一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法，通過級聯(lián)分光合光的方式將一個超快激光單脈沖調(diào)制成由兩個或多個間隔為飛秒到皮秒量級的子脈沖構(gòu)成的脈沖序列，并且可以精確控制子脈沖個數(shù)、子脈沖之間延時和每個子脈沖能量。本發(fā)明的有益效果為：結(jié)構(gòu)原理簡單，占用光學(xué)元件少，占用空間小，各子脈沖相互獨立，對其能量和延時的調(diào)節(jié)互不影響，且可以在入射激光和出射激光之間隨意增減分光級數(shù)來增減出射激光脈沖序列中子脈沖的個數(shù)，而不影響原有脈沖序列中各子脈沖的延時分布。
【專利說明】一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 超快激光由于它的脈沖持續(xù)時間極短，短到比很多微觀物理化學(xué)過程都短，這使 得讓人類認(rèn)識和觀察超快瞬間過程成為可能，比如觀察化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵斷裂，原子重組 的過程。另一方面，超快激光極短的脈沖持續(xù)時間也意味著極高的瞬時功率，極高的電磁場 強(qiáng)度，這種極端性質(zhì)的電磁場與物質(zhì)相互作用必然會有一些特殊的現(xiàn)象或者規(guī)律，在超快 微納制造、超快生命科學(xué)、超快化學(xué)等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。
[0003] 人們通過理論模擬和實驗發(fā)現(xiàn)，用多個時間延遲和能量分布經(jīng)過精心設(shè)計的脈沖 構(gòu)成的脈沖序列代替單個超快激光脈沖加工材料時，會得到更好的加工質(zhì)量和加工效率。 但是要求脈沖序列中子脈沖間延時在fs和ps量級，超快激光器本身的重復(fù)頻率很難達(dá)到 這么高，目前常用的方法主要有空間光調(diào)制法（傅里葉光學(xué)調(diào)制）和分光合光法（幾何光 學(xué)調(diào)制）兩種?？臻g光調(diào)制法有成型的設(shè)備，其優(yōu)點是無機(jī)械運(yùn)動部件，方便高效準(zhǔn)確，對 超快激光時域展寬小，缺點是這種設(shè)備成本非常高，能量利用效率低，子脈沖數(shù)多于5個時 基本沒法使用；普通分光合光法一般利用一對兒相互垂直的反射鏡的平移來控制光程差 (也即子脈沖間延時），原理簡單，但是需要的光學(xué)元件較多，占用空間大，多用于雙脈沖， 用于多脈沖時尤其復(fù)雜，調(diào)整和校準(zhǔn)工作量非常大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法，以克服目前現(xiàn)有技術(shù)存在 的上述不足。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0006] -種超快激光脈沖序列調(diào)制方法，所述方法包括以下步驟：
[0007] (1)入射激光被一組分光鏡逐級分成多個子脈沖；
[0008] (2)然后對這多個子脈沖分別進(jìn)行延時和能量調(diào)制；以及
[0009] (3)最后再通過另一組分光鏡逐級耦合到一條直線上輸出，形成由多個子脈沖構(gòu) 成的脈沖序列。
[0010] 進(jìn)一步的，步驟（1)中，進(jìn)一步包括以下步驟：激光在同一個平面內(nèi)傳播，入射激 光方向和出射激光方向互相平行，各子脈沖沿著直線傳播，連接入射激光和出射激光，整個 光路呈現(xiàn)一種多級并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟（2)中，進(jìn)一步包括以下步驟：通過調(diào)節(jié)每一級并聯(lián)支路的傾斜角 度可以改變通過該支路的子脈沖的光程，進(jìn)而控制其延時，這是通過調(diào)節(jié)該支路前后兩個 分光鏡的角度和位置來實現(xiàn)的。
[0012] 進(jìn)一步的，步驟（3)中，進(jìn)一步包括以下步驟：通過調(diào)節(jié)每一級并聯(lián)支路中的衰減 片，可以調(diào)整對應(yīng)子脈沖的能量，從而控制最后輸出的脈沖序列中各子脈沖的能量分布。
