CN117277031B - 一种超快激光非线性自压缩装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超快激光非线性自压缩装置及其应用，属于超快激光领域，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜、非线性介质和准直透镜，其中非线性介质包括预设数量以布儒斯特角放置的透明固体板，透明固体板的厚度为2mm～3mm。本发明通过引入厚度适当的透明固体板作为非线性介质，能够使得超快激光脉冲在非线性介质中传播时不仅发生光谱展宽，同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩，从而能够在不使用啁啾镜等色散元件的情况下实现非线性自压缩，极大降低了装置成本和占地面积，并且采用固体厚板作为非线性介质还能够避免空芯气体波导和充气多通腔对光路稳定性较高的要求，进而提高了非线性压缩装置的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于超快激光领域，更具体地，涉及一种超快激光非线性自压缩装置及其应用。
背景技术
超快激光包括皮秒激光和飞秒激光，其中高功率飞秒激光器具有极短时间脉冲宽度和极高峰值功率（密度）的优势，因此可以实现激光制造的高精度“冷加工”。飞秒激光器的输出时间脉冲宽度取决于增益介质的增益光谱带宽，并且受限于高功率放大时的光谱增益窄化效应，一般工业光纤或者固体飞秒激光器的脉冲宽度最低约为300fs。另一方面，激光精密加工需要脉冲宽度更窄的高功率飞秒激光光源，以激光钻孔为例，工艺实验表明脉冲宽度<100fs的飞秒激光光源可以显著提高钻孔质量，如果脉冲宽度进一步降低至10fs以下，热影响区、崩边等加工缺陷将完全消失实现“完美”加工。因此需要非线性压缩装置对飞秒激光器输出脉冲进行后压缩。
飞秒激光非线性压缩的基本原理是当飞秒激光在空芯气体波导、充气多通腔、固体薄板等非线性介质中传输时，介质瞬时折射率被输入激光的瞬态光强调制，进而导致输入激光脉冲前沿的光谱成分发生红移、后沿发生蓝移，光谱显著展宽。这种经历了光谱自相位调制的飞秒激光脉冲一般具有显著的符号为正的群速度色散，需要多次通过啁啾镜等色散补偿元件引入符号为负的群速度色散，达到色散补偿并压缩激光脉冲宽度的作用。
现有飞秒激光非线性压缩技术应用于工业激光器主要面临以下两类问题。第一、目前常用的非线性介质难以满足非线性压缩装置稳定、可靠运行的需求，其中空芯气体波导和充气多通腔对激光光路的稳定性要求较高，而固体薄板输出的脉冲存在非线性光谱展宽空间均匀性的问题。第二、现有非线性压缩技术在光谱展宽过程中都对飞秒激光脉冲引入正色散，需要啁啾镜等负色散元件进行色散补偿压缩脉冲，而色散元件一般成本较高且占用空间较大，影响飞秒激光非线性压缩装置的小型化集成。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超快激光非线性自压缩装置及其应用，旨在解决现有的非线性介质难以满足非线性压缩装置稳定、可靠运行的需求，以及需要额外进行色散补偿的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种超快激光非线性自压缩装置，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜、非线性介质和准直透镜，其中所述非线性介质包括预设数量以布儒斯特角放置的透明固体板，所述透明固体板的厚度为2mm～3mm，用于使超快激光脉冲发生光谱展宽的同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩。
作为进一步优选地，所述透明固体板的材料为熔融石英、光学玻璃、钇铝石榴石或蓝宝石。
作为进一步优选地，所述透明固体板的厚度确定方式为：将单个所述透明固体板放置于聚焦透镜的焦点后方，计算穿过该透明固体板前后光束的光斑半径之比，选择光斑半径之比大于1.25的透明固体板的厚度。
作为进一步优选地，相邻所述透明固体板的间隔距离通过如下方式确定：将第一块透明固体板放置于聚焦透镜的焦点后方，并且第一块透明固体板与聚焦透镜的间距为发生损坏的临界距离；然后在第一块透明固体板的后侧放置第二块透明固体板，并将其不断靠近第一块透明固体板，移动过程中实时测量透过第二块透明固体板的光谱带宽，并在保证第二透明固体板不发生损坏的前提下选择光谱带宽最宽的间隔距离作为相邻所述透明固体板的间隔距离。
作为进一步优选地，所述非线性介质中透明固体板数量的确定方法为：不断增加透明固体板的数量，并实时测量非线性介质出射光的脉冲宽度，直至脉冲宽度达到预设值时停止，以此获得非线性介质中透明固体板的数量。
作为进一步优选地，所述非线性介质中透明固体板数量的确定方法为：不断增加透明固体板的数量，并实时测量非线性介质出射光的脉冲宽度，当脉冲宽度不再减小或者脉冲发生分裂时停止，以此获得非线性介质中透明固体板的数量。
作为进一步优选地，所述聚焦透镜的F数为100～500，F数为聚焦透镜焦距与入射光直径之比。
作为进一步优选地，所述准直透镜与非线性介质中最后一个透明固体板的间距通过如下方式确定：调节所述准直透镜的位置，当穿过准直透镜的光束发散角达到最小时停止。
作为进一步优选地，所述准直透镜的焦距为，单位为米，其中/>为超快激光非线性自压缩装置出射光的直径，单位为毫米，/>为非线性介质出射光的发散角，单位为毫弧度。
按照本发明的另一方面，提供了上述超快激光非线性自压缩装置在飞秒激光中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1．本发明通过引入厚度适当的透明固体板作为非线性介质，能够使得超快激光脉冲在非线性介质中传播时不仅发生光谱展宽，同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩，从而能够在不使用啁啾镜等色散元件的情况下实现非线性自压缩，极大降低了装置成本和占地面积，并且采用固体厚板作为非线性介质还能够避免空芯气体波导和充气多通腔对光路稳定性较高的要求，进而提高非线性压缩装置的稳定性；
2．尤其是，本发明通过对透明固体板的间距进行优化，能够使得超快激光在各个透明固体板内部发生多次自聚焦形成透镜波导，从而使得空间不均匀的光谱非线性展宽发生匀滑效应，压缩后的脉冲时空耦合减弱，空间上的脉宽分布更加均匀；
3．此外，本发明通过对聚焦透镜和准直透镜的焦距以及与非线性介质的距离进行优化，能够更有效地实现光谱展宽及脉冲压缩，同时保证装置的稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超快激光非线性自压缩装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的初始大脉冲宽度飞秒激光与自压缩后飞秒激光的频谱对比图，其中，实线为自压缩后所得的激光光谱，虚线为初始激光光谱；
图3是本发明实施例提供的初始大脉冲宽度飞秒激光与自压缩后飞秒激光的脉冲包络对比图，其中，实线为自压缩后所得的脉冲包络，虚线为初始激光脉冲包络；
图4是本发明实施例提供的飞秒激光经准直透镜准直后的远场光斑。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-激光器，2-聚焦透镜，3-非线性介质，3.1-透明固体板，4-准直透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种超快激光非线性自压缩装置，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜2、非线性介质3和准直透镜4，其中：
初始具有p偏振、较大脉冲宽度（>200 fs）的超快激光脉冲经过聚焦透镜2进行松散聚焦，在焦点处达到TW/cm2量级峰值功率密度，以形成高峰值功率密度焦斑并进入非线性介质3；
非线性介质3放置在焦点后方若干倍激光焦点瑞利长度处，其包括预设数量以布儒斯特角放置的透明固体板3.1，透明固体板3.1的厚度为2mm～3mm，用于使超快激光脉冲发生光谱展宽的同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩，超快激光脉冲离开第一块透明固体板3.1后在空气中自由传播发生衍射，增加光斑尺寸并降低峰值功率密度后，在适当位置进入第二块透明固体板3.1，重复该过程若干次使得超快激光脉冲光谱不断展宽，脉冲宽度自动压缩直至饱和和脉冲分裂，从而在不需要啁啾镜等额外色散补偿的情况下达到自压缩；
准直透镜4用于对实现光谱展宽和自压缩的超快激光脉冲进行准直以输出自压缩准直光束。
本发明使用具有一定厚度的固定厚板替换传统薄板作为透明固体板3.1，一方面避免了空芯气体波导和充气多通腔对光路稳定性较高的要求，提高了装置的稳定性；另一方面在厚板中超快激光在光谱非线性展宽同时发生自聚焦引入时空耦合，有效提高输出激光光束质量。更重要的是，本发明使用的固体厚板在发生自聚焦引入时空耦合时，由于空间不同位置光场的混合和干涉，引入了等价负色散动态补偿自相位调制引入的正色散以达成动态平衡，使得非线性介质3输出的飞秒激光脉冲直接实现了色散补偿和自压缩，不再需要啁啾镜等贵重复杂色散元件，较大地降低了装置成本又促进非线性压缩装置设计的小型化，同时还能够有效避免损伤。
进一步，透明固体板3.1的厚度确定方式为：选定F数（聚焦透镜焦距与入射光直径之比）为100～500的聚焦透镜2，然后将单个透明固体板3.1放置于聚焦透镜2的焦点后方，计算穿过该透明固体板3.1前后光束的光斑半径之比，即穿过前的光斑半径/穿过后的光斑半径，选择光斑半径之比大于1.25的透明固体板3.1的厚度，F数为等效焦距与光学孔径之比。
进一步，相邻透明固体板3.1的间隔距离通过如下方式确定：将第一块透明固体板3.1放置于聚焦透镜2的焦点后方，并且第一块透明固体板3.1与聚焦透镜2的间距为发生损坏的临界距离（即透明固体板3.1不损坏的前提下最接近焦点的距离，透明固体板3.1不出现耀眼白光即为不损坏）；然后在第一块透明固体板3.1的后侧放置第二块透明固体板3.1，并将其不断靠近第一块透明固体板3.1，移动过程中实时测量透过第二块透明固体板3.1的光谱带宽，并在保证第二块透明固体板3.1不发生损坏的前提下选择光谱带宽最宽的间隔距离作为相邻透明固体板3.1的间隔距离。光谱宽度在第二块透明固体板3.1移动的过程中会一个峰值，选择该峰值对应的位置作为相邻透明固体板3.1的间隔距离。本发明通过对相邻透明固体板3.1的间隔距离进行优化，能够控制超快激光脉冲在自由空间中的衍射均匀化时空耦合，获得适当的光斑尺寸和峰值功率密度以注入下一块透明固体板3.1，并且保证超快激光脉冲可以在各个透明固体板3.1内发生多次自聚焦形成透镜波导，从而使得空间不均匀的光谱非线性展宽发生匀滑效应，压缩后的脉冲时空耦合减弱，空间上的脉宽分布更加均匀。
进一步，非线性介质3中透明固体板3.1的数量的确定方法包括如下两种方式：1）不断增加透明固体板3.1的数量，并实时测量非线性介质3出射光的脉冲宽度，直至脉冲宽度达到预设值即所需脉冲宽度时停止，以此获得非线性介质3中透明固体板3.1的数量；2）不断增加透明固体板3.1的数量，并实时测量非线性介质3出射光的脉冲宽度，当脉冲宽度不再减小或者脉冲发生分裂时停止，以此获得非线性介质3中透明固体板3.1的数量。
进一步，聚焦透镜2的F数（聚焦透镜焦距与入射光直径之比）为100～500，聚焦透镜2与非线性介质3中第一个透明固体板3.1的间距通过如下方式确定：将第一块透明固体板3.1放置于聚焦透镜2的焦点后侧，在保证透明固体板3.1无损坏，即透明固体板3.1不出现耀眼白光的前提下尽可能靠近焦点，即选择发生损坏的临界距离。
进一步，准直透镜4的焦距为，单位为米，其中/>为超快激光非线性自压缩装置出射光的直径，单位为毫米，/>为非线性介质出射光的发散角，单位为毫弧度。准直透镜4与非线性介质3中最后一个透明固体板3.1的间距通过如下方式确定：调节准直透镜4的位置，当穿过准直透镜4的光束发散角达到最小时停止。
按照本发明的另一方面，提供了上述超快激光非线性自压缩装置在飞秒激光中的应用，将激光器1发出的飞秒激光依次送入聚焦透镜2、非线性介质3和准直透镜4中，实现飞秒激光的非线性自压缩。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
激光器1采用飞秒光纤激光器，将其作为初始大脉冲宽度飞秒激光器产生脉宽为220飞秒、中心波长为1035纳米、单脉冲能量为280微焦、重复频率为150千赫兹的初始大脉冲宽度飞秒激光。经过聚焦透镜2（f = 0.5米）即聚焦，在焦点后放置第一片厚度为2毫米的熔融石英固体板作为透明固体板3.1，板上光强约5TW/cm2，在其后放置其余三片厚度为2毫米的熔融石英固体板作为透明固体板3.1，飞秒激光脉冲在透明固体板3.1中产生光谱展宽并发生自聚焦引入时空耦合，通过控制各个透明固体板3.1的放置位置和相互间距使得飞秒激光脉冲可以在各板内发生多次自聚焦形成透镜波导，实现光谱展宽和自压缩。利用准直透镜4（f=0.75米）重新准直光束，输出能量约为200微焦，对应71%的透过效率，该透过效率主要是由于该实例中熔融石英固体板接近0度入射，透明固体板3.1反射导致的能量损失。
由图2可看出，经过透明固体板3.1的展宽后，激光的带宽（10%峰值强度的带宽）从15纳米被拓展到46纳米，包含了更多的频率成分，对应更短的极限脉宽。由于空间不同位置光场的混合和干涉，引入了等价负色散动态补偿自相位调制引入的正色散，因此非线性介质3中输出的飞秒激光脉冲直接实现了色散补偿和自压缩。最终输出的飞秒脉冲包络如图3实线所示，最终压缩得到的脉冲脉宽为74fs，其中主脉冲包含了80%的能量。
经过准直透镜4（f=0.75米）准直后的远场光斑如图4所示，能量主要集中在中心亮斑部分。
