CN112003119B - 一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置及方法，该方法为：(1)、将非线性晶体KDP飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲一部分能量转换成第二波长飞秒激光脉冲；(2)、将第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲分开传输；(3)、调整第一光路和第二光路的方向和长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲最终完全同步，并合并为一路得到双色双脉冲飞秒激光；(4)、调整第一光路和第二光路相对长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲之间形成一定的相对时间延迟，从而延长双色双脉冲飞秒激光的成丝长度。本发明通过双色双脉冲飞秒激光脉冲结合，可大幅延长飞秒激光成丝的长度，简单而且有效。

Description

一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置及方法

技术领域

本发明涉及一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置及方法，对飞秒激光远程大气成分监测、激光引导闪电打击等具有重大应用意义，属于强场激光物理技术领域。

背景技术

飞秒激光的出现推动了化学、物理、生物等各个学科领域的发展，逐渐出现了很多和飞秒激光技术有关的重要研究成果。然后，曾经很长一段时间人们都认为由于衍射、群速度色散等原因的影响，飞秒激光脉冲在大气中是不能实现远距离传输的。但是随着飞秒激光试验的不断深入，研究人员发现飞秒激光在大气中传输时，由于非线性光学效应的存在，激光脉冲会形成等离子体通道，并且等离子体通道的长度可以保持很长的距离，等离子体通道是一种光学细丝，光丝内部的光强可以高达10^13-10¹⁴W/cm²的量级。这种成丝现象得到了非常大的关注，一方面由于从非线性光学、强激光物理科学研究的角度出发，另一方面研究人员不断发现了光丝可以应用于多个领域，比如远程大气成分检测、引导雷电风暴打击等。不难看出，所有的应用方向都希望能利用飞秒激光脉冲在大气成丝的长距离传输这一特性，因此很多研究都集中于如何实现飞秒激光脉冲大气成丝的长度延长，把激光能量传输到更远的距离。

已经提出的延长光丝长度的方法主要为改变激光脉冲能量的空间分布及对激光脉冲进行空间调制，比如P.Polynkin等人利用贝塞尔分布的飞秒激光脉冲在空气中有效延长了光丝长度，并且通过优化激光的啁啾进一步优化光丝长度(参考文献P.Polynkin etal,Opt.Exp.17,575,2009)，冯志芳等人通过仿真深入分析了贝塞尔激光脉冲的外部聚焦过程与光学原件使用对成丝过程的影响(参考文献Z.F.Feng et al,Optics Express,24(6),6381-6390,2016；Z.F.Feng et al，Physical Review A，91(3),033839,2015)。付玉喜等人在准直飞秒激光输出的光路上一次设置可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜，由于干涉效应改变了激光脉冲聚焦区域的特性，延长了光丝长度(参考文献200910198268.X)。

上述的光丝延长方法都是基于对单色单脉冲的调控，当激光脉冲能量不能提高时，光丝也无法进一步增强。对于激光器来说，提高激光器的输出能量始终是重要的技术问题，能量的提高受限于很多因素，比如器件选择、能量阈值、总体设计等。因此亟需发展新型的飞秒激光大气中成丝的延长方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有单脉冲飞秒激光在大气中成丝长度有限的不足，提供一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置及方法，延长飞秒激光成丝的长度。

本发明解决技术的方案是：一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将非线性晶体KDP飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲一部分能量转换成第二波长飞秒激光脉冲；

(2)、将第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲分开传输：，第一波长飞秒激光脉冲沿着第一光路、第一波长飞秒激光脉冲沿着第二光路进行传输；

(3)、调整第一光路和第二光路的方向和长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲最终完全同步，并合并为一路得到双色双脉冲飞秒激光；

(4)、调整第一光路和第二光路相对长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲之间形成一定的相对时间延迟，从而延长双色双脉冲飞秒激光的成丝长度。

本发明的另一个技术方案是：一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，该装置包括飞秒激光器、非线性晶体KDP、第一透射反射镜M3、第一全反射镜M4、第二全反射镜M5、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第五全反射镜M9、第六全反射镜M10、第二透射反射镜M6；

飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲，沿着主光路经过非线性晶体KDP之后，一部分能量的激光脉冲转换为第二波长飞秒激光脉冲；

