CN114924422B - 超快激光脉冲序列调制器及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到超快激光脉冲序列调制器及调制方法。由S方向的激光垂直入射偏振分束器后再入射所述玻片，得到圆偏振光。圆偏振光入射半反半透镜以产生第一和第二束脉冲且第一束脉冲被反射后通过玻片转变成P方向的线偏振光。第二束脉冲透过半反半透镜入射到所述高反射镜，其反射后具有透过所述半反半透镜的第一支路和被半反半透镜反射的第二支路。第二支路在半反半透镜、高反射镜间来回振荡，形成脉冲序列。

Description

超快激光脉冲序列调制器及调制方法

技术领域

本发明主要涉及到超快激光脉冲的生成技术领域，更确切的说，涉及到超快激光脉冲序列调制器及调制方法。

背景技术

随着科技进步，业界对微纳结构的加工在高精度、高质量方面要求越来越高，在这种需求下传统的激光加工方式已经无法满足当下加工需求的要求，长脉冲激光因其加工区域热积累缺陷的存在，无法实现设计与加工实物的匹配统一。超快激光的脉冲宽度极窄且能量密度极高、与材料的作用时间极短，单脉冲能量超强足以使任何材料发生电离，实现非热熔冷加工，从而有效避免热积累效应对微纳结构的影响，进而可以解决普通激光加工技术难以实现的高、精、尖的系列问题。

然而一般的超快激光器本身的脉冲重复频率比较低下，与其对应的脉冲间隔周期一般不短于纳秒量级，所以，如何获得激光脉冲间隔为飞秒到皮秒量级的脉冲序列间隔周期就成为了一个难题。很容易理解，由于飞秒到皮秒量级的时间周期已远超出了当今电子产品频率响应的极限，因此常用的方法是通过光学方法对超快激光脉冲进行调制。

目前已有许多相关的光学调制方法，业界最常见的，例如通过空间光调制器(傅里叶光学调制)和分光合光法，其中空间光调制法是通过对光束界面上每个像素单元进行不同的相位延迟处理，从而达到时间和空间整形的最终目的。但是空间光调制器设备(如成本极为高昂)且能量利用率低下而子脉冲多于五个时无法正常使用。普通分光合光法也可以产生双脉冲调制，但是需要使用两个相互垂直的反射镜的平移来控制光程差，从而改变脉冲之间的延迟量，此方法原理简单，但是光路比较复杂，在调制多个脉冲时，光路对其以及校准会变得尤为困难，并且能量损失非常大。

发明内容

本申请涉及一种超快激光脉冲序列调制器，主要包括偏振分束器、玻片、半反半透镜及高反射镜，其中：

由S方向的激光垂直入射所述偏振分束器后再入射所述玻片，得到圆偏振光；

所述圆偏振光入射所述半反半透镜以产生第一和第二束脉冲；

所述第一束脉冲被反射后通过所述玻片转变成P方向的线偏振光；

所述第二束脉冲透过所述半反半透镜入射到所述高反射镜，其反射后具有透过所述半反半透镜的第一支路和被所述半反半透镜反射的第二支路；

所述第二支路在所述半反半透镜、高反射镜之间来回振荡，形成一系列脉冲序列。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

所述玻片包括四分之一玻片。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

所述第一和第二束脉冲两者的脉冲能量比为1:2。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

限定所述线偏振光的光路方向为垂直通过所述偏振分束器。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

所述第一支路和第二支路两者的脉冲能量比为1:2。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

针对光的入射和反射所定义的平面，所述S方向的激光被限制成：激光的偏振矢量垂直于所述的平面。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

所述偏振分束器的介质分束膜反射S偏振光并透过P偏振光，从而选择性分离S偏振光以及P偏振光，实现S振动方向的线偏振光被反射、所述P方向的线偏振光通过。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

所述半反半透镜基材为N-BK7，其前表面抛光并镀膜、后表面只抛光不镀膜，前表面镀有针对400-800nm波长激光的反射率为50％的宽带介质反射膜。

上述的超快激光脉冲序列调制器，其中：

所述高反射镜、半反半透镜间的位置设成可调节式的，Δt为系列脉冲序列中任意相邻两个子脉冲之间的时间延迟，d为高反射镜与半反半透镜间的距离，c为真空中光速；

所述高反射镜向远离所述半反半透镜的方向水平移动后，它们间距离从d变为L则会使脉冲之间的时间延迟增加：

Δt＝2*L/c＞2*d/c；

所述高反射镜向靠近所述半反半透镜的方向水平移动后，L减少，则会使脉冲之间的时间降低降低：

Δt＝2*L/c＜2*d/c。

本申请还涉及到一种超快激光脉冲序列调制方法，其中：

将S方向的激光垂直入射到一偏振分束器后再入射到一玻片，得到圆偏振光；

将所述圆偏振光入射到一半反半透镜，得到透过所述半反半透镜的光脉冲；

所述光脉冲被一高反射镜反射后，在所述半反半透镜、高反射镜之间来回振荡，籍此形成一系列脉冲序列。

附图说明

为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂，下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照附图后，本发明的特征和优势将显而易见。