[0013] 本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡單，占用光學(xué)元件少，占用空間小，各子 脈沖相互獨立，對其能量和延時的調(diào)節(jié)互不影響，且可以在入射激光和出射激光之間隨意 增減分光級數(shù)來增減出射激光脈沖序列中子脈沖的個數(shù)，而不影響原有脈沖序列中各子脈 沖的延時分布。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015] 圖1是本發(fā)明實施例所述的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明實施例所述的以一個雙脈沖光路為例，介紹順時針旋轉(zhuǎn)并聯(lián)光路分 支對光程的影響的簡化原理圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明實施例所述的以一個雙脈沖光路為例，介紹逆時針旋轉(zhuǎn)并聯(lián)光路分 支對光程的影響的簡化原理圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明實施例所述的光程隨并聯(lián)光路分支旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線圖。
[0019] 圖中：
[0020] 1是入射超快激光；2(3、80、81、82、83、84、85、86)、光闌；4、擋光器；5、出射超快 激光脈沖序列；10(11、12、13、14、61、62、63、64、65)、超快激光分光鏡；15(60)、超快激光 反射鏡；20(21、22、23、24、30、31、32、33、34、35、70、71、72、73、74、90、91、92、93、94)、光束； 40(41、42、43、44、45)、光快門；50(51、52、53、54、55)、連續(xù)衰減片。

【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明實施例所述的一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法，所述方法包括以下步驟：
[0022] (1)入射激光被一組分光鏡逐級分成多個子脈沖；
[0023] (2)然后對這多個子脈沖分別進(jìn)行延時和能量調(diào)制；以及
[0024] (3)最后再通過另一組分光鏡逐級耦合到一條直線上輸出，形成由多個子脈沖構(gòu) 成的脈沖序列。
[0025] 步驟（1)中，進(jìn)一步包括以下步驟：激光在同一個平面內(nèi)傳播，入射激光方向和出 射激光方向互相平行，各子脈沖沿著直線傳播，連接入射激光和出射激光，整個光路呈現(xiàn)一 種多級并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)。
[0026] 步驟（2)中，進(jìn)一步包括以下步驟：通過調(diào)節(jié)每一級并聯(lián)支路的傾斜角度可以改 變通過該支路的子脈沖的光程，進(jìn)而控制其延時，這是通過調(diào)節(jié)該支路前后兩個分光鏡的 角度和位置來實現(xiàn)的。
[0027] 步驟（3)中，進(jìn)一步包括以下步驟：通過調(diào)節(jié)每一級并聯(lián)支路中的衰減片，可以調(diào) 整對應(yīng)子脈沖的能量，從而控制最后輸出的脈沖序列中各子脈沖的能量分布
[0028] 如圖1所示，分光鏡10、11、12、13、14和反射鏡15都先安裝在兩軸可調(diào)鏡架上，鏡 架下面用高度可調(diào)的光學(xué)支桿支座支撐并固定在光學(xué)平臺上，分光鏡60、61、62、63、64和 反射鏡65都先安裝在兩軸可調(diào)鏡架上，鏡架下面用高度可調(diào)的光學(xué)支桿支座支撐并固定 在微米精度的平移臺上，最后把精密平移臺固定在光學(xué)平臺上。其他光學(xué)元件（光快門、連 續(xù)衰減片、光闌）都通過高度可調(diào)的支桿支座直接固定在光學(xué)平臺上。調(diào)整這些光學(xué)元器 件，使入射激光按照圖1所示的傳播路徑通過每一個光學(xué)元件的中心并保證光高一致。
[0029] 所有分光鏡和反射鏡的角度調(diào)整都通過兩軸鏡架來實現(xiàn)，所有分光鏡和反射鏡的 平移調(diào)整則由精密平移臺來實現(xiàn)。
