CN116224605A - 一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法，涉及超强超快脉冲光调控技术领域。本方法，由超强超快飞秒脉冲激光1，第一闪耀光栅2，第一离轴抛物面镜3，涡旋阵列4，第二闪耀光栅5，第二离轴抛物面镜6及强场光弹簧7形成一个4f系统；超强超快飞秒脉冲激光1经过第一闪耀光栅2和第一离轴抛物面镜3进行第一次傅里叶变换；经涡旋阵列4，第二闪耀光栅5，第二离轴抛物面镜6进行第二次傅里叶变换，产生强场光弹簧7。本方法基于经典理论，实验难度较低，涡旋相位板易于制备，生过程中色散较小，具有较强的实用性和创新型等特点，强场光弹簧光能够满足与等离子体等物质相互作用实验的基本要求，为开拓强场光弹簧的应用前景提供了开创性的方法。

Description

一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法
技术领域
本发明涉及一种超强超快脉冲光调控技术领域，具体指一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法。
背景技术
在超强超快脉冲光领域中，时空耦合的控制和度量是一个研究热点。经过适当调控的时空耦合脉冲光有望为超强超快脉冲光领域中一系列前沿实验提供帮助。一类已经被广泛研究的时空耦合脉冲光是时空涡旋光，它不仅在空间域上具有相位奇点，而且携带了横向的轨道角动量；另一类亟需研究的时空耦合脉冲光是光弹簧，它除了具有和时空涡旋光相同的特点与优势外，其相位和强度分布均为螺旋结构，这使得它既编码了光携带的横向轨道角动量，又表现出不同的螺距。上述这些引人关注光学特性使得光弹簧在粒子旋转与操纵、光学信息编码及激光与物质相互作用等领域具备了一定的应用潜力。
目前已经有一些产生光弹簧的方法被提出。其中最简单的一种方案是将超短脉冲照射在一块厚度随方位变化的涡旋相位板上。但是，这种方法受到加工技术的限制，满足相应技术要求的涡旋相位板很难被制造出来。而且，超强超快脉冲光经过该种涡旋相位板的透射会产生较为严重的色散，从而破坏光弹簧的产生。此外，使用这种方法生成的光弹簧的光学特性不能被独立地控制。另一种方案是通过干涉光路和液晶空间光调制器来产生光弹簧。但是，通过这种方法产生的光弹簧螺距较大，不适用于超强超快脉冲光领域。
上述这些方案都有各自的缺点和不足，或需要严苛的实验条件，或无法满足超强超快脉冲光领域的应用需求。
据此，一种基于超强超快飞秒脉冲激光产生光弹簧的方案亟需被提出，以满足激光与物质相互作用领域中的应用需求，同时满足弱色散、易于加工和小螺距等技术要求。
发明内容
本发明的目的为现有技术存在的缺失和不足，提出超强超快脉冲光调控技术，具体指一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法。
一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法，通过在空间-频率域中强场飞秒脉冲激光不同频率位置处加载不同的涡旋相位，从而在空间-时间域产生强场光弹簧。进一步，通过闪耀光栅和离轴抛物面镜对强场飞秒脉冲激光进行傅里叶变换，使得入射脉冲的不同频谱成分在空间-频率域中的位置不同，然后通过反射型涡旋阵列在空间-频率域中为超强超快飞秒脉冲激光不同频率的子成分加载具有不同拓扑荷的涡旋相位。
所述反射型涡旋阵列可按照需求定制，可以同时加载任意不同的拓扑荷。并且由于是反射型的衍射器件，不会产生色散，最终生成的强场光弹簧质量较好。
所述强场飞秒脉冲激光为中心波长为800nm的锁模飞秒激光器产生的脉宽为30fs的脉冲光。
所述强场飞秒脉冲激光先通过第一组闪耀光栅和离轴抛物面镜完成一次傅里叶变换，再入射到反射型涡旋阵列在空间-频率域中的不同位置处加载不同的涡旋相位，最后通过第二组闪耀光栅和离轴抛物面镜完成第二次傅里叶变换，从而在空间-时间域产生强场光弹簧。
如上所述，本发明实际解决的技术问题，可概括为一种在超强超快脉冲光调控技术，进一步明确所述反射型涡旋阵列可按照需求定制，可以同时加载任意不同的拓扑荷。并且由于是反射型的衍射器件，不会产生色散，最终生成的强场光弹簧质量较好的效果和目的。
本发明的有益效果在于：本发明产生强场光弹簧的方法，在产生过程中色散较小，即适用于强场飞秒脉冲激光而非普通的弱光。所产生的强场光弹簧光强极大，能够满足其开展与等离子体等物质相互作用实验的基本要求，具有新颖独特的应用前景。该方法所使用的反射型涡旋阵列在实验上易于制备，加工难度低，且产生的强场光弹簧螺距可调。该方法也可满足其他强激光与物质相互作用领域的光场调控需求。
附图说明
图1为本发明一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法原理示意框图；
图2为本发明实施例强场飞秒脉冲激光光谱图；
图3为本发明实施例所使用的反射型涡旋阵列；
图4为本发明实施例提供的强场光弹簧二维结构图；
图5为本发明实施例提供的强场光弹簧三维结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述
一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法(如附图1所示)，由超强超快飞秒脉冲激光1，第一闪耀光栅2，第一离轴抛物面镜3，涡旋阵列4，第二闪耀光栅5，第二离轴抛物面镜6及强场光弹簧7形成一个4f系统。
其中，第一闪耀光栅2放置在第一离轴抛物面镜3的前焦面上，第二闪耀光栅5放置在第二离轴抛物面镜6的后焦面上；
第一离轴抛物面镜3和第二离轴抛物面镜6的距离为两倍离轴抛物面镜焦距；
超强超快飞秒脉冲激光1经过第一闪耀光栅2和第一离轴抛物面镜3进行第一次傅里叶变换；
经涡旋阵列4，第二闪耀光栅5，第二离轴抛物面镜6进行第二次傅里叶变换，产生强场光弹簧7；
在空间-频率域中的不同位置处对超强超快飞秒脉冲激光1加载不同的涡旋相位。
实施例，一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法(如附图2所示)，所述涡旋阵列4为不会产生色散，且厚度均匀易于加工的反射型；
在空间-频率域中为超强超快飞秒脉冲激光不同频率的子成分加载具有不同拓扑荷的涡旋相位。
所述超强超快飞秒脉冲激光1由锁模飞秒激光器产生，范围：脉宽为30～100fs，中心波长为600～1000nm，光斑半径任意；
其中，最佳值：脉宽为30fs，中心频率为800nm，光斑半径为3mm。
实施例(如附图图1至附图5所示)，超强超快飞秒脉冲激光1经过第一闪耀光栅2和第一离轴抛物面镜3进行第一次傅里叶变换。
进一步，反射型涡旋阵列4在空间-频率域中不同位置处加载不同的涡旋相位。
空间-频率域中不同位置处加载不同的涡旋相位后，超强超快飞秒脉冲激光1通过第二闪耀光栅5和第二离轴抛物面镜6进行第二次傅里叶变换，在远场合成强场光弹簧7。
其中，反射型涡旋阵列4上的相位分布可以用M(r，θ)来表示(如附图3所示)。
上述两次傅里叶变换过程用下式来表示：
E(r，θ)＝F-1{M(r，θ)·F{E0(r，θ)}}
其中，(r，θ)是空间-频率域中的极坐标，E0(r，θ)是超强超快飞秒脉冲激光1的光场分布，E(r，θ)是强场光弹簧光场7分布，F和F-1分别表示傅里叶变换与傅里叶逆变换。
实施例中，强场光弹簧7由强场飞秒脉冲激光生成，光强和能量极高。二维和三维的光场结构图显示其不仅具有可控的横向轨道角动量(如附图4所示)，而且相位和强度分布均为螺旋结构(如附图5所示)，这使得它既编码了光携带的横向轨道角动量，又表现出不同的螺距。
综上所述，本方法的光学特性使得强场光弹簧在粒子旋转与操纵、光学信息编码及强激光与物质相互作用等领域具备了独特的应用潜力。这个利用强激光来生成强场光弹簧的方案，为在强激光与等离子体相互作用等领域内开拓强场光弹簧的应用前景提供了开创性的方法。同时，本方法基于经典理论，实验难度较低，涡旋相位板易于制备，生过程中色散较小，具有较强的实用性和创新型等特点，同样可以被应用到其他光学领域中。

