CN117075354A - 产生高对比度相对论涡旋光的装置及空间波前诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种产生高对比度相对论涡旋光的装置及空间波前诊断方法，包括：超短超强激光源、等离子体镜组件和/或聚焦组件；超短超强激光源输出的激光经过等离子体镜组件得到超短超强涡旋光，超短超强涡旋光经聚焦组件聚焦后变成相对论涡旋光；所述等离子体镜组件包括至少一块离轴抛物面镜及至少一块反射式涡旋镜，超短超强激光经过离轴抛物面镜聚焦后将反射式涡旋镜离化成反射式涡旋等离子体镜；所述反射式涡旋镜为表面呈扇形分布的连续或阶梯渐变厚度的镜片，其口径为厘米量级。与现有技术相比，本发明中涡旋镜匹配的是激光聚焦后的光斑，聚焦后的光斑将涡旋镜电离成涡旋等离子体镜，没有损伤阈值的风险，因此可以把尺寸做小至厘米量级。
Description
技术领域
本发明涉及超短超强激光技术及激光等离子体物理领域，具体涉及一种产生高对比度相对论涡旋光的装置及其空间波前诊断方法。
背景技术
激光的轨道角动量是指在激光传输方向上，激光的空间相位具有eilφ的分布，其中l是拓扑荷数，φ为方位角。由于激光的角动量沿激光轴向传播，因此也称之为涡旋光(vortex light)，如典型的拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束。涡旋光提供了一个全新的自由度，可用于光学操控、高分辨显微镜和成像、超快光通信、原子和纳米颗粒操控、量子计算、天体物理等领域。
目前产生大口径超强涡旋激光主要有两种途径：大口径透射式涡旋镜和反射式涡旋镜。这两种方法中所用的涡旋镜受到损伤阈值的限制，允许的光强都较低，因此只有把涡旋镜口径做大，才能满足其材料的损伤阈值。但是涡旋镜口径变大之后，存在加工工艺要求高，加工难度极大等问题，且透射式涡旋镜会引入非线性B积分及脉冲展宽等不利因素。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术存在的限制中的至少一种而提供一种产生高对比度相对论涡旋光的装置及空间波前诊断方法。
本发明中激光聚焦在反射式涡旋镜表面形成等离子体，产生临界密度的电子层，临界密度电子层对激光脉冲进行全反射。反射式涡旋镜表面的微结构会映射在激光的空间相位上，产生涡旋光。由于激光聚焦在涡旋镜表面，因此涡旋镜尺寸可以很小，如对于1拍瓦级飞秒激光，反射式涡旋等离子体镜上光斑的口径约为1cm。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明目的之一在于一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，包括：超短超强激光源、等离子体镜组件和/或聚焦组件；
超短超强激光源输出的激光经过等离子体镜组件得到超短超强涡旋光，超短超强涡旋光经聚焦组件聚焦后变成相对论涡旋光；所述等离子体镜组件包括至少一块离轴抛物面镜及至少一块反射式涡旋镜；超短超强激光经过离轴抛物面镜聚焦后将反射式涡旋镜离化成反射式涡旋等离子体镜；
所述反射式涡旋镜为表面呈扇形分布的连续或阶梯渐变厚度的镜片，其口径为厘米量级，可根据入射激光强度，选择合适的反射式涡旋镜的口径，一般在厘米量级，如0.5厘米至5厘米，如对于1拍瓦激光，口径约为1厘米。反射式涡旋镜为基于光学微加工技术或传统光学抛光技术制作、材质不限，优选为玻璃，玻璃表面可以增透膜。阶梯厚度由激光入射角度、激光中心波长λ确定。优选地激光小角度入射(θ<10°)，涡旋阶梯数目≥10个。小角度入射时，涡旋阶梯总厚度(例拓扑数＝1)：λ/2cos(θ)。
在本发明的一个实施例中，该装置包括超短超强激光源、等离子体镜组件和聚焦组件(见图1)；所述等离子体镜组件包括两块离轴抛物面镜和一块反射式涡旋镜；反射式涡旋镜放置在第一块离轴抛物面镜的焦点附近，第一块离轴抛物面镜对超短超强激光进行聚焦，聚焦激光将反射式涡旋镜离化成反射式涡旋等离子体镜，临界密度电子将超短超强激光反射后，经过第二块离轴抛物面镜准直，产生超短超强涡旋光。
在本发明的一个实施例中，所述聚焦组件至少有一块离轴抛物面镜或球面(非球面)反射式聚焦镜。优选为离轴抛物面镜，且不能为透镜。聚焦组件将超短超强脉冲聚焦到相对论量级。
在本发明的一个实施例中，所述超短超强激光源与等离子体镜组件之间设有用于激光波前校正的变形镜。
在本发明的一个实施例中，所述等离子体镜组件和聚焦组件之间设有反射镜组件；所述超短超强涡旋光经过反射镜组件反射后，再经过聚焦组件聚焦后变成相对论涡旋光。反射镜组件用来进行光路传输。
在本发明的一个实施例中，所述反射镜组件包括至少两块反射镜。
在本发明的一个实施例中，该装置包括超短超强激光光源和等离子体镜组件；所述等离子体镜组件包括一块离轴抛物面镜和一块反射式涡旋镜(见图2)；超短超强激光经过离轴抛物面镜聚焦，反射式涡旋镜放置在激光焦前，离化成涡旋等离子体镜，临界密度电子将超短超强激光反射，在焦点处产生相对论涡旋光。
在本发明的一个实施例中，所述反射式涡旋镜表面镀有一层增透膜。
在本发明的一个实施例中，所述超短超强激光光源为基于啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)产生的太瓦级以上激光装置，如钛宝石飞秒激光装置或钕玻璃皮秒激光装置等。典型的如100太瓦激光装置，可支持百拍瓦及以上的峰值功率的激光装置。激光脉冲宽度为飞秒和皮秒量级，经过聚焦后光强可达相对论量级。该超短超强激光脉冲经过等离子体镜组件的调制，产生涡旋光，并可以提高激光对比度，再通过聚焦组件产生相对论涡旋光。
本发明目的之二在于一种空间波前诊断方法，使用如上所述的产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将装置中的反射镜替换成无镀膜楔形镜，衰减激光能量；
步骤二、利用取光镜采集超短超强激光源输出的激光束边缘的一小部分作为平面光，剩余部分经过等离子体镜组件产生涡旋光；优选地，从激光束边缘采集占激光束总量的百分之5-10的边缘光束作为平面光；
步骤三、平面光经延时后，平行于涡旋光入射到聚焦组件上，在聚焦组件的焦点位置空间上天然重叠，该平面光焦斑比涡旋光大，两束光在焦斑处叠加产生干涉图，通过干涉条纹得到空间相位信息。
更具体地，步骤一中可以按照需要增加更多的楔形镜和中性衰减片来衰减激光能量。焦斑成像包括长工作距离物镜头和高分辨率电荷耦合器件(CCD)，用于测量涡旋光强度分布。本发明中应该通过调节楔形镜的衰减程度保证平面光和涡旋光的光强相当，以获得最佳的干涉条纹对比度，提高诊断精度。通过干涉条纹，可进行相位反演。涡旋光和平面光的干涉会产生叉状干涉条纹(图4)，可以基于条纹分叉数目判断涡旋拓扑荷数。涡旋光的焦点处的干涉图类似，但强度是中空的环形干涉图。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)相较于现有技术中受到材料损伤阈值等的限制，光斑口径很大，为数十厘米量级，需要比激光口径更大的涡旋镜才能匹配；而本发明中涡旋镜匹配的是激光聚焦后的光斑，聚焦后的光斑将涡旋镜电离成涡旋等离子体镜，没有损伤阈值的风险，因此可以把尺寸做小至厘米量级。
(2)本发明中涡旋等离子体镜将高对比度脉冲的产生和涡旋光的产生两个过程合并成一个，产生涡旋光的同时，实现了高对比度脉冲输出。
(3)与使用大口径涡旋镜不同，此方法使用小口径涡旋镜，一方面降低了工艺难度和造价，另一方面可以根据实际需要更改涡旋光的拓扑荷数，非常适合实验室基础研究及应用拓展。
(4)本发明中具有普适性，涡旋镜尺寸较小，可应用于其他具有超大光束口径的飞秒及皮秒超强激光系统中。
(5)本发明中提出一种空间波前诊断方法，该方法是为了获取使用的激光的波前信息，如果波前畸变很严重，通过等离子体镜引入的相位变化就会不明显，会影响激光聚焦，即最终的功率密度。通过空间波前诊断，结合变形镜对激光波前的优化以获得一个波前理想的激光，再将其转化为相对论强度涡旋光。
附图说明
图1为实施例1中产生高对比度相对论涡旋光的装置的空间布局图；
图2为实施例2中产生高对比度相对论涡旋光的装置的空间布局图；
图3为实施例1、2中十六阶涡旋等离子体镜结构图；
图4为实施例1中拓扑荷为1的干涉条纹图；
图中标号所示：DM-变形镜；OAP1-第一离轴抛物面镜；VPM-反射式涡旋等离子体镜；OAP2-第二离轴抛物面镜；M1-第一反射镜；M2-第二反射镜；OAP3-第三离轴抛物面镜；W1-第一无镀膜楔形镜；W2-第二无镀膜楔形镜；a-焦点；b-成像系统+CCD/波前传感器；c-入射激光器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，参见图1所示的光路图，该装置包括超短超强激光源、等离子体镜组件、聚焦组件；
超短超强激光源(incident laser)，本实施例采用200TW掺钛蓝宝石激光器(Amplitude technology,法国)，激光能量为～5J，脉宽(半高全宽)为25fs，波长为～770-840nm，重复频率为10Hz。
等离子体镜组件包括第一离轴抛物面镜OAP1、第二离轴抛物面镜OAP2和反射式涡旋镜。对于超强飞秒激光来说，受到材料损伤阈值等的限制，光斑口径很大10cm-50cm。常规涡旋镜比激光口径更大才能匹配，如参考文献中PRL,125,034801,2020。本实施例中使用的小口径反射式涡旋镜是激光聚焦后的光斑，因此可以做到小于等于1cm。这种方法将反射式涡旋镜电离成等离子体，没有损伤阈值的风险。
聚焦组件为第三离轴抛物面镜OAP3。
步骤一、超短超强激光源输出的激光经过首先经过变形镜DM进行波前校正，使得激光波前理想。该步骤并不是必须的，若超短超强激光源波前足够理想，该步骤可以跳过。
步骤二、将步骤一得到的平面波入射到等离子体镜组件，经过第一离轴抛物面镜OAP1聚焦后将反射式涡旋镜离化成反射式涡旋等离子体镜VPM，临界密度电子将激光反射后，经过第二离轴抛物面镜OAP2准直，产生了超短超强涡旋激光。该超短超强涡旋光经过第一反射镜M1和第二反射镜M2后，并经过第三离轴抛物面镜OAP3聚焦后变成相对论涡旋激光。
涡旋镜为玻璃/熔融石英等材质，表面镀增透膜，激光主脉经过等离子体镜组件，对比度提高2-3量级，同时产生了超短超强涡旋激光。
等离子体镜组件中，如实施例中对于10-8对比度的激光脉冲，一般设置反射式涡旋镜表面的激光强度～1015W/cm2，同时产生的等离子体不会迅速扩散，使得反射式涡旋等离子体镜兼顾了系统反射率和激光波前。
本实施例中还提供一种空间波前诊断方法，对于相对论涡旋光的空间波前信息诊断，需要将激光能量降低。详见图1，本实施例中将第一反射镜M1和第二反射镜M2替换成第一无镀膜楔形镜W1和第二无镀膜楔形镜W2来衰减激光能量，可以按照需要增加更多的楔形镜和中性衰减片来衰减激光能量。
对于空间波前的诊断，可以采用小镜片作为取光镜将从主光束边缘采集占主光束总量的百分之5-10的边缘光束作为平面光(图1黑色光路)，剩余部分经过等离子体镜组件产生涡旋光(图1灰色光路)。平面光经过延时后，平行涡旋光入射到第三离轴抛物面镜OAP3上，在焦点a位置空间上天然重叠。该平面光焦斑比涡旋光大，两束光在焦斑处叠加产生干涉图。该焦斑经过成像物镜和CCD进行成像。另外，也可以不需要引入如上所述的另一束平面光，用成像系统和波前传感器在焦点位置直接测量涡旋光的空间相位，判断涡旋光拓扑荷数。
实施例2
