CN115793265A - 基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是解决现有针对超短激光脉冲的任意时空整形系统及方法存在需要根据输入光场和目标光场特殊定制零色散压缩器中的超表面和整形后误差较大的技术问题，而提供了一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统及方法。该方法超短激光脉冲依次入射至第一微型反射镜阵列、第一4f系统和第一光栅进行色散，调整第一微型反射镜阵列中微型反射镜的偏转角，使得色散后在空间光调制器上形成的光斑不重合，对入射元光束间隙空间和光谱分辨的相位和强度调制，调制后入射至第二光栅进行色散补偿，补偿后的入射至第二微型反射镜阵列，调整第二微型反射镜阵列中微型反射镜的偏转角度进行角度补偿，最后输出完成任意时空整形后的超短激光脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统及方法。
背景技术
超短激光脉冲目前已经广泛应用于强场物理、超精密加工、信息科学等领域，而通过对超短激光脉冲的时空整形能够为上述领域提供全新的技术手段。此外，超短激光脉冲的时空整形也能够实现激光放大系统所造成的时空耦合预补偿，保障激光脉冲的可聚焦性。
目前，超短激光的时间整形和空间整形技术较为成熟，例如可以通过空间光调制器、衍射元件等进行空间整形，也可以通过可编程声光滤波器、位于零色散压缩器傅里叶面的空间光调制器等进行时间整形。但是超短激光的任意时空整形要求需要对激光脉冲的不同横向位置均进行任意的时间整形，其无法通过时间整形系统和空间整形系统的组合实现，具有极高的技术难度。近期，人们提出使用超表面结合零色散压缩器进行超短激光的任意时空整形，但是存在两方面的困难：其一需要根据输入光场和目标光场定制位于零色散压缩器中4f系统的焦平面处的超表面，如果输入光场或者目标光场改变之后就需要重新设计和加工超表面；其二，存在较大的整形误差。
发明内容
本发明的目的是解决现有针对超短激光的任意时空整形系统及方法，存在需要根据输入光场和目标光场特殊定制位于零色散压缩器中4f系统的焦平面处的超表面，如果输入光场或者目标光场改变之后就需要重新设计和加工超表面，导致其适应性较差、成本增加，以及整形后误差较大的技术问题，而提供了一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统及方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的第一微型反射镜阵列、第一4f系统、第一光栅、第三凹面镜、空间光调制器、第四凹面镜、第二光栅、第二4f系统以及第二微型反射镜阵列；
所述第一微型反射镜阵列和第二微型反射镜阵列均由m×n个微型反射镜构成；m≥1，n≥1，且m、n均为整数；
所述空间光调制器位于第三凹面镜与第四凹面镜的焦平面处；所述第一光栅和第二光栅分别位于第三凹面镜和第四凹面镜的焦点处，且第一光栅和第二光栅的光学参数相同；
超短激光脉冲经第一微型反射镜阵列中微型反射镜的调整偏转角并反射后，依次入射至第一微型反射镜阵列、第一4f系统和第一光栅，经第一光栅色散后依次入射至第三凹面镜和空间光调制器，在空间光调制器进行相位和强度调制，调制后的超短激光脉冲透射后入射至第四凹面镜反射，再入射至第二光栅进行色散补偿，补偿后的超短激光脉冲入射至第二4f系统反射，反射后入射至第二微型反射镜阵列，通过调整第二微型反射镜阵列中微型反射镜的偏转角度，输出完成任意时空整形后的超短激光脉冲；
所述第二微型反射镜阵列中微型反射镜的偏转角度与第一微型反射镜阵列中相对应位置的微型反射镜的偏转角偏转方向相反。
进一步地，所述第一4f系统和第二4f系统由相对的凹面镜或消色差透镜构成。
进一步地，所述第一4f系统由第一凹面镜和第二凹面镜组成，第二4f系统由第五凹面镜和第六凹面镜组成。
进一步地，所述第一微型反射镜阵列和第二微型反射镜阵列中的微型反射镜上根据使用脉冲波长范围在其上镀金属膜或多层介质膜。
