一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法及装置

技术领域

本发明属于激光脉冲整形技术领域，更具体地，涉及一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法及装置。

背景技术

与传统的激光相比，飞秒激光具有极小的脉冲宽度、极高的瞬时功率和精确的靶向聚焦定位等特点。实现高重复频率的飞秒激光脉冲，在精密微加工领域可以在保证加工质量的同时有效提高烧蚀效率；在精密测量领域，利用其梳齿功率高、梳齿易分辨的特点，提高拍频信噪比以及测量精度；在信息传输、超快成像等领域同样影响深远，因此值得深入研究。

一般飞秒激光脉冲的重复频率大概在百兆赫兹(10

因此，在飞秒激光脉冲技术领域，需要一种可以生成吉赫兹量级以上的极高重复频率的飞秒激光脉冲的方法，需要该方法操作简单、延时精度较高且可控，以进一步推动飞秒激光在各个科研领域的发展。

发明内容

本发明通过提供一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法及装置，解决现有技术中飞秒激光脉冲重复频率较低的问题。

本发明提供一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法，包括以下步骤：

步骤1：通过飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，并入射至整形单元上，所述整形单元将飞秒激光脉冲调整为水平偏振态，并将点脉冲放大为一维的线脉冲；

步骤2：一维的线脉冲入射至衍射单元，所述衍射单元将一维的线脉冲衍射为二维分布的多个单色光波，并将多个单色光波调整为平行光；

步骤3：多个单色光波分别入射至空间光相位调制器上的不同区域，所述空间光相位调制器对多个单色光波分别进行相位调制；

步骤4：相位调制后的多个单色光波均入射至叠加单元，所述叠加单元使所有的单色光波叠加，得到包括多个具有不同延时的飞秒激光脉冲组成的飞秒激光脉冲串。

优选的，基于飞秒激光脉冲串的目标延时大小，得到所述空间光相位调制器上加载的灰度图像；

所述空间光相位调制器根据所述灰度图像对多个单色光波分别进行相位调制。

优选的，所述空间光相位调制器对每个单色光波的相位调制量与该单色光波入射至所述空间光相位调制器的区域所对应的灰度值呈线性关系，且相位调制量在0～2π的范围内。

优选的，每个单色光波的相位调制量通过以下方式得到：

模拟飞秒激光脉冲的分布函数，设置k个飞秒激光脉冲的目标延时大小为t

对延时前后的分布函数分别做傅里叶变换，得到飞秒激光脉冲各个频率的单色光波的相位大小；

将延时前后的相位做差，得到每个单色光波的相位调制量。

优选的，所述空间光相位调制器的分辨率为m×n，所述空间光相位调制器的相位调制区域划分为m×k个区域，每个区域对应一个灰度值，k的取值对应最终得到的飞秒激光脉冲串包含的飞秒激光脉冲的个数。

优选的，所述空间光相位调制器采用液晶空间光调制器。

优选的，所述整形单元包括沿光路依次设置的偏振片、半波片、第一柱面镜和第二柱面镜；所述第一柱面镜的焦距小于所述第二柱面镜的焦距，且两者共轴；所述第一柱面镜和所述第二柱面镜对应的放大方向与所述衍射单元的衍射方向垂直；

所述偏振片和所述半波片用于将飞秒激光脉冲调整为水平偏振态，所述第一柱面镜和所述第二柱面镜用于将点脉冲放大为一维的线脉冲。

优选的，所述衍射单元包括沿光路依次设置的第一光栅和第三柱面镜；

所述第一光栅用于将一维的线脉冲衍射为二维分布的多个单色光波，所述第三柱面镜用于将多个单色光波调整为平行光。

优选的，所述叠加单元包括沿光路依次设置的第二光栅、第四柱面镜、第五柱面镜和第六柱面镜；所述第二光栅与所述第一光栅采用相同的光栅结构，且两者方向平行；所述第五柱面镜的焦距大于所述第六柱面镜的焦距，且两者共轴；所述第五柱面镜和所述第六柱面镜对应的缩小方向与所述第二光栅的衍射方向垂直；