[0030] 需要調(diào)整某兩個子脈沖的相對延時的時候，這里以調(diào)整子脈沖31相對子脈沖30 的延時為例，可以把除這兩個子脈沖之外的其他子脈沖光路（32、33、34、35)用白紙板等物 擋住，保持被參考的子光路30不動，先調(diào)整分光鏡11的二維可調(diào)鏡架旋鈕，使子光束31的 傳播方向傾斜，光束31照射到分光鏡61上的位置就會發(fā)生改變，甚至有可能脫離分光鏡 61的范圍，這時候調(diào)整分光鏡61所在的平移臺，可以用電動也可以用手動方式，讓光束31 重新照射到分光鏡61的中心，這個時候，從分光鏡61反射出去的光束肯定與從61透射出 去的光束不重合，再通過調(diào)整61所在的二維鏡架旋鈕，讓這兩束光重合。至此，調(diào)整過程完 成，這兩個子脈沖的具體相對延時可以通過在光束輸出口放置的自相關(guān)儀進(jìn)行測量。如果 測量結(jié)果比想要設(shè)定的延時大，可以重復(fù)上面的調(diào)整過程，減小光束31相對光束30的傾斜 角度，反之，增大光束31相對光束30的傾斜角度。
[0031] 為了調(diào)整起來簡單，所有其他脈沖的延時調(diào)整都可以選用同一個子脈沖（例如 30)作為參照。
[0032] 需要調(diào)整某一個子脈沖（例如30)的能量時，擋住所有其他子脈沖光路（例如31、 32、33、34、35)，在光路出口處放置一個功率計，用于測量該子脈沖的能量，旋轉(zhuǎn)該子光路對 應(yīng)的連續(xù)衰減片（例如50)，調(diào)整到對應(yīng)的能量即可。
[0033] 以一個雙脈沖光路為例，詳細(xì)介紹本發(fā)明調(diào)節(jié)子脈沖間延時的原理和方法。第一 個子脈沖沿著路徑1-10-60-5傳播，第二個子脈沖沿著路徑1-15-65-5。當(dāng)反射鏡15和分光 鏡65處于虛線所示位置和角度時，AB⑶1是平行四邊形，所以兩個子脈沖的光程相同。此時 若反射鏡15繞著光束20的入射點C順時針方向偏轉(zhuǎn)角度Θ，光束20的反射光線35就會 偏轉(zhuǎn)2 Θ角，沿著CD2方向傳播，如果分光鏡65不動，光束35在分光鏡65上的入射點就會 向右上方偏移，經(jīng)過分光鏡65之后的反射光也就不再與光束5重合，如果角度Θ足夠大， 光線35甚至有可能脫離分光鏡65。所以這時候需要調(diào)整分光鏡65的角度和位置，使得光 束35在分光鏡65上的反射光與光束5重新重合。調(diào)整方法是，先將鏡片65向右平移，使 光線35在分光鏡65上的入射點重新回到鏡片65中央，即與光束70的入射點重合，此時如 果用紙片擋在分光鏡65右邊，可以看到兩個光斑，然后將分光鏡65沿著光束70的入射點 D2順時針，直到紙片上的兩個光斑重合（理論上分光鏡65需要旋轉(zhuǎn)Θ角），這樣調(diào)整后的 光路是AB⑶2,這時，兩個子脈沖的路徑分別為ABD2和A⑶2,光程差為：

【權(quán)利要求】
1. 一種超快激光脈沖序列調(diào)制方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟： (1) 入射激光被一組分光鏡逐級分成多個子脈沖； (2) 然后對這多個子脈沖分別進(jìn)行延時和能量調(diào)制；以及 (3) 最后再通過另一組分光鏡逐級耦合到一條直線上輸出，形成由多個子脈沖構(gòu)成的 脈沖序列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超快激光脈沖序列調(diào)制方法，其特征在于：步驟⑴中，進(jìn)一 步包括以下步驟：激光在同一個平面內(nèi)傳播，入射激光方向和出射激光方向互相平行，各子 脈沖沿著直線傳播，連接入射激光和出射激光，整個光路呈現(xiàn)一種多級并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超快激光脈沖序列調(diào)制方法，其特征在于：步驟⑵中，進(jìn)一 步包括以下步驟：通過調(diào)節(jié)每一級并聯(lián)支路的傾斜角度可以改變通過該支路的子脈沖的光 程，進(jìn)而控制其延時，這是通過調(diào)節(jié)該支路前后兩個分光鏡的角度和位置來實現(xiàn)的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超快激光脈沖序列調(diào)制方法，其特征在于：步驟⑶中，進(jìn)一 步包括以下步驟：通過調(diào)節(jié)每一級并聯(lián)支路中的衰減片，可以調(diào)整對應(yīng)子脈沖的能量，從而 控制最后輸出的脈沖序列中各子脈沖的能量分布。
【文檔編號】B23K26/064GK104218441SQ201310209631
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】姜瀾, 曹強(qiáng), 余彥武 申請人:中自高科（蘇州）光電有限公司