專利名稱：調(diào)制被控激光光束相位的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種調(diào)制被控激光光束相位的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
為了解決目前高速、大容量通信網(wǎng)絡(luò)以及光網(wǎng)絡(luò)中電子開關(guān)對網(wǎng)絡(luò)容量的升級限 制，光開關(guān)逐漸成為人們關(guān)注的對象。較早的電光開關(guān)、熱光開關(guān)、磁光開關(guān)等開關(guān)速度較 慢，不能滿足全光網(wǎng)絡(luò)的要求，故實現(xiàn)全光開關(guān)對未來光通信是必要的。而通過控制入射光 的相位來實現(xiàn)光開關(guān)功能是制造全光開關(guān)的有效途徑之一。采用聲光法對光束進行調(diào)制具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和良好的光點質(zhì)量以及低的 價格，并且與機械調(diào)制方式相比，它具有更小的體積、重量和更好的輸出波形，但是其轉(zhuǎn)換 效率很低，并且需要設(shè)計與驅(qū)動電路相匹配的聲光相位調(diào)制器；體調(diào)制器雖然能夠有效地 對光束相位進行調(diào)制，但是需要在晶體兩端施加相當(dāng)高的電壓來改變晶體的光學(xué)性質(zhì)，這 就使通過的光波受到了限制；光波導(dǎo)相位調(diào)制器雖然將光波導(dǎo)限制在微米量級的光波導(dǎo) 中，并使其沿一定的方向傳播，但是其兩端同樣需要施加相當(dāng)高的電壓，而且晶體本身的色 散嚴(yán)重，故對系統(tǒng)本身的色散匹配提出了很高的要求。而利用KTP晶體在飛秒激光脈沖作 用下的灰跡特性調(diào)制被控激光光束相位，可以使光交換和光路完全在光域范圍內(nèi)實現(xiàn)，可 明顯地縮短開關(guān)時間。KTP晶體的灰跡現(xiàn)象使灰跡區(qū)域的折射率出現(xiàn)空間分布，從而使通過此區(qū)域的被 控激光光束相位在空間發(fā)生變化。當(dāng)照射在KTP晶體上的飛秒激光脈沖的功率密度和重復(fù) 頻率不同時，KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)激發(fā)的灰跡密度也不同，這就意味著KTP晶體中飛 秒激光輻照區(qū)的折射率的空間變化不同，經(jīng)過此區(qū)域的光束的相位變化也不同。同時KTP 晶體灰跡具有可回復(fù)特性，這就使得利用KTP晶體的灰跡特性實現(xiàn)相位控制具有可重復(fù)操 作性。故可以利用KTP晶體的這種特性實現(xiàn)快速全光相位控制。當(dāng)高強度激光與KTP晶體相互作用時，由于多光子電離、隧道電離、雪崩電離等非 線性過程產(chǎn)生大量電子-空穴對，當(dāng)電子或空穴被晶體本身缺陷捕獲時形成色心，色心大 量吸收入射光的能量，在光行進的路徑上表現(xiàn)為一條灰色的暗跡，即灰跡，經(jīng)長時間的放置 或高溫退火此灰跡可消失。灰跡的出現(xiàn)使KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)的折射率發(fā)生變化， 從而使經(jīng)過激光輻照區(qū)的被控激光光束相位發(fā)生變化。入射激光的峰值功率密度、重復(fù)頻 率，以及聚焦半徑直接影響灰跡密度，灰跡密度直接決定了被控激光光束的相位變化。入射 激光的功率密度、重復(fù)頻率越高，灰跡密度越高，被控激光光束相位變化越大，而入射飛秒 激光聚焦半徑越小，灰跡密度越高，相位變化越大。因此，根據(jù)高強度激光與KTP晶體相互 作用時的灰跡特性來調(diào)制被控激光光束的相位，這正是本發(fā)明的任務(wù)所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷與不足，提供一種調(diào)制被控激光光束相位的方法；該方法就是利用高強度飛秒激光脈沖與KTP晶體相互作用時，非線 性效應(yīng)引起的灰跡現(xiàn)象使KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)域折射率發(fā)生變化，通過控制折射率 的變化來調(diào)制被控激光光束的相位。本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)調(diào)制被控激光光束相位方法的裝置；該裝置中 的環(huán)路徑向剪切干涉裝置為共路系統(tǒng)，它擔(dān)負(fù)著在線監(jiān)測被控激光光束相位的變化，其測 量結(jié)果準(zhǔn)確，并將測得數(shù)據(jù)傳送給計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行 處理并實時輸出被控激光光束的相位。本發(fā)明的基本思想是所述調(diào)制被控激光光束的相位方法是利用KTP晶體在高強 度飛秒激光脈沖作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象_灰跡現(xiàn)象，通過灰跡區(qū)域折射率的變化來調(diào)制 被控激光光束的相位。