Claims (3)

1.一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法，其特征在于：由超强超快飞秒脉冲激光(1)，第一闪耀光栅(2)，第一离轴抛物面镜(3)，涡旋阵列(4)，第二闪耀光栅(5)，第二离轴抛物面镜(6)及强场光弹簧(7)形成一个4f系统；
其中，第一闪耀光栅(2)放置在第一离轴抛物面镜(3)的前焦面上，第二闪耀光栅(5)放置在第二离轴抛物面镜(6)的后焦面上；
第一离轴抛物面镜(3)和第二离轴抛物面镜(6)的距离为两倍离轴抛物面镜焦距；
超强超快飞秒脉冲激光(1)经过第一闪耀光栅(2)和第一离轴抛物面镜(3)进行第一次傅里叶变换；
经涡旋阵列(4)，第二闪耀光栅(5)，第二离轴抛物面镜(6)进行第二次傅里叶变换，产生强场光弹簧(7)；
在空间-频率域中的不同位置处对强场飞秒脉冲激光(1)加载不同的涡旋相位。
2.如权利要求1所述的一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法，其特征在于：所述涡旋阵列(4)为不会产生色散，且厚度均匀易于加工的反射型；
在空间-频率域中为超强超快飞秒脉冲激光不同频率的子成分加载具有不同拓扑荷的涡旋相位。
3.如权利要求1所述的一种超强超快脉冲光弹簧的产生方法，其特征在于：所述超强超快飞秒脉冲激光(1)范围：脉宽为30～100fs，中心波长为600～1000nm，光斑半径任意；
其中，最佳值：脉宽为30fs，中心频率为800nm，光斑半径为3mm。
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