CN112366498B - 气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源及其检测系统 - Google Patents

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    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering

Abstract

本发明公开了一种气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，包括：超快激光器、高压电源、与该高压电源相连接的金属电极，以及沿该超快激光器出射激光方向放置的聚焦透镜及其检测系统，基于外加电场对超快激光气体等离子体光丝通道内自由电子的静电作用，来调控通过光丝产生的超连续谱激光，获得具有高稳定、高重频、高能量的超快、超连续谱相干光源。本发明对于基于超连续白光激光的应用，如远程大气探测、超短激光脉冲压缩、大容量信息通讯以及超快激光光谱等应用，有着极其重要的意义。

Description

气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源及其检测系统
技术领域
本发明涉及外加电场与超快激光气体中非线性成丝耦合以及基于超快强激光成丝产生超连续谱激光，基于外加电场对超快激光光丝内等离子体的调控作用，从而控制光丝超连续谱激光的产生，并对超连续谱激光的指向稳定性和强度稳定性进行检测。
背景技术
超快强激光脉冲在光学透明介质中传播时，由于光强依赖的自相位调制非线性效应会使得激光脉冲的光谱得到展宽，即产生超连续谱光源。超连续谱可覆盖从紫外到红外波长波段，并且具有良好的相干性，因此也称为“白光”激光。随着超连续谱激光的发现与发展，它在许多方面得到创新应用，例如超快激光脉冲的产生和压缩、高精度的光学频率和时间计量、大容量信息通信、超快激光光谱和成像等。
在这些应用中，超连续谱光源主要在固体材料和光子晶体光纤中产生，由于固态材料的损伤阈值低，限制了超连续谱光源的脉冲能量。通过超快强激光在气体中非线性成丝过程来产生超连续谱光源，其能量可以不受传输介质损伤阈值的限制，获得大能量的超连续谱激光。但是，超快强激光气体成丝超连续谱光源存在一个瓶颈问题，即当成丝激光重复频率大于100赫兹时，成丝过程中自身热效应会超连续谱光源的空间指向稳定性和强度稳定性变差，激光重复频率越高，该效应越显著。这是基于高重频光丝的产生超连续谱光源面临的难题，也限制了它的应用。
发明内容
本发明的目的是针对传统产生超快相干超连续谱光源方法的不足与局限性，提出了一种气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源及其检测系统。本方法利用超快强激光在气体(如空气)中成丝来产生高能量超连续光源，并利用外加电场对光丝内等离子体的调控作用，来提升超连续谱激光的空间指向稳定性和强度稳定性。超快光丝内部电子与离子复合会产生热，这是光丝自身热效应的来源，而在外加电场作用下，光丝内电子与离子复合几率降低，因此光丝由于自身热效应造成的扰动减小；其次，外加电场可以增强光丝内电离程度，使得光丝维持在较稳定的等离子体密度水平并且长度变长，从而产生强度更稳定、光谱覆盖范围更宽的相干超连续谱光源。
本发明的技术解决方案如下：
第一方面，本发明提供一种气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，包括：超快激光器、高压电源、与该高压电源相连接的金属电极，以及沿该超快激光器出射激光方向放置的聚焦透镜；
所述的超快激光器出射激光经聚焦透镜聚焦后在气体中成丝，形成超快激光光丝；
所述的金属电极靠近成丝区域，通过改变高压电源的电压，使所述的金属电极处静电场大小发生改变，电极处电场作用下的超快激光光丝产生超连续谱激光，即为目标光束。
进一步地，超快激光器可以是钛宝石超快激光器、掺Yb3+全固态超快激光器、光纤超快激光器等，重复频率大于100赫兹，脉冲宽度在fs到ps量级，产生激光脉冲要足够强，以致于可以在气体环境中的自聚焦成丝并产生超连续谱激光。
所述的金属电极，可以为尖端电极、尖端金属电极线性阵列、楔状金属电极等，通过与高压电源连接产生静态外加电场，并将外加电场加载在超快激光光丝上，高压电源可以为正高压或者负高压电源。
另一方面，本发明提供了一种上述低抖动高强度超连续谱光源的检测系统，包含漫反射屏、成像仪器、收集透镜、光纤探头、光谱仪；
所述漫反射屏用于接收气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源；
所述成像仪器可以为真彩成像仪器、CCD、sCMOS等激光波长强度敏感成像仪器，用于拍摄气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源的空间抖动；
所述收集透镜材料为紫外熔融石英，收集透镜的数值孔径保证聚焦点的面积小于1mm2，用于收集气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源在漫反射屏上的散射光，并将其耦合进入光纤；