本实施例中包括超短超强激光光源和等离子体镜组件；等离子体镜组件包括离轴抛物面镜OAP4和反射式涡旋镜；超短超强激光经过离轴抛物面镜OAP4聚焦，反射式涡旋镜放置在激光焦前，离化成涡旋等离子体镜VPM2，临界密度电子将超短超强激光反射，在焦点处产生相对论涡旋光。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，包括：超短超强激光源、等离子体镜组件和/或聚焦组件；
超短超强激光源输出的激光经过等离子体镜组件得到超短超强涡旋光，超短超强涡旋光经聚焦组件聚焦后变成相对论涡旋光；
所述等离子体镜组件包括至少一块离轴抛物面镜及至少一块反射式涡旋镜，超短超强激光经过离轴抛物面镜聚焦后将反射式涡旋镜离化成反射式涡旋等离子体镜；
所述反射式涡旋镜为表面呈扇形分布的连续或阶梯渐变厚度的镜片，其口径为厘米量级。
2.根据权利要求1所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，该装置包括超短超强激光源、等离子体镜组件和聚焦组件；
所述等离子体镜组件包括两块离轴抛物面镜和一块反射式涡旋镜；
反射式涡旋镜放置在第一块离轴抛物面镜的焦前，第一块离轴抛物面镜对超短超强激光进行聚焦，聚焦激光将反射式涡旋镜离化成反射式涡旋等离子体镜，临界密度电子将超短超强激光反射，经过第二块离轴抛物面镜准直，产生超短超强涡旋光。
3.根据权利要求2所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，所述聚焦组件至少有一块离轴抛物面镜或反射式聚焦镜。
4.根据权利要求2所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，所述等离子体镜组件和聚焦组件之间设有反射镜组件；所述超短超强涡旋光经过反射镜组件反射后，再经过聚焦组件聚焦后变成相对论涡旋光。
5.根据权利要求4所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，所述反射镜组件包括至少两块反射镜，对光路近远场进行调节。
6.根据权利要求1所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，该装置包括超短超强激光光源和等离子体镜组件；
所述等离子体镜组件包括一块离轴抛物面镜和一块反射式涡旋镜；
超短超强激光经过离轴抛物面镜聚焦，反射式涡旋镜放置在激光焦前，离化成涡旋等离子体镜，临界密度电子将超短超强激光反射，在焦点处产生相对论涡旋光。
7.根据权利要求1所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，所述反射式涡旋镜表面镀有一层增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，所述超短超强激光源与等离子体镜组件之间设有用于激光波前校正的变形镜。
9.根据权利要求1所述的一种产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，所述超短超强激光光源为基于啁啾脉冲放大技术产生的太瓦级以上激光装置。
10.一种空间波前诊断方法，使用如权利要求1-9任一项所述的产生高对比度相对论涡旋光的装置，其特征在于，包括如下步骤：
将装置中的反射镜替换成无镀膜楔形镜，衰减激光能量；
利用取光镜采集超短超强激光源输出的激光束边缘的一小部分作为平面光，剩余部分经过等离子体镜组件产生涡旋光；
平面光经延时后，平行于涡旋光入射到聚焦组件上，在聚焦组件的焦点位置空间上天然重叠，该平面光焦斑比涡旋光大，两束光在焦斑处叠加产生干涉图，通过干涉条纹得到空间相位信息。
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