图1是S振动方向的超快激光通过偏振分束器的光路示意图。

图2是经偏振分束器的S振动方向的超快激光垂直入射玻片。

图3是带有半反半透镜和高反射镜超快激光脉冲序列调制器。

图4是经过玻片转变为P方向线偏振光垂直通过偏振分束器。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本发明的方案进行清楚完整的阐述，所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。

参见图1，S振动方向的超快激光1垂直入射到偏振分束器2内部，S方向振动的线偏振激光在镀有介质分束膜的棱镜斜面上反射。

参见图2，被反射的S振动方向的超快激光1入射四分之一玻片3表面，使线偏振光转变为圆偏振光4。

参见图3，圆偏振光4入射到特制半反半透镜5上，圆偏振光4经过特制半反半透镜被反射和透射，透射光在高反射镜6与特制半反半透镜5之间来回振荡，形成能量不同的圆偏振光脉冲序列8。圆偏振光4过特制半反半透镜5后使能量再次减半，其中50％能量的圆偏振光被反射，另外50％能量的圆偏振光4透射形成圆偏振光脉冲序列8中的一个子脉冲。图3展示了如何由光的振荡形成能量不同的圆偏振光脉冲序列。

参见图3，高反射镜6由电动平移台控制其移动；所述圆偏振光脉冲序列8的子脉冲延迟与特制半反半透镜5和高反射镜6之间的关系为：相邻两个子脉冲之间的延迟，等于光通过两倍于特制半反半透镜5与高反射镜6之间的光程所需要的时间，其脉冲延迟可用如下公式所示：Δt1＝(2*d+2*s)/c。

参见图3，当高反射镜6发生移动后，其与半反半透镜之间的距离变为L，且当L大于d时脉冲延迟会增加，其可表示为Δt2＝(2*L+2*s)/c＞Δt1。

当L小于d时，其脉冲延迟会降低，其可表示为Δt3＝(2*L+2*s)/c＜Δt1。

其中Δt为两个子脉冲的间隔周期，d为特制半反半透镜5与高反射镜6之间的距离而半反半透镜厚度为s，L为高反射镜6位置移动后与特制半反半透镜5之间的距离以及参数c为真空中的光速。

参见图1，超快激光脉冲序列调制器包括偏振分束器2、玻片3、半反半透镜5及高反射镜6，其中由S方向的激光1垂直入射偏振分束器2后再入射玻片3。

参见图2，的激光1垂直入射偏振分束器2后再入射玻片3得到圆偏振光4。

参见图3，圆偏振光4入射半反半透镜5以产生第一束脉冲和第二束脉冲，第一束脉冲被半反半透镜5反射后(如光线8)通过玻片3转变成P方向的线偏振光9。第二束脉冲透过半反半透镜5入射到高反射镜6，第二束脉冲被高反射镜6反射后具有透过半反半透镜5的第一支路(光路)和被半反半透镜5反射的第二支路(光路)。

参见图3，第二支路在半反半透镜5、高反射镜6之间来回振荡，籍此形成一系列脉冲序列(例如从半反半透镜5射出)。

参见图1，玻片2包括四分之一玻片。

参见图3，第一束脉冲和第二束脉冲两者的脉冲能量比为1:2。

参见图4，限定线偏振光9的光路方向为垂直通过偏振分束器2。

参见图3，第一支路和第二支路两者的脉冲能量比为1:2。

参见图3，针对光的入射和反射所定义的平面，S方向的激光被限制成：激光的偏振矢量垂直于所述平面。

参见图3，关于S偏振光(S-polarization)和P偏振光(P-polarization)，业界对于光的偏振(polarization of light)：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。通常认为只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振现象是光的波动性的很好例证。在垂直于传播方向的平面，包含一切可能方向的横振动，且平均而言任一方向上的具有相同的振幅，这一类别横振动对称于传播方向的光称为自然光也即所谓的非偏振光等叫法。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

参见图4，偏振分束器2的介质分束膜反射S偏振光并透过P偏振光，选择性分离S偏振光及P偏振光，实现S振动方向的线偏振光被反射、P方向的线偏振光通过。

参见图3，半反半透镜5的基材(如材料)为N-BK7，其前表面抛光并镀膜、后表面只抛光不镀膜，前表面镀有针对400-800nm波长激光的反射率为50％的宽带介质反射膜。

参见图3，所述高反射镜、半反半透镜间的位置设成可调节式的。

参见图3，Δt为系列脉冲序列中任意相邻两个子脉冲之间的时间延迟，d为高反射镜与半反半透镜间的距离，c为真空中光速。

参见图3，所述高反射镜向远离所述半反半透镜的方向水平移动后，它们间距离从d变为L则会使脉冲之间的时间延迟增加：Δt＝2*L/c＞2*d/c。

参见图3，所述高反射镜向靠近所述半反半透镜的方向水平移动后，L减少，则会使脉冲之间的时间降低降低：Δt＝2*L/c＜2*d/c。

参见图3，超快激光脉冲序列调制方法，方法主要包括：

将S方向的激光垂直入射到一偏振分束器后再入射到一玻片，得到圆偏振光；

将所述圆偏振光入射到一半反半透镜，得到透过所述半反半透镜的光脉冲；

所述光脉冲被一高反射镜反射后，在所述半反半透镜、高反射镜之间来回振荡，籍此形成一系列脉冲序列。

参见图3，本申请的目的是提供了一种超快激光脉冲序列调制器，以克服目前现有技术存在的不足。本申请目的是通过以下结构来实现的：S振动方向的超快激光1、偏振分束器2、四分之一玻片3、特制半反半透镜5和高反射镜6。

参见图3，S振动方向的超快激光1垂直入射偏振分束器2后，反射后再入射到四分之一玻片3变为圆偏振光4，圆偏振光4垂直入射到特制半反半透镜5后产生两束脉冲能量公比为1/2的脉冲序列。两束脉冲中：其中一束脉冲序列反射后通过四分之一玻片3转变为P方向的线偏振光9，线偏振光9垂直通过偏振分束器2，参见图4。

参见图3，两束脉冲中：相对的另外一束脉冲序列透过半反半透镜5之后垂直入射到高反射镜6上，随后被反射到特制半反半透镜5上。反射到特制半反半透镜5将再次产生两束脉冲能量公比为1/2的脉冲序列，再次产生的两束脉冲中：其中一束脉冲序列透射通过特制半反半透镜5，而相对的另一束脉冲序列则被反射到高反射镜6上，经反射激光在高反射镜6与特制半反半透镜5之间的来回振荡。

参见图3，S振动方向的超快激光1是S方向振动的激光。

参见图3，偏振分束器2通过中间的介质分束膜反射S光透过P光，从而可以选择性分离S偏振光和P偏振光，从而可以实现S振动方向的线偏振光被反射，P振动方向的线偏振光通过。其中，特制半反半透镜5是基地材料为N-BK7，厚度为1mm，前表面抛光后清洗再镀膜，后表面只抛光清洗不镀膜，前表面镀有一层针对400-800nm波长激光的宽带介质反射膜，反射率为50％。

参见图3，特制半反半透镜5是根据所适用的S振动方向的超快激光1波长范围以及脉冲序列中子脉冲能量的分配规律确定其反射率，另外可通过电子束蒸镀等方法在玻璃基底上镀介质膜。

参见图3，高反射镜6是可以移动的，从而可以改变脉冲的时间延迟。相邻两个子脉冲之间的时间延迟，等于在高反射镜与半反半透镜之间，光来回传播所需要的时间，其中当高反射镜向左水平移动后，其与半反半透镜的位置为L，且L＞d，则会使脉冲延迟增加且公式表示如下：Δt＝2*L/c＞2*d/c。

参见图3，高反射镜6靠近半反半透，L减少，脉冲延迟会降低，Δt＝2*L/c＜2*d/c。

参见图3，Δt为生成脉冲序列中相邻两脉冲之间的时间延迟；d为高反射镜与半反半透镜之间的距离；L为高反射镜移动后的距离；c为真空中的光速。

参见图3，超快激光脉冲序列调制器的工作原理是：S振动的线偏振光经超快激光射出后垂直入射到偏振分束器当中，经偏振分束器反射垂直通过四分之一玻片后转变为圆偏振光，随后圆偏振光垂直入射到半反半透镜上，其中一部分圆偏振光被反射到四分之一玻片转换为P振动线偏振光，随后垂直通过偏振分束器；另一部分圆偏振光垂直透射到高反射镜上并被反射到半反半透镜上，并再次分为两束光。