所述光纤将进入其中的光信号输送进入光谱仪；
所述的光谱仪用于分析进入其中的激光光谱成分和强度，检测分析气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源光谱强度的抖动。
与现有技术相比，本发明的优点：
基于超快强激光自相位调制产生超连续谱光源的技术，当介质为固体材料和光子晶体光纤时，因受限于介质的损伤阈值，无法产生高能量的超连续谱光源；当介质为气体时，由于光丝自身热效应产生的扰动，而无法产生稳定的高重复频率的超连续谱光源。
利用超快强激光在空气中成丝产生超连续谱光源，并且使用外加电场提升了超连续谱光源的空间指向稳定性和强度稳定性。除了空气，该方法也适用于其他气体。
光路简单，实施便捷，应用实例中对于7.4mJ，32fs，中心波长800nm的钛宝石激光成丝，可产生重复频率为1kHz,能量为3.5mJ的稳定的超连续谱白光激光，且在外加电场作用下超连续谱白光光源的空间指向稳定性以及强度稳定性均可提升两倍。由于电极形状以及光路的可变性，调整泵浦激光条件、聚焦条件以及外加电场与光丝间耦合效率，从而产生更高强度、高重复频率、具有更好指向稳定性以及强度稳定性的超连续谱激光光源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的高稳定、高重频、高能量的超快、超连续谱相干光源的结构示意图；
图2为本发明提供的一种检测系统；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细介绍，但不应以此限制本发明的保护范围：
如图1所示，气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源的结构示意图，其构成包括：超快激光器1、聚焦透镜2、金属电极3、高压电源6；所述的超快激光器1用于产生的初始激光脉冲，并经透镜2聚焦后，在金属电极3附近形成超快激光光丝；成丝后可产生超连续谱光源；所述的金属电极3与高压电源6相连，用于产生静态电场并将电场加载在超快激光光丝上，用于提升超连续谱光源的空间指向稳定性以及强度稳定性，在气体中得到低抖动高强度超连续谱光源12；所获得的低抖动高强度超连续谱光源12即为目标光束，光谱范围覆盖350-1000nm。
其中所述的超快激光器，其产生光源的中心波长为800nm，脉冲宽度为32fs，重复频率为1kHz，产生单脉冲能量为8mJ。也可以是其他增益介质材料的高重频超快激光器，激光器输出激光脉冲满足可以在空气中或其他气体中成丝并产生超连续谱激光即可。
其中所述的聚焦透镜2焦距为50cm，也可根据用户需求更换为不同焦距透镜或透镜组，用以产生不同长度的飞秒激光光丝；
其中所述的金属电极3，为尖端电极，其尖端曲率半径为0.64mm，通过与高压电源连接产生外加电场，并将外加电场加载在超快激光光丝上，电极尖端与超快激光光丝之间的距离约为1mm。金属电极3安装在绝缘转换体4上，与绝缘塑料螺杆5的一端固定连接，该绝缘塑料杆5的另一端固定于接地的工作台上，所述的金属电极3通过高压电缆与所述的高压电源9相连；所述金属电极3几何形状可根据用户需求进行更改，在本实施例中不做限定。
综上，本实例提供的气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，利用超快激光器提供泵浦激光源，产生超快激光脉冲并经聚焦透镜在气体中成丝，得到超连续谱激光光源，利用外加电场与超快激光光丝之间的耦合作用，提升了超连续谱光源的空间指向稳定性和强度稳定性。克服了传统技术的缺点，不再受介质损伤阈值限制与光丝自身热效应扰动影响。光路简单，实施便捷，应用实例中可产生高重复频率、高能量、具有较高空间指向稳定性以及强度稳定性的超连续谱激光光源。
参见图2，为本发明提供的一种检测系统，该系统可用于检测超连续谱激光光源空间指向稳定性以及光谱特征，包含漫反射屏7、成像仪器8、收集透镜9、光纤探头10、光谱仪11；
所述漫反射屏7用于接收目标光束12；
所述成像仪器8用于拍摄气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源12在漫反射屏上的投射光斑，记录动态视频，对所有拍摄视频进行分帧处理并记录光斑位置，可得到超连续谱光源空间抖动特性；成像仪器也可以用CCD、sCMOS等激光波长强度敏感成像仪器。
所述收集透镜尺寸9为50.8mm，焦距为6cm，用于收集气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源在漫反射屏上的散射光；
所述光纤探头10，用于探测散射光，并将其耦合进入光纤；
所述光纤，用于将光信号输送进入光谱仪11；
所述的光谱仪11用于分析进入其中的光信号，其探测范围为200-1100nm，光谱分辨率为0.02nm，在固定实验下，采集多次光谱并对光谱强度进行积分，即可得到超连续光谱强度的稳定特。
本发明利用外加电场与超快激光非线性成丝内等离子体耦合作用，可以实现不同条件下，产生高稳定、高重频、高能量的超快、超连续谱相干光源，对于超连续谱激光的实际应用具有重要意义。