第一波长飞秒激光脉冲经透射反射镜M3透射之后，依次经过第三全反射镜M7、第五全反射镜M9、第六全反射镜M10、第四全反射镜M8反射之后到达第二透射反射镜M6，经过第二透射反射镜M6透射，回到主光路输出；

第二波长飞秒激光脉冲经透射反射镜M3反射之后，依次经过第一全反射镜M4、第二全反射镜M5反射之后到达第二透射反射镜M6，经过第二透射反射镜M6反射之后，与第一波长飞秒激光脉冲沿着主光路传输。

所述第二透射反射镜M6输出的第一波长飞秒激光脉冲与第二波长飞秒激光脉冲具有一定相对时间延迟。

所述一定的相对时间延迟为2～7ns。

所述非线性晶体KDP、第一透射反射镜M3、第一全反射镜M4、第二全反射镜M5、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第二透射反射镜M6的摆放位置和方向固定，具体为：

所述非线性晶体KDP垂直于主光路放置，第一透射反射镜M3、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第二透射反射镜M6位于主光路上，第一透射反射镜M3、第四全反射镜M8与主光路正方向呈45°，第三全反射镜M7和第二透射反射镜M6与主光路负方向呈45°；

第五全反射镜M9、第六全反射镜M10放置在一对相互平行的同步滑轨上，同步滑轨的运动方向与主光路垂直，第五全反射镜M9与主光路负方向呈45°，第六全反射镜M10与主光路正方向呈45°，第五全反射镜M9、第六全反射镜M10同时朝向远离或者靠近主光路移动，用于调节第一波长飞秒激光脉冲与第二波长飞秒激光脉冲之间的相对时间延迟。

所述相对时间延迟为由滑轨相对于延迟为0的位置移动的距离确定，即相对时间延迟为：2d/c，其中d为滑轨移动的距离，c是光速。

上述长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置还包括第一聚焦透镜L1，第一聚焦透镜L1位于第二全反射镜M5与第二透射反射镜M6之间的光路上，用于聚焦激光脉冲形成光丝，第二透射反射镜M6位于第一聚焦透镜L1的焦点上。

所述第一聚焦透镜L1的焦距为4m。

上述长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置还包括第一聚焦透镜L2，第二聚焦透镜L2位于第二全反射镜M10与第四透射反射镜M8之间的光路上，用于聚焦激光脉冲形成光丝，第四透射反射镜M8位于第二聚焦透镜L2的焦点上。

所述第二聚焦透镜L2的焦距为4m。

所述第一波长飞秒激光脉冲为800nm激光脉冲，第二波长飞秒激光脉冲为400nm激光脉冲。

所述相对时间延迟为2～7ns。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明双色双脉冲延长飞秒激光在大气中成丝长度的方法，利用400nm激光脉冲和800nm激光脉冲的双色双脉冲组合之间的二次电离和能量补给等机理，形成的飞秒激光成丝长度相对于单激光脉冲而言得以大幅度延长，这对于远程大气探测、人工控制闪电风暴打击等应用领域具有重要意义。

(2)、本发明设计了长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，该装置采用位于同步滑轨上的第五全反射镜M9、第六全反射镜M10改变光路的方向和长度，使得双色双脉冲之间存在可调节的光学延迟，简单有效地实现了多种飞秒激光诊断方式测量。

(3)、本发明在位于第二全反射镜M5与第二透射反射镜M6之间光路上增加第一聚焦透镜L1，第二聚焦透镜L2位于第二全反射镜M10与第二透射反射镜M8之间的光路上增加第一聚焦透镜L2，通过聚焦透镜的设置，可以在有限的距离内得到飞秒激光的大气成丝。

附图说明

图1是本发明实施例双色双脉冲延长飞秒激光在大气中成丝长度的装置图；

图2是本发明实施例声学诊断法验证结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将非线性晶体KDP飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲一部分能量转换成第二波长飞秒激光脉冲；

(2)、将第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲分开传输：，第一波长飞秒激光脉冲沿着第一光路、第一波长飞秒激光脉冲沿着第二光路进行传输；

(3)、调整第一光路和第二光路的方向和长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲最终完全同步，并合并为一路得到双色双脉冲飞秒激光，即第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲之间的相对延迟时间为0ns；

(4)、调整第一光路和第二光路相对长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲之间形成一定的相对时间延迟，从而延长双色双脉冲飞秒激光的成丝长度。

基于上述方法，本发明提供了一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置。如图1所示，所述长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置包括飞秒激光器、非线性晶体KDP、第一透射反射镜M3、第一全反射镜M4、第二全反射镜M5、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第五全反射镜M9、第六全反射镜M10、第二透射反射镜M6、第一聚焦透镜L1、第二聚焦透镜L2。

飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲，沿着主光路经过非线性晶体KDP之后，一部分能量的激光脉冲转换为第二波长飞秒激光脉冲；

第一波长飞秒激光脉冲经透射反射镜M3透射之后，依次经过第三全反射镜M7、第五全反射镜M9、第六全反射镜M10、第四全反射镜M8反射之后到达第二透射反射镜M6，经过第二透射反射镜M6透射，回到主光路输出；

第二波长飞秒激光脉冲经透射反射镜M3反射之后，依次经过第一全反射镜M4、第二全反射镜M5反射之后到达第二透射反射镜M6，经过第二透射反射镜M6反射之后，与第一波长飞秒激光脉冲沿着主光路传输。

所述第二透射反射镜M6输出的第一波长飞秒激光脉冲与第二波长飞秒激光脉冲具有一定相对时间延迟。

所述非线性晶体KDP、第一透射反射镜M3、第一全反射镜M4、第二全反射镜M5、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第二透射反射镜M6的摆放位置和方向固定，具体为：

所述非线性晶体KDP垂直于主光路放置，第一透射反射镜M3、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第二透射反射镜M6位于主光路上，第一透射反射镜M3、第四全反射镜M8与主光路正方向呈45°，第三全反射镜M7和第二透射反射镜M6与主光路负方向呈45°；

第五全反射镜M9、第六全反射镜M10放置在一对相互平行的同步滑轨上，同步滑轨的运动方向与主光路垂直，第五全反射镜M9与主光路负方向呈45°，第六全反射镜M10与主光路正方向呈45°，第五全反射镜M9、第六全反射镜M10同时朝向远离或者靠近主光路移动，用于调节第一波长飞秒激光脉冲与第二波长飞秒激光脉冲之间的相对时间延迟。所述相对时间延迟为由滑轨相对于延迟为0的位置移动的距离确定，即相对时间延迟为：2d/c，其中d为滑轨移动的距离，c是光速。

第一聚焦透镜L1位于第二全反射镜M5与第二透射反射镜M6之间的光路上，用于聚焦激光脉冲形成光丝，第二透射反射镜M6位于第一聚焦透镜L1的焦点上。

第二聚焦透镜L2位于第二全反射镜M10与第二透射反射镜M8之间的光路上，用于聚焦激光脉冲形成光丝，第二透射反射镜M6位于第一聚焦透镜L1的焦点上。L2的焦距为4m，使得800nm激光脉冲经过L2之后，可以在大气中形成光丝。

实施例1：

本发明某一具体实施例中，飞秒激光器发射出的激光脉冲的波段是800nm，800nm的飞秒激光脉冲(即为第一波长飞秒激光脉冲)经过非线性晶体KDP后，一部分能量的激光脉冲转换为400nm的飞秒激光脉冲(即为第二波长飞秒激光脉冲)，M3是第一透射反射镜，用于反射400nm的激光脉冲，透射800nm的激光脉冲，经过第一透射反射镜M3后，双色双脉冲沿着不同光路传输，第一全反射镜M4与第二全反射镜M5全反射镜是400nm激光脉冲的光学调整装置，第三全反射镜M7与第四全反射镜M8全反射镜是800nm激光脉冲的光学调整装置，第五全反射镜M9与第六全反射镜M10全反射镜是800nm激光脉冲的光学延迟装置，M6是第二透射反射镜，即反射400nm的激光脉冲，透射800nm的激光脉冲，经过第二透射反射镜M6后，双色双脉冲沿着同一光路传输。