进一步地，所述第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、第四凹面镜、第五凹面镜和第六凹面镜上镀有金属膜或多层介质膜。
进一步地，所述第一光栅和第二光栅为反射式光栅或者透射式光栅。
本发明还提供了一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建上述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，开启脉冲激光；
步骤2、根据第一光栅的参数，向第一微型反射镜阵列中的各个微型反射镜在x轴和y轴施加不同的偏转角，形成不同方向传输的m×n个元光束；
步骤3、m×n个元光束偏转后，脉冲激光在空间光调制器形成p×q个狭长光斑，p×q个狭长光斑的位置为：
其中，f为第三凹面镜的焦距；Δθx和Δθy分别为m×n个元光束中心波长光束绕x轴和y轴的角度改变量；
步骤4、根据空间光调制器上的狭长型光斑位置，调整第一微型反射镜阵列中的各个微型反射镜的偏转角，使得空间光调制器上的狭长型光斑互不重合；
步骤5、利用空间光调制器对每个狭长型光斑不同位置的光场分别进行强度和相位调制，进而实现对每个元光束的光谱和相位的调制；
步骤6、保证第二光栅与第一光栅具有相同的参数，对第一光栅引入的角色散进行完全补偿；
步骤7、向第二微型反射镜阵列中m×n个微型反射镜施加以与第一微型反射镜阵列相对应位置的微型反射镜相反的偏转角，使得角度补偿后的各个元光束完全平行；
步骤8、得到完成任意时空整形后的输出激光脉冲。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，结合微型反射镜阵列和4f成像系统，可以对光束进行空间和光谱分辨的相位和强度调制，从而实现对超短激光脉冲的任意时空整形。
2、本发明提供的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形方法，能够根据不同输入光场和目标光场对空间光调制器设计不同调制方案，从而实现可编程时空整形。
3、本发明提供的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，无需特殊定制超表面，结构简单，能够对输入光场进行空间分辨的光谱和相位整形，互相之间不存在干扰，可实现高时空精度整形。
附图说明
图1为本发明基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统实施例的示意图；
图2为本发明实施例中微型反射镜阵列结构示意图；
图3为本发明实施例中不同的元光束在空间光调制器形成对应不同的狭长光斑的示意图；
附图标记：
1-第一微型反射镜阵列，2-第一凹面镜，3-第二凹面镜，4-第一光栅，5-第三凹面镜，6-空间光调制器，7-第四凹面镜，8-第二光栅，9-第五凹面镜，10-第六凹面镜，11-第二微型反射镜阵列。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统包括沿光路依次设置的第一微型反射镜阵列1、第一4f系统、第一光栅4、第三凹面镜5、空间光调制器6、第四凹面镜7、第二光栅8、第二4f系统、第二微型反射镜阵列11。
第一微型反射镜阵列1由m×n个微型反射镜构成，其中的微型反射镜可根据使用脉冲波长范围在其上选择镀金属膜或多层介质膜，以提高反射率。当超短激光脉冲入射至第一微型反射镜阵列1，阵列中的每个微型反射镜分别绕x轴和y轴旋转不同角度，将入射的激光脉冲变为不同方向传输的元光束，如图2所示，经第一微型反射镜阵列1反射后形成不同方向传输的m×n个元光束，因此时空整形的空间像元数为m×n，m≥1，n≥1，且m、n均为整数。
第一4f系统和第二4f系统由相对的凹面镜或消色差透镜构成。本实施例中，第一4f系统和第二4f系统均由两个相对设置的凹面镜组成，第一4f系统由第一凹面镜2和第二凹面镜3组成，第二4f系统由第五凹面镜9和第六凹面镜10组成。空间光调制器6位于第三凹面镜5与第四凹面镜7的焦平面处。
