CN111900596A - 一种激光参数调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光参数调节系统，包括脉冲展宽子模块，用于对激光脉冲展宽；脉冲压缩子模块，用于对激光脉冲压缩；监测调控子模块，用于监测激光脉宽，调节输出激光脉宽；其优点在于保障飞秒激光器激光脉冲宽度均一性。

Description

一种激光参数调节系统
技术领域
本发明属于激光领域，更具体地说是一种激光参数调节系统。
背景技术
如何使得激光器的性能稳定是现在激光领域研究人员十分关心的问题。通过保障飞秒激光器激光脉冲宽度均一性，可以使得激光器性能更加稳定，促进激光器的改进和发展，加快激光辅助加工的飞速发展，使得先进制造技术不断向小型化、高精度化方向发展，解决飞秒激光微纳功能制造过程中的关键技术。
在实际光路中，激光器内部脉宽控制组件的热效应、机械振动；光束传播过程中光学系统的色散效应、非线性效应；空间空气的色散效应等因素均是引起超快激光脉冲宽度变化的重要原因。其作用机理复杂，对于任意一个脉宽的影响，分析其形成过程中的成因，对成因进行一一补偿是不现实的。但将脉宽的展宽或者压缩进行定量分析考虑其综合作用效果，则使得这一问题得到了实质性的简化。
飞秒级别的激光脉冲宽度的控制主要通过色散管理来实现。一般是在传输光路中加入具有相反色散系数的补偿器件，也就是说系统中同时包括脉冲展宽模块和脉冲压缩模块。使得传输线路整体的平均色散近乎为零而局部又保持比较大的色散值，从而实现对飞秒量级激光脉冲的宽度控制。
脉冲展宽模块目前多是利用光栅，使用正色散啁啾镜的较少。脉冲压缩模块目前多是利用反射式光栅，而且光栅之间的间隔固定，无法灵活进行改变，造成输出激光的脉宽可能无法满足需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种激光参数调节系统，保障飞秒激光器激光脉冲宽度均一性。其技术方案为：
一种激光参数调节系统，包括脉冲展宽子模块、脉冲压缩子模块、监测调控子模块；
所述脉冲展宽子模块，包括有啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四；其中啁啾镜一、啁啾镜三共线，啁啾镜二、啁啾镜四共线，啁啾镜一、啁啾镜二平行，啁啾镜三、啁啾镜四平行；
脉冲压缩子模块，包括反射镜，光栅一、光栅二，中空屋脊棱镜反射镜；反射镜安装低于从啁啾镜四反射出来的光束的高度，光束依次经过光栅一、光栅二到中空屋脊棱镜反射镜，经过中空屋脊棱镜反射镜反射，再到光栅二上，再经过光栅一，由反射镜反射到取样镜上；
监测调控子模块，包括有与光栅二连接的一维位移台，取样镜，自相关仪，位移台控制器和服务器；所述取样镜将光束分为两束，其中一束进入自相关仪后，经过服务器处理后发送数据至位移台控制器，由位移台控制器控制一维位移台，实现光栅二的移动，从而改变光栅一和光栅二的间距；另一束作为系统输出。
进一步的，所述啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离等于啁啾镜二、啁啾镜四之间的距离。
进一步的，啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离等于光束在啁啾镜一或啁啾镜二或啁啾镜三或啁啾镜四上相邻的两个反射点之间的距离。
进一步的，啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四型号相同，其安装位置满足以下条件：
Figure BDA0002526519420000021
d＝2L*tanθ(2)
其中，D为啁啾镜直径，L为啁啾镜一与啁啾镜二之间的间距，θ为啁啾镜入射角；n为光束在啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四上的反射次数，d为啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离，也等于光束在一片啁啾镜上相邻的两个反射点之间的距离。
进一步的，所述啁啾镜入射角θ为0-10°。
进一步的，所述光栅一、光栅二平行安装，组成一个光栅对；光栅一、光栅二为透射式光栅，提供负色散量。
进一步的，所述脉冲压缩子模块的二阶负色散量GDD-计算过程为：