第五全反射镜M9与第六全反射镜M10组成的光学延迟装置放置在一个相互平行的滑轨上，滑轨的运动方向与800nm激光脉冲的初始及最终的传输方向垂直。

在设置好激光脉冲发射、调整与延迟装置后，调整M4、M5、M7、M8、M9与M10的位置，使得800nm激光脉冲与400nm激光脉冲的传输光路长度保持一致，然后移动滑轨，使得M9与M10的位置朝着远离M7与M8的方向移动，这样会使得800nm的激光脉冲传输的光路增长。本实施例，首先将两个脉冲调节到完全同步，即之间的延迟时间为0ns。两个脉冲之间的完全同步是根据观察远处形成的纵向衍射环状结构进行判断的。确定好0ns延迟时刻的位置后，移动平移台就会改变800nm激光脉冲与400nm激光脉冲之间之间的延迟，使得M6之后的光丝是有400nm飞秒激光脉冲和800nm飞秒激光脉冲共同组成，且双色双脉冲之间存在可调可知的时间延迟。

具体而言，在M6之后的光路中，在某一个位置A，400nm激光脉冲传输到预设位置A的时间记为t1，则800nm激光脉冲传输到位置A的时间记为t2，则t1与t2的关系为：

t2＝t1+2d/c

其中d为滑轨移动的距离，c是光速。

该时间延迟可以有效增加飞秒激光脉冲形成的光丝的寿命与传输长度。传输长度的延长可以通过在该领域已有广泛应用的声学诊断方法或者荧光光谱诊断方法进行确认。

本实例中，优选的方案为：400nm激光脉冲在前，800nm激光脉冲在后，固定延迟间隔为1ns～7ns。

本实施例中，第一聚焦透镜L1的焦距为4m，使得400nm激光脉冲经过L1之后，可以在大气中形成光丝；第二聚焦透镜L2的焦距为4m，使得800nm激光脉冲经过L2之后，可以在大气中形成光丝。

本实例中，根据飞秒激光脉冲大气传输形成光丝的主要诊断方法，分别采用声学诊断法和荧光光谱诊断法对本发明的飞秒激光脉冲成丝长度延长进行确认说明。

图2展示了不同延迟下最强声学信号值。根据声学诊断法的判段准则，声学信号强则飞秒激光脉冲产生的光丝内所含的等离子体越多，光丝能传输的距离就越长，从图2中可以明显看出，本实例中的400nm和800nm双色双脉冲的每个延迟条件下的光丝声学信号均显著强于0ns延迟，因此光丝长度的得到了显著延长。

在1ns和2ns延迟条件下，声学信号的增强是非常显著的，其最大值基本上已经达到了36mJ 800nm脉冲产生的信号值的两倍。在2ns延迟时最高为5500mV。在4ns的时候，声学信号比2ns时有了很大的降低，这是由于3.6mJ 400nm激光由于比较低的能量，所以在产生的等离子体细丝内部的自由电子密度比较低，而且在这个过程中也会有自由电子和离子的再结合，所以在4ns后，等离子体通道基本上完全衰减。因此声学信号在比2ns更长的时间延迟条件下基本上不再依赖延迟时间的变化。这一点从7ns时刻的测量结果也可以很好地得到验证。

利用相同的实例，通过测量飞秒激光脉冲成丝荧光光谱寿命来测量成丝的寿命。根据荧光光谱诊断法的判段准则，荧光光谱信号的出现到最强再到消失的时间，可以视为飞秒激光脉冲形成光丝的时间，进一步可以得到时间寿命越久的光丝传输的长度越长。在270nm到390nm之间有很多谱线来自N2：C3Πu-B3Πg跃迁和N2+：B2Σu+-X2Σg+跃迁。选择348.3nm(N+:3s(3S)-3p(3P0))作为研究对象。实例中测量到400nm和800nm单个飞秒脉冲形成的光丝的寿命为5±0.5ns，而双脉冲产生的等离子体通道的寿命有明显增加，参见表1中所示0ns～7ns时的寿命。虽然不同延迟时间下，等离子体细丝的寿命不同，但显而易见的是后续800nm飞秒激光脉冲的引入可以有效地增加飞秒激光脉冲形成光丝的长度。

经过分析，在这个过程中两种机制发挥了主要作用：首先，后续脉冲会电离空气分子，与此同时，通过逆韧制吸收过程细丝中的等离子体会从后续脉冲中进一步吸收能量。因此，等离子体被加热进一步电离，细丝中的等离子体密度进一步增加。