第一微型反射镜阵列1反射的m×n个元光束入射至第一4f系统反射后，入射至第一光栅4，由于光栅对不同波长的光束具有不同衍射方向，因此，当元光束入射至第一光栅4后，形成了角色散。色散后的元光束入射至第三凹面镜5反射，第一光栅4设置在第三凹面镜5的焦点处，经第三凹面镜5反射后，不同波长的元光束被聚焦至焦平面处的空间光调制器6之上，由于第一光栅4引入了角色散，因此，每个微型反射镜所反射的元光束在空间光调制器的工作区域内呈狭长型光斑，每个微型反射镜阵列施加不同的偏转角，因此不同的元光束在空间光调制器是对应不同的狭长光斑，如图3所示，狭长光斑的个数为p×q＝m×n。
通过调整每个微型反射镜的角度，经过第一光栅4角色散后，元光束中心波长光束绕x轴和y轴的角度改变量分别为Δθx和Δθy，聚焦后在空间光调制器上的在x轴和y轴上位置改变量分别为：
其中，f为第三凹面镜5的焦距。
因此，当第一光栅4参数一定时，通过选择合适的微型反射镜的偏转角度，可以让各个元光束在空间光调制器6上的狭长型光斑互不重合。
各个元光束经空间光调制器6透射后入射至第四凹面镜7反射，反射后的各个元光束入射至第二光栅8。第二光栅8位于第四凹面镜7的焦点处，第二光栅8与第一光栅4具有相同的参数，可以对第一光栅4引入的角色散进行完全补偿。色散补偿后的元光束入射至第二4f系统，经第二4f系统反射后入射至第二微型反射镜阵列11，经第二微型反射镜阵列11反射后输出。
第二微型反射镜阵列11也由m×n个微型反射镜构成，向每个微型反射镜施加以与第一微型反射镜阵列1相对应位置的微型反射镜相反的偏转角，继而可以将第一微型反射镜阵列1对激光脉冲改变的角度进行完全补偿，补偿后的各个元光束完全平行。输出的每个元光束相对于输入时的激光脉冲经过空间光调制器6对不同波长的波前和光强的分别调制，因此输出激光脉冲完成了像元数为m×n个元光束的时空调制。
本实施例中，所有的凹面镜可根据使用脉冲波长范围选择金属膜或多层介质膜，提高反射率。空间光调制器6可以采用透射式或反射式液晶空间光调制器。第一光栅4和第二光栅8可以采用反射式或者透射式光栅。
利用上述基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统的超短激光脉冲任意时空整形方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，开启脉冲激光；
步骤2、根据第一光栅4的参数，向第一微型反射镜阵列1中的各个微型反射镜在x轴和y轴施加不同的偏转角，形成不同方向传输的m×n个元光束；
步骤3、m×n个元光束偏转后脉冲激光在空间光调制器6形成的p×q个狭长光斑的位置；
其中，f为第三凹面镜5的焦距；Δθx和Δθy分别为m×n个元光束中心波长光束绕x轴和y轴的角度改变量；
步骤4、根据空间光调制器6上的狭长型光斑位置，调整第一微型反射镜阵列1中的各个微型反射镜的偏转角，使得空间光调制器6上的狭长型光斑互不重合；
步骤5、利用空间光调制器6对每个狭长型光斑不同位置的光场分别进行强度和相位调制，进而实现对每个元光束的光谱和相位的调制；
步骤6、保证第二光栅8与第一光栅4具有相同的参数，对第一光栅4引入的角色散进行完全补偿；
步骤7、向第二微型反射镜阵列11中m×n个微型反射镜施加以与第一微型反射镜阵列1相对应位置的微型反射镜相反的偏转角，使得角度补偿后的各个元光束完全平行；
步骤8、得到完成任意时空整形后的输出激光脉冲。
本发明提供的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统及方法，结合微型反射镜阵列和4f成像系统，可以对光束进行空间和光谱分辨的相位和强度调制，从而实现对超短激光脉冲的任意时空整形。该方法系统简易，操作简单，能够实现可编程时空整形，整形精度高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的可调整偏转角度的第一微型反射镜阵列(1)、第一4f系统、第一光栅(4)、第三凹面镜(5)、空间光调制器(6)、第四凹面镜(7)、第二光栅(8)、第二4f系统以及可调整偏转角度的第二微型反射镜阵列(11)；