所述第二光栅使所有的单色光波叠加，经所述第四柱面镜后调整为平行光，再经所述第五柱面镜、所述第六柱面镜后共轴，最终得到所述飞秒激光脉冲串。

另一方面，本发明提供一种可控间距飞秒激光脉冲串生成装置，包括：飞秒激光器、整形单元、衍射单元、空间光相位调制器和叠加单元；

所述可控间距飞秒激光脉冲串生成装置用于实现如权利要求1-9中任一项所述的可控间距飞秒激光脉冲串生成方法中的步骤。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明基于空间光相位调制提供了一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法，飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲通过空间衍射后照射到空间光相位调制器的多个不同区域，各区域按照设定延时大小对不同波长的衍射光进行相位调制，将调制后的不同波长光叠加，得到包括多个具有不同延时的飞秒激光脉冲组成的飞秒激光脉冲串。本发明在不影响脉冲质量的前提下，用简单的装置产生延时在0～100ps的时间范围内且精度小于1fs，脉冲数量和每个脉冲延时大小均可控的飞秒激光脉冲串。该方法可以有效地解决飞秒激光脉冲重复频率较低的问题，为信息传输技术、超快成像等技术领域的发展提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可控间距飞秒激光脉冲串生成装置的框架示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法中各阶段波形的示意；其中，图2中的(a)为经衍射单元调节后的波形，图2中的(b)为空间光调制器对多个单色光波分别进行相位调制后的波形，图2中的(c)为经叠加单元后得到的多个飞秒激光脉冲的波形，图2中的(d)为最终得到的飞秒激光脉冲串的波形；

图3为本发明实施例提供的一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法中调制相位在液晶空间光调制器上的分布图。

其中，101-飞秒激光器、102-偏振片、103-半波片、104-第一柱面镜、105-第二柱面镜、106-第一光栅、107-第三柱面镜、108-液晶空间光调制器、109-第二光栅、110-第四柱面镜、111-第五柱面镜、112-第六柱面镜。

具体实施方式

本发明提供一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法，包括以下步骤：

步骤1：通过飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，并入射至整形单元上，所述整形单元将飞秒激光脉冲调整为水平偏振态，并将点脉冲放大为一维的线脉冲；

步骤2：一维的线脉冲入射至衍射单元，所述衍射单元将一维的线脉冲衍射为二维分布的多个单色光波，并将多个单色光波调整为平行光；

步骤3：多个单色光波分别入射至空间光相位调制器上的不同区域，所述空间光相位调制器对多个单色光波分别进行相位调制；

步骤4：相位调制后的多个单色光波均入射至叠加单元，所述叠加单元使所有的单色光波叠加，得到包括多个具有不同延时的飞秒激光脉冲组成的飞秒激光脉冲串。

具体的，基于飞秒激光脉冲串的目标延时大小，得到所述空间光相位调制器上加载的灰度图像；所述空间光相位调制器根据所述灰度图像对多个单色光波分别进行相位调制。

所述空间光相位调制器对每个单色光波的相位调制量与该单色光波入射至所述空间光相位调制器的区域所对应的灰度值呈线性关系，且相位调制量在0～2π的范围内。

其中，每个单色光波的相位调制量通过以下方式得到：

模拟飞秒激光脉冲的分布函数，设置k个飞秒激光脉冲的目标延时大小为t

对延时前后的分布函数分别做傅里叶变换，得到飞秒激光脉冲各个频率的单色光波的相位大小；

将延时前后的相位做差，得到每个单色光波的相位调制量。

例如，所述空间光相位调制器的分辨率为m×n，所述空间光相位调制器的相位调制区域划分为m×k个区域，每个区域对应一个灰度值，k的取值对应最终得到的飞秒激光脉冲串包含的飞秒激光脉冲的个数。

具体的，所述空间光相位调制器可采用液晶空间光调制器(Liquid CrystalSpatial Light Modulator,LC-SLM)。

所述整形单元包括沿光路依次设置的偏振片、半波片、第一柱面镜和第二柱面镜；所述第一柱面镜的焦距小于所述第二柱面镜的焦距，且两者共轴；所述第一柱面镜和所述第二柱面镜对应的放大方向与所述衍射单元的衍射方向垂直；所述偏振片和所述半波片用于将飞秒激光脉冲调整为水平偏振态，所述第一柱面镜和所述第二柱面镜用于将点脉冲放大为一维的线脉冲。