Claims (8)

1.气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，其特征在于，包括：超快激光器(1)、高压电源(6)、与该高压电源(6)相连接的金属电极(3)，以及沿该超快激光器(1)出射激光方向放置的聚焦透镜(2)；
所述的超快激光器(1)出射激光经聚焦透镜(2)聚焦后在气体中成丝，形成超快激光光丝；
所述的金属电极(3)与高压电源(6)连接产生静态外加电场，并将外加电场加载在超快激光光丝上，通过改变高压电源(6)的电压，使所述的金属电极(3)处静电场大小发生改变，使外加电场与超快激光气体中非线性成丝耦合，基于外加电场对超快激光光丝内等离子体的调控作用，控制超快激光光丝产生超连续谱激光，即为目标光束(12)，并提升超连续谱激光的空间指向稳定性和强度稳定性。
2.根据权利要求1所述的气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，其特征在于，还包括绝缘组件，所述的金属电极(3)固定在该绝缘组件一端，该绝缘组件的另一端固定于接地的工作平台上。
3.根据权利要求2所述的气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，其特征在于，所述的绝缘组件由绝缘支架(4)与绝缘塑料杆(5)连接而成，所述的金属电极(3)固定在绝缘支架(4)上。
4.根据权利要求1-3任一所述的气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，其特征在于，所述的超快激光器(1)是钛宝石超快激光器、掺Yb3+全固态超快激光器、光纤超快激光器，重复频率大于100赫兹，脉冲宽度在fs到ps量级，产生激光脉冲要足够强，能够在气体环境中的自聚焦成丝并产生超连续谱激光。
5.根据权利要求1-3任一所述的气体中产生的低抖动高强度超连续谱光源，其特征在于，所述的金属电极(3)为尖端金属电极线性阵列或楔状金属电极，通过与高压电源(6)连接产生静态外加电场，并将外加电场加载在超快激光光丝上，高压电源可以为正高压或者负高压电源。
6.一种检测系统，其特征在于，包含漫反射屏(7)、成像仪器(8)、收集透镜(9)、光纤探头(10)和光谱仪(11)，该光纤探头(10)通过光纤与光谱仪(11)相连；
权利要求1产生的目标光束(12)入射到所述漫反射屏(7)，发生漫反射，并形成光斑；
所述成像仪器(8)用于拍摄光斑，检测气体中产生的低抖动高强度超连续谱相干光源的空间抖动；
所述收集透镜(9)，用于收集经漫反射屏漫反射形成散射光；
所述光纤探头(10)，用于探测散射光，并将其耦合进入光纤；
所述光纤，用于将光信号输送进入光谱仪；
所述的光谱仪(11)，用于分析光信号的成分和强度，检测分析气体中产生的低抖动高强度超连续谱相干光源光谱强度的抖动。
7.根据权利要求6所述的一种检测系统，其特征在于，所述收集透镜(9)材料为紫外熔融石英，收集透镜的数值孔径保证聚焦点的面积小于1mm2。
8.根据权利要求6所述的一种检测系统，其特征在于，所述成像仪器(8)为真彩成像仪器、CCD、sCMOS激光波长强度敏感成像仪器。
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