian laser beam profile shaping,”Optical Engineering 35(35),3285-3295.(1996).)和光阑法(J.A.Hoffnagle and C.M.Jefferson,"Design andperformance of a refractive optical system that converts a Gaussian to aflattop beam,"Appl.Opt.39(30),5488-5499(2000).)等。然而，已有的方法都具有一定的局限性，如非球面透镜法，虽然有较高的能量利用率，但器件功能固定，可重复使用率低；双折射透镜法则对入射光的光强分布要求较高；多透镜合成法，理论上可以生成理想的平顶光束，但实际操作时却存在输出光束均匀性不好的问题；光阑法生成平顶光束简单直接，但损耗大，效率低等。随着工业技术的不断发展，更高效、更全面、多功能的光束整形方法成为科学研究和工业制造亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，本发明结合光场的偏振态调控和材料的各向异性双光子吸收效应，利用材料对不同偏振态的光极化响应的差异性，通过调控初始光场的偏振态分布，实现了将高斯光束整形成平顶光束，并且通过匹配材料的晶轴取向和入射光场的偏振取向，能够有效地提高光束整形的效率，生成平顶区域更大的平顶光束。另外，光场生成过程无需借助于衍射光学元件。由于入射场的偏振分布实时可控，最终生成的平顶光束输出效果也可实时调节，输出光场可控性强。且入射光场的偏振态分布是各点独立可调节的，故此生成的平顶光束具有完美的平整度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，所述整形装置自左向右依次为飞秒脉冲激光器、矢量光场生成系统、聚焦透镜、各向异性双光子吸收材料、以及光场检测系统，所述激光器出射的激光束空间线型为基模高斯光束或近高斯光束，其输出光场的光强和波长等条件满足激发材料的各向异性双光子吸收效应。

已知具有双光子吸收效应的材料，其吸收系数大小正比于材料的三阶非线性极化率。材料的极化响应越大，相应的双光子吸收系数也越大。对于各向异性非线性光学材料而言，三阶非线性极化率的大小除了和激发光功率密度、波长、偏振态等因素有关，还与材料的能带结构有关。以硒化锌晶体为例，其带隙大小约为2.7eV，采用波长为800nm的飞秒脉冲激光(2hν≈3.1eV)激发各向异性双光子吸收效应。通过调节入射光的偏振分布可以控制不同点的各向异性双光子吸收效应的大小。

本发明选用的示例说明光源(下同)为800nm的钛宝石飞秒激光，重复频率为1KHz，脉宽为170fs。

本发明选用的矢量光生成系统为4F系统，可生成任意偏振分布的矢量光场。

本发明选用的聚焦透镜为焦距150mm的消色差透镜。

本发明选用的各向异性双光子吸收材料为c切割的ZnSe单轴晶轴，双面抛光。

本发明选用的光束检测系统为激光光束质量分析仪，能够探测激光束的横向光强分布。

本发明提供的一种基于各向异性双光子吸收效应的平顶光束生成方法，所述生成方法如下：

步骤1：根据目标光场偏振分布，利用反演算法，推算入射矢量光场偏振分布及其对应

的相位图；

步骤2：将步骤1计算得到的相位图加载到空间光调制器上，光束传播经过空间光调制

器后，不同空间位置的光束携带与位置对应的额外相位。利用4F系统生成入射矢量光场，

空间光调制器周期与光栅周期匹配；

步骤3：利用聚焦透镜，将入射场聚焦到ZnSe晶体表面，焦点处，飞秒脉冲光束的光功

率密度非常大，由此可以激发材料产生双光子吸收效应，晶体材料光轴方向沿水平或竖

直方向；

步骤4：利用光束分析仪检测生成的平顶光束光强分布情况，光束分析仪可以实时检测

到出射光场的光强横向分布；

步骤5：根据出射光场光强分布优化相位图，提高光束整形质量。由于光束分析仪检测到的出射场光强分布是实时的，且空间光调制器加载的相位图也可实时调节，因此可以根据检测结果实时优化加载到空间光调制器上的相位图，对光束整形结果实时优化。