以上结果表明，本发明提供的超快激光非线性自压缩装置，在未使用啁啾镜等贵重复杂元件的前提下，使用280微焦，220飞秒的初始脉冲光谱。产生了200微焦，74飞秒，光谱宽度46nm的红外激光，实现了飞秒激光脉冲自压缩。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜（2）、非线性介质（3）和准直透镜（4），其中所述非线性介质（3）包括预设数量以布儒斯特角放置的透明固体板（3.1），所述透明固体板（3.1）的厚度为2mm～3mm，用于使超快激光脉冲发生光谱展宽的同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩，相邻所述透明固体板（3.1）的间隔距离通过如下方式确定：将第一块透明固体板（3.1）放置于聚焦透镜（2）的焦点后方，并且第一块透明固体板（3.1）与聚焦透镜（2）的间距为发生损坏的临界距离；然后在第一块透明固体板（3.1）的后侧放置第二块透明固体板（3.1），并将其不断靠近第一块透明固体板（3.1），移动过程中实时测量透过第二块透明固体板（3.1）的光谱带宽，并在保证第二透明固体板（3.1）不发生损坏的前提下选择光谱带宽最宽的间隔距离作为相邻所述透明固体板（3.1）的间隔距离。
2.如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述透明固体板（3.1）的材料为熔融石英、光学玻璃、钇铝石榴石或蓝宝石。
3.如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述透明固体板（3.1）的厚度确定方式为：将单个所述透明固体板（3.1）放置于聚焦透镜（2）的焦点后方，计算穿过该透明固体板（3.1）前后光束的光斑半径之比，选择光斑半径之比大于1.25的透明固体板（3.1）的厚度。
4.如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述非线性介质（3）中透明固体板（3.1）数量的确定方法为：不断增加透明固体板（3.1）的数量，并实时测量非线性介质（3）出射光的脉冲宽度，直至脉冲宽度达到预设值时停止，以此获得非线性介质（3）中透明固体板（3.1）的数量。
5.如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述非线性介质（3）中透明固体板（3.1）数量的确定方法为：不断增加透明固体板（3.1）的数量，并实时测量非线性介质（3）出射光的脉冲宽度，当脉冲宽度不再减小或者脉冲发生分裂时停止，以此获得非线性介质（3）中透明固体板（3.1）的数量。
6.如权利要求1～5任一项所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述聚焦透镜（2）的F数为100～500，F数为聚焦透镜焦距与入射光直径之比。
7.如权利要求1～5任一项所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述准直透镜（4）与非线性介质（3）中最后一个透明固体板（3.1）的间距通过如下方式确定：调节所述准直透镜（4）的位置，当穿过准直透镜（4）的光束发散角达到最小时停止。
8.如权利要求1～5任一项所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述准直透镜（4）的焦距为，单位为米，其中/>为超快激光非线性自压缩装置出射光的直径，单位为毫米，/>为非线性介质出射光的发散角，单位为毫弧度。
9.如权利要求1～8任一项所述的超快激光非线性自压缩装置在飞秒激光自压缩中的应用。
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| CN (1) | CN117277031B (zh) |
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| CN110190500A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-30 | 华中科技大学 | 一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法及装置 |
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2023
- 2023-11-22 CN CN202311558176.4A patent/CN117277031B/zh active Active
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