Figure BDA0002526519420000022
其中λ为波长，K为光栅一与光栅二之间的间距，c为光速，r为光栅刻线密度，β为光栅入射角，改变光栅一和光栅二的间距K，即可计算得到二阶负色散量。
有益效果
1.能够利用自相关仪定时监测激光脉宽大小，为调节激光脉宽提供数据。
2.一个光栅固定位置，另一个光栅固定在一维位移台上，一维位移台受位移台控制器控制，两个光栅之间的距离可进行微调，精确改变脉宽压缩量。
3.服务器设有程序控制单元，它能够自动收集自相关仪监测到的脉宽，服务器计算分析后，作用于位移台控制器控制一维位移台进行相应的移动。服务器使得整个系统能够实时自动运行处理，保障激光脉宽稳定输出满足需求。
附图说明
图1为本发明工作原理图；
图2为啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四安装位置示意图；
其中1-啁啾镜一；2-啁啾镜二；3-啁啾镜三；4-啁啾镜四；5-反射镜；6-光栅一；7-光栅二；8-中空屋脊棱镜反射镜；9-一维位移台；10-取样镜；11-自相关仪；12-服务器；13-位移台控制器；a为入射光束，b为系统输出光束，g、e和f都是数据连接线。
具体实施方式
下面结合附图1-2和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
一种激光参数调节系统，包括脉冲展宽子模块、脉冲压缩子模块、监测调控子模块；
所述脉冲展宽子模块，包括有啁啾镜一1、啁啾镜二2、啁啾镜三3、啁啾镜四4；其中啁啾镜一1、啁啾镜三3共线，啁啾镜二2、啁啾镜四4共线，啁啾镜一1、啁啾镜二2平行，啁啾镜三3、啁啾镜四4平行；
脉冲压缩子模块，包括反射镜5，光栅一6、光栅二7；中空屋脊棱镜反射镜8；反射镜5位置低于从啁啾镜四4反射出来的光束的高度，光束依次经过光栅一6、光栅二7到中空屋脊棱镜反射镜8，经过中空屋脊棱镜反射镜8反射，再到光栅二7上，再经过光栅一6，由反射镜5反射到取样镜10上；光栅一6、光栅二7平行安装，组成一个光栅对；光栅一6、光栅二7为透射式光栅，提供负色散量，中空屋脊棱镜反射镜8的作用是让光束两次通过光栅对，由于光栅的衍射效应，如果光束只通过光栅对一次，光束会分开，形状会畸变。二次经过光栅对就会避免此情况使光束变回原来的状态。由于需要两次经过光栅对，根据脉冲展宽子模块中四片啁啾镜一共提供的总正色散量，光栅6和光栅7之间的距离所能提供的负色散量的绝对值只需是总正色散量的一半左右，实现压缩后和初始激光脉宽近似。
监测调控子模块，包括有与光栅二7连接的一维位移台9，取样镜10，自相关仪11，服务器12和位移台控制器13；取样镜10位于反射镜5和自相关仪11之间，所述取样镜10将光束分为两束，其中一束进入自相关仪11后，经过服务器12处理后发送数据至位移台控制器13，由位移台控制器13控制一维位移台9，实现光栅二7的移动，从而改变光栅一6和光栅二7的间距；另一束作为系统输出。
所述啁啾镜一1与啁啾镜三3之间的距离等于啁啾镜二2、啁啾镜四4之间的距离。
啁啾镜一1与啁啾镜三3之间的距离等于光束在啁啾镜一1、啁啾镜二2、啁啾镜三3、啁啾镜四4任意一片啁啾镜上相邻的两个反射点之间的距离。
啁啾镜一1、啁啾镜二2、啁啾镜三3、啁啾镜四4型号相同，其安装位置满足以下条件：
Figure BDA0002526519420000041
d＝2L*tanθ(2)
其中，D为啁啾镜直径，L为啁啾镜一与啁啾镜二之间的间距，θ为啁啾镜入射角，入射角θ为0-10°。n为光束在啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四上的反射次数，d为啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离，也等于光束在一片啁啾镜上相邻的两个反射点之间的距离。
某一型号的啁啾镜确定后，其直径D便为一个具体值,其正二阶色散量GDD+也就确定下来了，例如啁啾镜选用D＝25.4mm,GDD+＝+1000fs2,入射角θ有一个范围，例如0-10°；先估计一个大概的反射次数n，啁啾镜入射角θ取0-10°区间内的几个合适值，根据公式(1)，就可以算出来d。进而由公式(2)算出L。因为不是只有一组解，只要从几组解中选择合适的一组即可。
举例n＝30,θ＝5°，D＝25.4mm；则解出L＝22.33mm，d＝3.91mm。
根据求解出来的L、d和θ，我们便可以相应的固定啁啾镜一1、啁啾镜二2、啁啾镜三3、啁啾镜四4，就可以得到想要的反射次数。光束在啁啾镜上反射一次，色散量就会增加一个正二阶色散量GDD+＝+1000fs2，那么根据总的反射次数，就可以得到最后总的正色散量。那么脉宽就会被相应的展宽。引入正二阶色散量后脉宽的计算过程为：
Figure BDA0002526519420000051
Figure BDA0002526519420000052
其中，T是展宽后的脉宽，t是展宽之前的脉宽。
所述脉冲压缩子模块的二阶负色散量计算过程为：
Figure BDA0002526519420000053
其中λ为波长，K为光栅一与光栅二之间的间距，c为光速，r为光栅刻线密度，β为光栅入射角；已知波长λ，光栅刻线密度r，光栅入射角β，改变光栅一和光栅二的间距K，即可计算得到二阶负色散量。
本系统的整个工作过程为：
首先服务器收到自相关仪监测到的光束的脉宽大小，如果脉宽符合要求则不处理。如果脉宽不符合要求，则由服务器分析后，发送一个位移数据给位移台控制器，那么位移台控制器就会控制一维位移台进行相应的移动，即改变脉宽压缩量。脉宽改变后如果仍不符合要求，则系统会重复以上过程直至输出的脉宽符合要求。
当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光参数调节系统，其特征在于，包括脉冲展宽子模块、脉冲压缩子模块、监测调控子模块；
所述脉冲展宽子模块，包括有啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四；其中啁啾镜一、啁啾镜三共线，啁啾镜二、啁啾镜四共线，啁啾镜一、啁啾镜二平行，啁啾镜三、啁啾镜四平行；
脉冲压缩子模块，包括反射镜，光栅一、光栅二，中空屋脊棱镜反射镜；反射镜安装低于从啁啾镜四反射出来的光束的高度，光束依次经过光栅一、光栅二到中空屋脊棱镜反射镜，经过中空屋脊棱镜反射镜反射，再到光栅二上，再经过光栅一，由反射镜反射到取样镜上；
监测调控子模块，包括有与光栅二连接的一维位移台，取样镜，自相关仪，位移台控制器和服务器；所述取样镜将光束分为两束，其中一束进入自相关仪后，经过服务器处理后发送数据至位移台控制器，由位移台控制器控制一维位移台，实现光栅二的移动，从而改变光栅一和光栅二的间距；另一束作为系统输出。
2.根据权利要求1所述一种激光参数调节系统，其特征在于，所述啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离等于啁啾镜二、啁啾镜四之间的距离。
3.根据权利要求1所述一种激光参数调节系统，其特征在于，啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离等于光束在啁啾镜一或啁啾镜二或啁啾镜三或啁啾镜四上相邻的两个反射点之间的距离。
4.根据权利要求2所述一种激光参数调节系统，其特征在于，啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四型号相同，其安装位置满足以下条件：
Figure FDA0002526519410000011
d＝2L*tanθ (2)
其中，D为啁啾镜直径，L为啁啾镜一与啁啾镜二之间的间距，θ为啁啾镜入射角；n为光束在啁啾镜一、啁啾镜二、啁啾镜三、啁啾镜四上的反射次数，d为啁啾镜一与啁啾镜三之间的距离，也等于光束在一片啁啾镜上相邻的两个反射点之间的距离。
5.根据权利要求1所述一种激光参数调节系统，其特征在于，所述啁啾镜入射角θ为0-10°。
6.根据权利要求1所述一种激光参数调节系统，其特征在于，所述光栅一、光栅二平行安装，组成一个光栅对；光栅一、光栅二为透射式光栅，提供负色散量。
7.根据权利要求6所述的一种激光参数调节系统，其特征在于，所述脉冲压缩子模块的二阶负色散量计算过程为：
Figure FDA0002526519410000021
其中λ为波长，K为光栅一与光栅二之间的间距，c为光速，r为光栅刻线密度，β为光栅入射角；改变光栅一和光栅二的间距K，即可计算得到二阶负色散量。
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