已有的衍射光学元件整形方法属于线性光学的范畴，而以上过程利用了材料的各向异性非线性光学效应进行光束整形操作，显然这两种技术有明显的区别。在非线性光学材料的选材上，我们选择三阶非线性极化响应存在各向异性的立方晶系材料，能够产生各向异性双光子吸收效应，且结构相对简单。有效调节入射光场的偏振态取向和材料的晶轴取向，可显著地提高光束整形的效率，获取平顶范围更大的平顶光束。

相对于现有技术，本发明的优点如下：本发明提出的基于偏振态调控的光束整形装置能够生成平整度100％的平顶光束；利用材料的各向异性和入射光场偏振态的取向匹配，较之各向同性非线性光学材料，增加了一个自由度，提升了整形效果；本方法生成的平顶光束的平顶半径在一定范围内可自由调节，可控性强；本方法原理简单，装置简便，成本相对较低，可重复利用，且整形效果实时可控。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置图。

其中：1-激光器，2-矢量光生成系统，3-聚焦透镜，4-各向异性双光子吸收材料，5-光束质量分析仪。

图2为生成的平顶光束光强分布图及其偏振态分布图。

图(a)、(c)、(e)分别为通过调控入射光偏振态的椭偏率分布生成平顶光束的光强分布图、偏振分布图以及光强截面分布曲线；图(b)、(d)、(f)分别为调控入射光偏振态、椭偏率和偏振取向时，模拟生成的平顶光束的光强分布图、偏振分布图以及光强截面分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式，详细说明通过调节激发光场偏振态的取向和材料的晶体取向，可以明显地提高平顶光束生成的效果，即扩大所生成平顶光束的平顶范围。模拟仿真以ZnSe晶体材料为例，分别列举存在取向调控和不存在取向调控时，生成的平顶光束效果进行了对比。

实施例1：参见图1，一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，所述整形装置自左向右依次为飞秒脉冲激光器1、矢量光场生成系统2、聚焦透镜3、各向异性双光子吸收材料4、以及光场检测系统5，所述激光器1出射的激光束空间线型为基模高斯光束或近高斯光束，其输出光场的光强和波长等条件满足激发材料的各向异性双光子吸收效应。

已知具有双光子吸收效应的材料，其吸收系数大小正比于材料的三阶非线性极化率。材料的极化响应越大，相应的双光子吸收系数也越大。对于各向异性非线性光学材料而言，三阶非线性极化率的大小除了和激发光功率密度、波长、偏振态等因素有关，还与材料的能带结构有关。以硒化锌晶体为例，其带隙大小约为2.7eV，采用波长为800nm的飞秒脉冲激光(2hν≈3.1eV)激发各向异性双光子吸收效应。通过调节入射光的偏振分布可以控制不同点的各向异性双光子吸收效应的大小。

本发明选用的示例说明光源(下同)为800nm的钛宝石飞秒激光，重复频率为1KHz，脉宽为170fs。

选用的矢量光生成系统为4F系统，可生成任意偏振分布的矢量光场，聚焦透镜为焦距150mm的消色差透镜，各向异性双光子吸收材料为c切割的ZnSe单轴晶轴，双面抛光；光束检测系统为激光光束质量分析仪，能够探测激光束的光强分布。