其次，滞后脉冲同样发挥着退吸收的作用，使得电子和中性分子再次吸吸附在一起。基于这两种机制，等离子体细丝的寿命得到了明显的延长。

延迟时间(ns)	0	1	2	4	7
						荧光光谱寿命(ns)	9.5	17	14.5	13	12.5
传输长度(m)	2.85	5.1	4.35	3.9	3.75

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、将非线性晶体KDP飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲一部分能量转换成第二波长飞秒激光脉冲；

(2)、将第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲分开传输，第一波长飞秒激光脉冲沿着第一光路、第二波长飞秒激光脉冲沿着第二光路进行传输；

(3)、调整第一光路和第二光路的方向和长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲最终完全同步，并合并为一路得到双色双脉冲飞秒激光；

(4)、调整第一光路和第二光路相对长度，使得第一波长飞秒激光脉冲和第二波长飞秒激光脉冲之间形成一定的相对时间延迟，从而延长双色双脉冲飞秒激光的成丝长度，所述相对时间延迟为2～7ns。

2.根据权利要求1所述的一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生方法，其特征在于所述第一波长飞秒激光脉冲为800nm激光脉冲，第二波长飞秒激光脉冲为400nm激光脉冲。

3.一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，其特征在于包括飞秒激光器、非线性晶体KDP、第一透射反射镜M3、第一全反射镜M4、第二全反射镜M5、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第五全反射镜M9、第六全反射镜M10、第二透射反射镜M6；

飞秒激光器产生的第一波长飞秒激光脉冲，沿着主光路经过非线性晶体KDP之后，一部分能量的激光脉冲转换为第二波长飞秒激光脉冲；

第一波长飞秒激光脉冲经透射反射镜M3透射之后，依次经过第三全反射镜M7、第五全反射镜M9、第六全反射镜M10、第四全反射镜M8反射之后到达第二透射反射镜M6，经过第二透射反射镜M6透射，回到主光路输出；

第二波长飞秒激光脉冲经透射反射镜M3反射之后，依次经过第一全反射镜M4、第二全反射镜M5反射之后到达第二透射反射镜M6，经过第二透射反射镜M6反射之后，与第一波长飞秒激光脉冲沿着主光路传输；

所述第二透射反射镜M6输出的第一波长飞秒激光脉冲与第二波长飞秒激光脉冲具有一定相对时间延迟；

所述非线性晶体KDP、第一透射反射镜M3、第一全反射镜M4、第二全反射镜M5、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第二透射反射镜M6的摆放位置和方向固定，具体为：

所述非线性晶体KDP垂直于主光路放置，第一透射反射镜M3、第三全反射镜M7、第四全反射镜M8、第二透射反射镜M6位于主光路上，第一透射反射镜M3、第四全反射镜M8与主光路正方向呈45°，第三全反射镜M7和第二透射反射镜M6与主光路负方向呈45°；

第五全反射镜M9、第六全反射镜M10放置在一对相互平行的同步滑轨上，同步滑轨的运动方向与主光路垂直，第五全反射镜M9与主光路负方向呈45°，第六全反射镜M10与主光路正方向呈45°，第五全反射镜M9、第六全反射镜M10同时朝向远离或者靠近主光路移动，用于调节第一波长飞秒激光脉冲与第二波长飞秒激光脉冲之间的相对时间延迟，相对时间延迟为2～7ns。

4.根据权利要求3所述的一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，其特征在于所述相对时间延迟为由滑轨相对于延迟为0的位置移动的距离确定，即相对时间延迟为：2d/c，其中d为滑轨移动的距离，c是光速。

5.根据权利要求3所述的一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，其特征在于还包括第一聚焦透镜L1，第一聚焦透镜L1位于第二全反射镜M5与第二透射反射镜M6之间的光路上，用于聚焦激光脉冲形成光丝，第二透射反射镜M6位于第一聚焦透镜L1的焦点上。

6.根据权利要求5所述的一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，其特征在于第一聚焦透镜L1的焦距为4m。

7.根据权利要求3所述的一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，其特征在于还包括第二聚焦透镜L2，第二聚焦透镜L2位于第二全反射镜M10与第四全反射镜M8之间的光路上，用于聚焦激光脉冲形成光丝，第四全反射镜M8位于第二聚焦透镜L2的焦点上。

8.根据权利要求7所述的一种长寿命双色双脉冲飞秒激光产生装置，其特征在于第二聚焦透镜L2的焦距为4m。

Images