所述第一微型反射镜阵列(1)和第二微型反射镜阵列(11)均由m×n个微型反射镜构成；m≥1，n≥1，且m、n均为整数；
所述空间光调制器(6)位于第三凹面镜(5)与第四凹面镜(7)的焦平面处；所述第一光栅(4)和第二光栅(8)分别位于第三凹面镜(5)和第四凹面镜(7)的焦点处，且第一光栅(4)和第二光栅(8)的光学参数相同；
超短激光脉冲经第一微型反射镜阵列(1)中微型反射镜的调整偏转角并反射后，依次入射至第一微型反射镜阵列(1)、第一4f系统和第一光栅(4)，经第一光栅(4)色散后依次入射至第三凹面镜(5)和空间光调制器(6)，在空间光调制器(6)进行相位和强度调制，调制后的超短激光脉冲透射后入射至第四凹面镜(7)反射，再入射至第二光栅(8)进行色散补偿，补偿后的超短激光脉冲入射至第二4f系统反射，反射后入射至第二微型反射镜阵列(11)，通过调整第二微型反射镜阵列(11)中微型反射镜的偏转角度，输出完成任意时空整形后的超短激光脉冲；
所述第二微型反射镜阵列(11)中微型反射镜的偏转角度与第一微型反射镜阵列(1)中相对应位置的微型反射镜的偏转角偏转方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特征在于：
所述第一4f系统和第二4f系统由相对的凹面镜或消色差透镜构成。
3.根据权利要求2所述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特征在于：
所述第一4f系统由第一凹面镜(2)和第二凹面镜(3)组成，第二4f系统由第五凹面镜(9)和第六凹面镜(10)组成。
4.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特征在于：
所述第一微型反射镜阵列(1)和第二微型反射镜阵列(11)中的微型反射镜上根据使用脉冲波长范围在其上镀金属膜或多层介质膜。
5.根据权利要求4所述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特征在于：
所述第一凹面镜(2)、第二凹面镜(3)、第三凹面镜(5)、第四凹面镜(7)、第五凹面镜(9)和第六凹面镜(10)上镀有金属膜或多层介质膜。
6.根据权利要求5所述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，其特征在于：
所述第一光栅(4)和第二光栅(8)为反射式光栅或者透射式光栅。
7.一种基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建如权利要求1-6任一所述的基于空间光调制器的超短激光脉冲任意时空整形系统，开启脉冲激光；
步骤2、根据第一光栅(4)的参数，向第一微型反射镜阵列(1)中的各个微型反射镜在x轴和y轴施加不同的偏转角，形成不同方向传输的m×n个元光束；
步骤3、m×n个元光束偏转后，脉冲激光在空间光调制器(6)形成p×q个狭长光斑，p×q个狭长光斑的位置为：
其中，f为第三凹面镜(5)的焦距；Δθx和Δθy分别为m×n个元光束中心波长光束绕x轴和y轴的角度改变量；
步骤4、根据空间光调制器(6)上的狭长型光斑位置，调整第一微型反射镜阵列(1)中的各个微型反射镜的偏转角，使得空间光调制器(6)上的狭长型光斑互不重合；
步骤5、利用空间光调制器(6)对每个狭长型光斑不同位置的光场分别进行强度和相位调制，进而实现对每个元光束的光谱和相位的调制；
步骤6、保证第二光栅(8)与第一光栅(4)具有相同的参数，对第一光栅(4)引入的角色散进行完全补偿；
步骤7、向第二微型反射镜阵列(11)中m×n个微型反射镜施加以与第一微型反射镜阵列(1)相对应位置的微型反射镜相反的偏转角，使得角度补偿后的各个元光束完全平行；
步骤8、得到完成任意时空整形后的输出激光脉冲。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |