CN115395361A - 一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，包括二分之一波片、光路偏转装置、第一激光脉冲序列产生装置及第二激光脉冲序列产生装置。本发明基于法布里–珀罗谐振腔的特点，设计了第一、二激光脉冲序列产生装置，且分别将其设置在光路偏转装置的水平光路方向及垂直光路方向；将第一激光脉冲序列产生装置出射的脉冲序列引入第二激光脉冲序列产生装置中，使得每一个子脉冲进一步形成一个子脉冲序列。通过调节两个激光脉冲序列产生装置的腔长，在保证能量利用率的同时大幅提高有效脉冲的数量，且大范围调节脉冲序列的时间间隔。本发明具有结构简单、子脉冲序列时间间隔可调范围大、有效脉冲数多及能量输出效率高的优点。

Description

一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置

技术领域

本发明涉及超快激光脉冲调制技术领域，尤其是一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置。

背景技术

超快激光具有持续时间短、峰值功率高的特点，在与材料相互作用时，能在抑制热效应的同时大大提高加工质量，因此，超快激光加工在微纳结构制造、纳米生物工程等高精度领域都有重要应用。近年来，随着超快激光技术的高速发展，超快激光的脉冲能量、功率迅速提高，加工速度相应提高。然而，高脉冲能量、高功率的超快激光加工容易引起材料崩裂与熔融物飞溅，严重影响了超快激光加工质量。基于烧蚀冷却原理的超快激光脉冲时域整形将超快激光调制为间隔为飞秒至纳秒量级的激光脉冲序列，可以有效提高加工效率，减少烧蚀剩余热效应，提高加工质量。因此，人们发展了多种方法对超快激光进行时域调制。

现有技术，方法一是，基于空间光调制器，采用4f结构的脉冲整形系统产生时域整形超快激光，可以对空间光调制器上各个像素单元进行不同的相位延迟，从而得到子脉冲间隔可调、子脉冲能量可调的激光脉冲序列。这种方法调制方式灵活，但是受限于空间光调制器的像素单元，子脉冲间隔通常小于20 ps，加工效果不能最优化。另外，这种方法的系统成本非常高、稳定性差、调节困难，难以工业推广。

方法二是，基于迈克尔逊干涉仪的分光法，通过级联多个类迈克尔逊干涉仪结构，将双脉冲序列扩展为多个激光脉冲序列，但这种方法光路结构非常复杂，能量比调节困难。

方法三是，基于法布里–珀罗谐振腔的脉冲序列调制方法，超快激光在两个镀有半透半反膜的调制镜片组成的脉冲序列调制器间来回反射与透射，可以得到脉冲间隔可调、能量比可调的激光脉冲序列，但是输出激光脉冲序列为法布里-珀罗腔的透射光，能量输出效率低，只有7%左右，大大限制了法布里–珀罗腔的应用。

综上所述，现有技术的时频域脉冲整形方法存在成本高、光路结构复杂、能量利用率低、有效脉冲数少的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提供的一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，本发明基于法布里–珀罗谐振腔的特点，设计了第一、二激光脉冲序列产生装置，且分别将其设置在光路偏转装置的水平光路方向及垂直光路方向；将第一激光脉冲序列产生装置出射的脉冲序列引入第二激光脉冲序列产生装置中，使得每一个子脉冲进一步形成一个子脉冲序列。通过调节两个激光脉冲序列产生装置的腔长，以获得保证能量利用率的同时大幅提高有效脉冲的数量，且大范围调节脉冲序列的时间间隔。本发明具有结构简单、子脉冲序列时间间隔可调范围大、有效脉冲数多及能量输出效率高的优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，其特点包括二分之一波片、光路偏转装置、第一激光脉冲序列产生装置及第二激光脉冲序列产生装置；

所述光路偏转装置由偏振分束立方体、第一四分之一波片及第二四分之一波片组成；所述偏振分束立方体与第一四分之一波片依次沿水平方向光路连接，偏振分束立方体与第二四分之一波片依次沿垂直方向光路连接；

所述第一激光脉冲序列产生装置由第一平板分束片及第一零度全反镜组成；所述第一平板分束片与第一零度全反镜依次沿水平方向光路连接；

所述第二激光脉冲序列产生装置由第二平板分束片及第二零度全反镜组成；所述第二平板分束片与第二零度全反镜依次沿垂直方向光路连接；

所述二分之一波片、光路偏转装置及第一激光脉冲序列产生装置依次沿水平方向设置，其中，二分之一波片与光路偏转装置的偏振分束立方体及光路偏转装置的第一四分之一波片与第一激光脉冲序列产生装置的第一平板分束片依次沿水平方向光路连接；

所述光路偏转装置及第二激光脉冲序列产生装置依次沿垂直方向设置，其中，光路偏转装置的第二四分之一波片与第二激光脉冲序列产生装置的第二平板分束片依次沿垂直方向光路连接。

所述第一平板分束片的透射、反射比为：1∶9、2∶8、3∶7、4∶6或5∶5。

所述第二平板分束片的透射、反射比为：1∶9、2∶8、3∶7、4∶6或5∶5。

所述第一激光脉冲序列产生装置的第一平板分束片与第一零度全反镜之间的间距d可调，其可调范围为：0.15～225 mm。

所述第二激光脉冲序列产生装置的第二平板分束片与第二零度全反镜之间的间距D可调，其可调范围为：0.15～450 mm。

本发明与现有技术相比具有以下有益的技术效果和优点：

本发明保留法布里–珀罗谐振腔的优点，将腔内的第二块分束片设计为零度全反镜，即本发明的第一激光脉冲序列产生装置由第一平板分束片及第一零度全反镜组成，所述第一平板分束片与第一零度全反镜依次沿水平方向光路连接，且第一平板分束片与第一零度全反镜相互平行设置，其间的腔长间距为d；

同样，本发明的第二激光脉冲序列产生装置由第二平板分束片及第二零度全反镜组成，所述第二平板分束片与第二零度全反镜依次沿垂直方向光路连接，且第二平板分束片与第二零度全反镜相互平行设置，其间的腔长间距为D；

本发明将第一激光脉冲序列产生装置中的第一平板分束片与第一零度全反镜之间的腔长间距设为d，将第二激光脉冲序列产生装置的第二平板分束片与第二零度全反镜之间的腔长间距设为D；当调节腔长间距D与腔长间距d时，子脉冲序列时间间隔可调范围可达1ps~ 1500 ps。而传统4f结构的脉冲整形系统激光脉冲频率的调节范围仅0.25 ps至16.2 ps。本发明具有子脉冲序列时间间隔可调范围大的优点。

本发明在第一激光脉冲序列产生装置由第一平板分束片及第一零度全反镜组成，第二激光脉冲序列产生装置由第二平板分束片及第二零度全反镜组成，本发明第一零度全反镜与第二零度全反镜的设置，使得激光脉冲序列反射与透射的总反射率大幅提高，由于，超快激光脉冲序列的输出能量效率由激光脉冲序列产生装置的总反射率决定，为此，本发明的能量效率得以提升，经测本发明能量效率可大于90%。

在飞秒激光加工技术领域，提高加工效率需要提高激光重复频率与激光脉冲能量，本发明在能量效率达90%的同时，子脉冲间隔可调范围相比传统4f结构的脉冲整形系统扩大至1500 ps，并且在单个脉冲序列中第5个子脉冲相对最大子脉冲衰减率由95%降低至41%，大大增加了有效子脉冲的数量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括二分之一波片1、光路偏转装置100、第一激光脉冲序列产生装置200及第二激光脉冲序列产生装置300；

所述光路偏转装置100由偏振分束立方体2、第一四分之一波片3及第二四分之一波片6组成；所述偏振分束立方体2与第一四分之一波片3依次沿水平方向光路连接，偏振分束立方体2与第二四分之一波片6依次沿垂直方向光路连接；

所述第一激光脉冲序列产生装置200由第一平板分束片4及第一零度全反镜5组成；所述第一平板分束片4与第一零度全反镜5依次沿水平方向光路连接；

所述第二激光脉冲序列产生装置300由第二平板分束片7及第二零度全反镜8组成；所述第二平板分束片7与第二零度全反镜8依次沿垂直方向光路连接；

所述二分之一波片1、光路偏转装置100及第一激光脉冲序列产生装置200依次沿水平方向设置，其中，二分之一波片（1）与光路偏转装置

的偏振分束立方体2及光路偏转装置100的第一四分之一波片3与第一激光脉冲序列产生装置200的第一平板分束片4依次沿水平方向光路连接；

所述光路偏转装置100及第二激光脉冲序列产生装置300依次沿垂直方向设置，其中，光路偏转装置100的第二四分之一波片6与第二激光脉冲序列产生装置300的第二平板分束片7依次沿垂直方向光路连接。