参见图3，再次分为两束光：其中一束光在半反半透镜表面反射经过四分之一玻片转变为P振动的线偏振光，随后垂直通过偏振分束器，其中第一束经过偏振分束器的P振动偏振光与第二束经过偏振分束器的P偏振的偏振光之间的时间延迟相差Δt；另一束圆偏振光透射穿过半反半透镜垂直入射到高反射镜上，其再次被反射到半反半透镜进行分光和反射并以此往复形成来回振荡，从而可产生以脉冲间隔周期为Δt脉冲序列，并且激光脉冲每经过半反半透镜都会发生分光，能量减半，由此可产生脉冲能量公比为1/2、脉冲间隔周期为Δt的脉冲序列，Δt是可通过高反射镜与半反半透镜间的距离进行调节。

参见图3，本发明与现有技术相比具有以下有益效果和优点：

首先本申请仅使用四个光学元器件即可产生一定脉冲间隔周期的脉冲序列，光路校准简单和使光路系统简单化，大大控制了系统成本，提高了系统的稳定性和可靠性。

其次本申请控制半反半透镜和高反射镜之间的距离，就可以控制脉冲序列当中各子脉冲之间的延时，将高反射镜安装在电动位移台上即可控制脉冲之间的延迟，高反射镜和半反半透镜的距离可由微米量级至米量级，对应的脉冲延迟周期为飞秒至纳秒量级。

再者本申请仅控制半反半透镜来产生脉冲的分割，其中可以调节使得半反半透镜反射和透射率比为1:1，使脉冲每经过一次半反半透镜都会被分为能量减半的子脉冲，并且光在传输过程中并无能量损失，所有能量全部转换为脉冲序列能量，并且脉冲序列也可以得到了高效的产生。

其中1代表S方向的超快激光，2代表偏振分束器，3代表四分之一玻片，4代表圆偏振光，5代表半反半透镜，6代表高反射镜，8代表圆偏振光脉冲序列，9代表P方向振动的线偏振光。

如图4所示，圆偏振光脉冲序列(8)经过四分之一玻片(3)后转变为p振动超快线偏振光(9)，p振动的线偏振光(9)垂直穿过偏振分束器(2)，实现多脉冲串的输出。

以上通过说明和附图的内容，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (10)

1.一种超快激光脉冲序列调制器，其特征在于，包括偏振分束器、玻片、半反半透镜及高反射镜，其中：

由S方向的激光垂直入射所述偏振分束器后再入射所述玻片，得到圆偏振光；

所述圆偏振光入射所述半反半透镜以产生第一和第二束脉冲；

所述第一束脉冲被反射后通过所述玻片转变成P方向的线偏振光；

所述第二束脉冲透过所述半反半透镜入射到所述高反射镜，其反射后具有透过所述半反半透镜的第一支路和被所述半反半透镜反射的第二支路；

所述第二支路在所述半反半透镜、高反射镜之间来回振荡，形成一系列脉冲序列。

2.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

所述玻片包括四分之一玻片。

3.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

所述第一和第二束脉冲两者的脉冲能量比为1:2。

4.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

限定所述线偏振光的光路方向为垂直通过所述偏振分束器。

5.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

所述第一支路和第二支路两者的脉冲能量比为1:2。

6.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

针对光的入射和反射所定义的平面，所述S方向的激光被限制成：激光的偏振矢量垂直于所述的平面。

7.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

所述偏振分束器的介质分束膜反射S偏振光并透过P偏振光，从而选择性分离S偏振光以及P偏振光，实现S振动方向的线偏振光被反射、所述P方向的线偏振光通过。

8.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

所述半反半透镜基材为N-BK7，其前表面抛光并镀膜、后表面只抛光不镀膜，前表面镀有针对400-800nm波长激光的反射率为50％的宽带介质反射膜。

9.根据权利要求1所述的超快激光脉冲序列调制器，其特征在于：

所述高反射镜、半反半透镜间的位置设成可调节式的，Δt为系列脉冲序列中任意相邻两个子脉冲之间的时间延迟，d为高反射镜与半反半透镜间的距离，c为真空中光速；

所述高反射镜向远离所述半反半透镜的方向水平移动后，它们间距离从d变为L则会使脉冲之间的时间延迟增加：

Δt＝2*L/c＞2*d/c；

所述高反射镜向靠近所述半反半透镜的方向水平移动后，L减少，则会使脉冲之间的时间降低降低：

Δt＝2*L/c＜2*d/c。

10.一种超快激光脉冲序列调制方法，其特征在于：

将S方向的激光垂直入射到一偏振分束器后再入射到一玻片，得到圆偏振光；

将所述圆偏振光入射到一半反半透镜，得到透过所述半反半透镜的光脉冲；

所述光脉冲被一高反射镜反射后，在所述半反半透镜、高反射镜之间来回振荡，籍此形成一系列脉冲序列。