实施例2：本发明提供的一种基于各向异性双光子吸收效应的平顶光束生成方法，所述生成方法如下：

步骤1：设计目标矢量场所需相位图；

步骤2：将步骤1计算得到的相位图加载到空间光调制器上，利用4F系统生成入射矢量

光场；

步骤3：将入射场聚焦到ZnSe晶体表面，晶体位于聚焦透镜的焦平面上；

步骤4：利用光束分析仪检测生成的平顶光束光强分布情况；

步骤5：根据生成效果反馈优化相位图，提高光束整形效果。

应用实施例1：

如装置图1所示，激光器初始出射的光束光强分布为高斯型分布。通过在空间光调制器上加载预设的相位图，利用矢量光场生成系统可生成柱对称的矢量光场，经过材料后的光强分布和焦点处的偏振态分布如图2(a)、(c)所示。在中心处光场偏振态为水平线偏振，对应的双光子吸收最大；偏离中心位置，偏振态逐渐变为椭圆偏振，且偏离中心越远，椭偏率越大，双光子吸收效应也越小；达到平顶范围边缘时，光束偏振态变为圆偏振，且平顶范围外都为局域圆偏振分布。图2(e)为光强的径向分布图。其中虚线表示圆偏振标量光场激发情况下，透射光强仍为高斯型分布。通过调控光场中心区域的局域偏振椭偏率，使得一定范围内透射光强始终为常数，输出光场由高斯光整形为平顶光束。经计算，输出平顶光束的最大平顶范围为

其中，R_(e)为生成平顶光束半径，ω₀和I₀₀分别为入射高斯光束的腰半径和峰值功率密度，β₀、L_eff和δ分别为各向异性双光子吸收材料的双光子吸收系数、有效长度和非线性二向色性系数。

应用实施例2：在应用实施例1的基础上，进一步对入射光场的偏振态进行调控。在实施例1中，平顶范围内，中心处为水平线偏振，边缘处为圆偏振，椭偏率随位置改变过程中偏振椭圆长轴方向始终沿水平方向。而对于各向异性非线性光学材料而言，改变偏振椭圆的取向，同样会影响双光子吸收系数的大小。调控入射光的偏振取向，可进一步扩大透射光强可调节的范围，增大平顶光束的平顶范围。透射光强分布和焦场处的偏振分布如图2(b)、(d)所示，在中心处，偏振态为线偏振，且偏振方向与水平方向成45°角，中心处双光子吸收最大。偏离中心以后，线偏振光的取向逐渐转向水平方向，对应双光子吸收也越来越小。当偏振矢量转至水平位置时，随着半径增大，线偏振光逐渐变为椭圆偏振光，最后变为圆偏振光，类似于实施例1。此过程中透射光强始终不变。相比于实施例1，实施例2增加了一维可调节度，生成的平顶光束平顶范围更大。且最大范围为

其中，σ为材料的非线性各向异性系数。

以上两种结果均说明，基于材料的各向异性非线性光学效应，即各向异性双光子吸收效应，能够实现将基模高斯光束整形为平顶光束。调控各向异性双光子吸收材料的晶轴取向和入射光的偏振态取向，可以显著地提高目标光束的生成效果，即扩大平顶光束的平顶范围。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述整形装置自左向右依次为飞秒脉冲激光器、矢量光场生成系统、聚焦透镜、各向异性双光子吸收材料、以及光场检测系统。

2.根据权利要求1所述的基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述的激光器输出光束光强横向分布为高斯型或近高斯型线偏振光束，能够激发材料的各向异性双光子吸收效应。

3.根据权利要求2所述的基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述矢量光生成系统为4F系统，能够生成空间偏振态任意分布的矢量光场。

4.根据权利要求3所述的基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述的聚焦透镜为弱聚焦消色差正透镜。

5.根据权利要求4所述的基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述聚焦透镜为焦距150mm的消色差透镜。

6.根据权利要求5所述的基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述各向异性双光子吸收材料为c切割的ZnSe单轴晶轴，双面抛光。

7.根据权利要求6所述的基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，其特征在于，所述光束检测系统为激光光束质量分析仪，能够探测激光束的横向光强分布。

8.一种基于各向异性双光子吸收效应的平顶光束生成方法，其特征在于，所述生成方法如下：

步骤1：设计目标矢量场所需相位图；

步骤2：将步骤1计算得到的相位图加载到空间光调制器上，利用4F系统生成入射矢量光场；

步骤3：将入射场聚焦到ZnSe晶体表面，晶体位于聚焦透镜的焦平面上；

步骤4：利用光束分析仪检测生成的平顶光束光强分布情况；

步骤5：根据生成效果反馈优化相位图，提高光束整形效果。

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