本发明设置过程如下：

1）、参阅图1，将二分之一波片1、光路偏转装置100第一激光脉冲序列产生装置200及第二激光脉冲序列产生装置300分别在光学镜架上进行安装。

2）、参阅图1，输入超快激光脉冲依次入射二分之一波片1和偏振分束立方体2，旋转二分之一波片1，使得偏振分束立方体2后的激光功率最大，此时超快激光偏振已由二分之一波片调整为p偏振光。

3）、参阅图1，在偏振分束立方体2后设置第一四分之一波片3，使得激光入射第一四分之一波片3，旋转第一四分之一波片3，使其快轴和p偏振方向呈45°。

4）、参阅图1，在第一四分之一波片3后设置第一平板分束片4，使得激光入射第一平板分束片4，第一平板分束片4的反射光经由第一四分之一波片3被偏振分束立方体2反射，与输入光方向呈90°。

5）、参阅图1，将第一零度全反镜5固定在电动平移台上，设置于第一平板分束片4后，使得激光入射第一零度全反镜5，第一零度全反镜5的反射光经由第一平板分束片4分束，其透射光经由第一四分之一波片3被偏振分束立方体2反射，与输入光方向呈90°夹角；第一零度全反镜5方向使从偏振分束立方体2）反射的光斑共点，第一激光脉冲序列产生装置200的安装完成。

6）、参阅图1，利用电动平移台调节第一平板分束片4和第一零度全反镜5之间的距离，从而调节脉冲序列内相邻两个子脉冲之间的延迟时间。

7）、参阅图1，在偏振分束立方体2另一侧设置第二四分之一波片6，使得激光入射第二四分之一波片6，旋转第二四分之一波片6，使其快轴和s偏振方向呈45°夹角。光路偏转装置100的安装完成。

8）、参阅图1，在第二四分之一波片6后设置第二平板分束片7，使得激光入射第二平板分束片7，第二平板分束片7的反射光经由第二四分之一波片6从偏振分束立方体2透射。

9）、参阅图1，将第二零度全反镜8固定在电动平移台上，设置于第二平板分束片7后，使得激光入射第二零度全反镜8；第二零度全反镜8的反射光经由第二平板分束片7分束，其透射光经由第二四分之一波片6从偏振分束立方体2透射。调节第二零度全反镜8方向使从偏振分束立方体2透射的光斑共点，第二激光脉冲序列产生装置300的安装完成。

10）、参阅图1，利用电动平移台调节第二平板分束片7和第二零度全反镜8之间的距离，从而调节脉冲序列内相邻两个子脉冲之间的延迟时间。

实施例

参阅图1，本实施例选用Light Conversion公司的PHAROS飞秒激光器，出射脉冲中心波长为1030 nm，脉宽为169 fs，重复频率设为1 kHz，单脉冲能量为1mJ的线偏振飞秒激光；

本实施例第一平板分束片4的透射、反射比选为：4：6；第二平板分束片7的透射、反射比为： 4：6；

本实施例第一激光脉冲序列产生装置200的第一平板分束片4与零度全反镜5之间的腔长间距d为7.5 mm；第二激光脉冲序列产生装置300的第二平板分束片7与第二零度全反镜8之间的腔长间距D为15 mm；设定D为d的两倍，即D=2*d。

参阅图1，工作时，单个线偏振飞秒激光沿水平方经过二分之一波片1调整为p偏振光，入射所述光路偏转装置100，经偏振分束立方体2透射至快轴与p偏振光方向呈45°的第一四分之一波片3，调整为圆偏振光，随后进入所述第一激光脉冲序列产生装置200，经过透射、反射比为：4：6的第一平板分束片4，在第一平板分束片4与第一零度全反镜5之间多次反射与透射，产生子脉冲时间间隔为50 ps的第一脉冲序列；

第一脉冲序列入射所述光路偏转装置100，经第一四分之一波片3调整为s偏振光，经偏振分束立方体2反射至快轴与s偏振光方向呈45°的第二四分之一波片6，调整为圆偏振光，进入所述第二激光脉冲序列产生装置300，进行脉冲序列再调制，经过透射、反射比为4：6的第二平板分束片7，第一脉冲序列中的每个子脉冲在第二平板分束片7与第二零度全反镜8之间多次反射与透射，最终从第二平板分束片7处输出，此时，每个子脉冲被独立调制为一簇时间间隔为100ps的子脉冲序列，第一脉冲序列因此被调制为多簇子脉冲序列，时序上相邻簇的时间间隔为50 ps，簇内子脉冲间隔为100ps，最终形成了第二脉冲序列，由于相邻簇间时间间隔为50 ps，因此第二脉冲序列的子脉冲间隔为50 ps；

第二脉冲序列最后经第二四分之一波片6调整为p偏振光，并经偏振分束立方体2沿垂直方向透射输出。

参阅图1， 当第二激光脉冲序列产生装置300与第一激光脉冲序列产生装置200的腔长间距 D=2*d时，第一平板分束片4与第二平板分束片7的透射、反射比均选为：4：6时；所得飞秒激光脉冲序列能量从第一个子脉冲往后依次为160 μJ、144 μJ、201.6 μJ、152.6 μJ、118.7 μJ、... ...；至少有5个子脉冲能量大于100.8 μJ。

参阅图1，本实施例产生的第二脉冲序列中，第五个子脉冲与首个子脉冲相比，该子脉冲序列中的衰减率只有41.1%；而在传统法布里-珀罗腔的透射光产生脉冲序列产生装置下，第二个子脉冲相比最大能量的子脉冲的衰减率就已达64%，其第五个子脉冲相比最大能量的子脉冲衰减率甚至达95.3%，本发明具有显著的能量输出效率高且有效脉冲数多的优点。

参阅图1，本实施例的脉冲序列再调制是这样实现的：经光路偏转装置100调整后的圆偏振光，进入所述第一激光脉冲序列产生装置200后，产生脉冲间隔为Δt的第一脉冲序列，再经过光路偏转装置100后，进入所述第二激光脉冲序列产生装置300，对序列中每个子脉冲进行再调制，第一脉冲序列因此被调制为多簇子脉冲序列，每个子脉冲被调制为间隔为2*Δt的激光子脉冲序列，由于簇内子脉冲间隔正好为簇间时间间隔的2倍，不同簇间的子脉冲在时序上交叠（如第一簇内的第二子脉冲与第三簇内的第一子脉冲交叠，等等），最终形成了第二脉冲序列。

以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，其特征在于，它包括二分之一波片（1）、光路偏转装置（100）、第一激光脉冲序列产生装置（200）及第二激光脉冲序列产生装置（300）；

所述光路偏转装置（100）由偏振分束立方体（2）、第一四分之一波片（3）及第二四分之一波片（6）组成；所述偏振分束立方体（2）与第一四分之一波片（3）依次沿水平方向光路连接，偏振分束立方体（2）与第二四分之一波片（6）依次沿垂直方向光路连接；

所述第一激光脉冲序列产生装置（200）由第一平板分束片（4）及第一零度全反镜（5）组成；所述第一平板分束片（4）与第一零度全反镜（5）依次沿水平方向光路连接；

所述第二激光脉冲序列产生装置（300）由第二平板分束片（7）及第二零度全反镜（8）组成；所述第二平板分束片（7）与第二零度全反镜（8）依次沿垂直方向光路连接；

所述二分之一波片（1）、光路偏转装置（100）及第一激光脉冲序列产生装置（200）依次沿水平方向设置，其中，二分之一波片（1）与光路偏转装置（100）的偏振分束立方体（2）及光路偏转装置（100）的第一四分之一波片（3）与第一激光脉冲序列产生装置（200）的第一平板分束片（4）依次沿水平方向光路连接；

所述光路偏转装置（100）及第二激光脉冲序列产生装置（300）依次沿垂直方向设置，其中，光路偏转装置（100）的第二四分之一波片（6）与第二激光脉冲序列产生装置（300）的第二平板分束片（7）依次沿垂直方向光路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，其特征在于，所述第一平板分束片（4）的透射、反射比为：1∶9、2∶8、3∶7、4∶6或5∶5。

3.根据权利要求1所述的一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，其特征在于，所述第二平板分束片（7）的透射、反射比为：1∶9、2∶8、3∶7、4∶6或5∶5。

4.根据权利要求1所述的一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，其特征在于，所述第一激光脉冲序列产生装置（200）的第一平板分束片（4）与第一零度全反镜（5）之间的间距d可调，其可调范围为：0.15～225 mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于法布里–珀罗谐振腔产生超快激光脉冲序列的装置，其特征在于，所述第二激光脉冲序列产生装置（300）的第二平板分束片（7）与第二零度全反镜（8）之间的间距D可调，其可调范围为：0.15～450 mm。

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