所述衍射单元包括沿光路依次设置的第一光栅和第三柱面镜；所述第一光栅用于将一维的线脉冲衍射为二维分布的多个单色光波，所述第三柱面镜用于将多个单色光波调整为平行光。

所述叠加单元包括沿光路依次设置的第二光栅、第四柱面镜、第五柱面镜和第六柱面镜；所述第二光栅与所述第一光栅采用相同的光栅结构，且两者方向平行；所述第五柱面镜的焦距大于所述第六柱面镜的焦距，且两者共轴；所述第五柱面镜和所述第六柱面镜对应的缩小方向与所述第二光栅的衍射方向垂直；所述第二光栅使所有的单色光波叠加，经所述第四柱面镜后调整为平行光，再经所述第五柱面镜、所述第六柱面镜后共轴，最终得到所述飞秒激光脉冲串。

与上述方法对应，本发明还提供一种可控间距飞秒激光脉冲串生成装置，包括：飞秒激光器、整形单元、衍射单元、空间光相位调制器和叠加单元。所述可控间距飞秒激光脉冲串生成装置用于实现如上述的可控间距飞秒激光脉冲串生成方法中的步骤。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供的可控间距飞秒激光脉冲串生成装置如图1所示，包括：飞秒激光器101、偏振片102、半波片103、第一柱面镜104、第二柱面镜105、第一光栅106、第三柱面镜107、液晶空间光调制器108、第二光栅109、第四柱面镜110、第五柱面镜111和第六柱面镜112。

参见图1至图3，本发明实施例提供的一种可控间距飞秒激光脉冲串生成方法包括以下步骤：

步骤1，所述飞秒激光器101产生飞秒激光脉冲并入射至所述偏振片102上。所述飞秒激光器101优选的是Coherent公司的飞秒激光器，型号为Vitara-T-HP，设定中心波长800nm、谱宽为40nm、脉宽40fs、重复频率80MHz。所述偏振片102与所述半波片103将飞秒激光脉冲调整为水平偏振态。之后，所述第一柱面镜104与所述第二柱面镜105将点脉冲转化为一维分布的线脉冲。

步骤2，一维的线脉冲入射至所述第一光栅106，线脉冲在所述第一光栅106上衍射，得到二维分布的多个单色光波，经所述第三柱面镜107后得到平行光，其分布如图2中的(a)所示。

步骤3，多个单色光波分别入射至所述液晶空间光调制器108上的不同区域，并完全覆盖所述液晶空间光调制器108的相位调制区域。所述液晶空间光调制器108选用的是UPOLabs公司的液晶空间光调制器，型号为HDSLM80R-Plus，分辨率1920×1200，单个像素点大小8μm，数据位深10bit，帧率60Hz。所述液晶空间光调制器108被分成1920×10个区域，对单色光波进行0至2π相位调制，每部分对单色光波的相位调制量(0～2π)与液晶空间光调制器上加载的灰度值(0～1023)呈线性对应关系。

每个单色光波的相位调制量的确定需要通过计算机算法完成。首先，模拟飞秒激光脉冲的分布函数，一般采用高斯函数作为包络函数，设置10组飞秒激光脉冲延时大小为t

下面结合公式做进一步的说明。

设第i个单色光波y

当对第i个单色光波y

t

由于单色光是周期为T

t

因此对于任意所需的延时t

根据每个单色光波的相位调制量θ

步骤4，相位调制后的多个单色光波均入射至所述第二光栅109，延时后的单色光经所述第二光栅109叠加，得到10个飞秒激光脉冲，然后经所述第四柱面镜110得到平行光，如图2中的(c)所示。之后10个飞秒激光脉经所述第五柱面镜111、所述第六柱面镜112后共轴，转化为由10个飞秒激光脉冲组成的脉冲串，如图2中的(d)所示。

综上，利用本发明提供的方法进行飞秒激光脉冲串生成时，实验者可以根据实验环境需要的飞秒激光脉冲延时大小，通过计算设定好空间光调制器上每个区域(具体为设定每个像素点)的相位调制量，通过飞秒激光器根据需要发出单个飞秒激光脉冲，并依次通过整形单元、衍射单元、空间光相位调制器和叠加单元进行可控延时，使得单个飞秒激光脉冲可以变为飞秒激光脉冲串，且飞秒激光脉冲串中的每个飞秒激光脉冲都可以达到所设定的延时效果。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。