由于高強度飛秒激光與KTP晶體相互作用時，多光子電離、隧道電離 和雪崩電離等非線性過程使電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量電子-空穴對，電子或空穴 被晶體本身缺陷捕獲形成色心，在光行進的路徑上出現(xiàn)一灰色暗跡，即灰跡?；役E的出現(xiàn)使 晶體輻照區(qū)域的折射率發(fā)生變化，故使經(jīng)過此區(qū)域的光的相位發(fā)生變化。晶體輻照區(qū)域折 射率的變化與灰跡密度有關(guān)，而灰跡密度又是入射飛秒激光脈沖峰值功率密度和重復(fù)頻率 的函數(shù)，因此，通過改變?nèi)肷滹w秒激光脈沖的峰值功率密度和重復(fù)頻率即可調(diào)制被控激光 光束的相位。本發(fā)明還為實現(xiàn)調(diào)制被控激光光束相位方法提供一種被控激光光束的相位調(diào) 制裝置，該裝置通過改變?nèi)肷滹w秒激光脈沖的峰值功率密度和重復(fù)頻率調(diào)制被控激光光束 的相位，并通過所述裝置中的環(huán)路徑向剪切干涉裝置來實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)在線監(jiān)測被控 激光光束相位的變化，并將測得數(shù)據(jù)傳送給計算機控制系統(tǒng)實時處理，根據(jù)處理結(jié)果和用 戶的實際需要控制飛秒激光脈沖的峰值功率密度、重復(fù)頻率以及飛秒激光脈沖開關(guān)，從而 實現(xiàn)相位開關(guān)的目的。本發(fā)明的目的是通過以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明的調(diào)制被控激光光束相位的方法，是利用KTP晶體與飛秒激光脈沖相互作 用產(chǎn)生的灰跡現(xiàn)象使飛秒激光輻照區(qū)域的折射率發(fā)生變化，從而改變被控激光光束的相 位，包括以下操作步驟(1)被控激光光束的相位變化由灰跡密度決定，而灰跡密度為飛秒激光脈沖峰值 功率密度和重復(fù)頻率的函數(shù)，根據(jù)被控激光光束相位的變化量計算出飛秒激光脈沖的峰值 功率密度和重復(fù)頻率，再根據(jù)計算結(jié)果設(shè)定飛秒激光脈沖對應(yīng)的峰值功率密度和重復(fù)頻 率；(2)打開飛秒激光脈沖，使其聚焦到KTP晶體中，并與KTP晶體相互作用產(chǎn)生灰跡， 灰跡令飛秒激光輻照區(qū)域的折射率變化；(3)打開被控激光光束，使其與飛秒激光共路通過KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)域， 通過控制飛秒激光輻照區(qū)域折射率的變化來調(diào)制被控激光光束的相位；(4)采用環(huán)路徑向剪切干涉裝置在線監(jiān)測被控激光光束的相位變化，并將測得數(shù) 據(jù)發(fā)送給計算機控制系統(tǒng)實時處理，計算機控制系統(tǒng)根據(jù)處理的數(shù)據(jù)和用戶的實際需求控 制飛秒激光脈沖的峰值功率密度、重復(fù)頻率以及飛秒激光脈沖的開關(guān)；(5)透過KTP晶體的被控激光光束經(jīng)分光鏡分光后，一束被擴束，一束被縮束，擴 束和縮束的光在環(huán)路徑向剪切干涉裝置中的CXD前干涉，用CXD記錄此干涉條紋，再將干涉 條紋送予計算機控制系統(tǒng)進行實時處理，即得出被控激光光束相位的變化量。
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上述技術(shù)方案中，所述被控激光光束的干涉條紋通過計算機控制系統(tǒng)進行處理包 括以下步驟①截取干涉條紋有效部分；②對截取的干涉條紋作傅里葉變換，頻譜濾波、移頻后再作傅里葉反變換得到位 相差；③最后由位相差通過相位迭代算法復(fù)原真實的波前相位。上述技術(shù)方案中，所述飛秒激光器的脈寬不得大于lOOfs。為實現(xiàn)本發(fā)明所述調(diào)制被控激光光束相位的方法，提供一種調(diào)制被控激光光束相 位的裝置，該裝置包括飛秒激光器，第一分光鏡、第二分光鏡和第三分光鏡，能量計，第一透 鏡，第二透鏡和第三透鏡，被控激光光束，KTP晶體，濾光片，第一全反射鏡和第二全反射鏡， CCD，同步控制器，路由器和計算機控制系統(tǒng)；其中，由所述第三分光鏡，第一全反射鏡和第 二全反射鏡，第二透鏡和第三透鏡及CXD構(gòu)成環(huán)路徑向剪切干涉裝置用以在線監(jiān)測被控激 光光束相位的變化，并將測得數(shù)據(jù)送給計算機控制系統(tǒng)實時處理；從飛秒激光器出射的飛 秒激光脈沖經(jīng)第一分光鏡分光后，一束入射到能量計，一束經(jīng)第一透鏡聚焦進入KTP晶體， 被控激光光束經(jīng)第二分光鏡后與飛秒激光共路進入KTP晶體，透過KTP晶體的光經(jīng)濾光片 后飛秒激光脈沖幾乎被全部濾掉，透過的被控激光光束經(jīng)第三分光鏡分光后，一束經(jīng)第二 透鏡和第一全反射鏡被擴束，一束經(jīng)第三透鏡和第二全反射鏡被縮束，擴束的光和縮束的 光在重疊區(qū)域干涉，由CCD實時記錄干涉條紋，將記錄的數(shù)據(jù)送給計算機控制系統(tǒng)實時處 理，計算機控制系統(tǒng)根據(jù)處理的數(shù)據(jù)和用戶的實際需求控制飛秒激光脈沖的峰值功率密 度、重復(fù)頻率以及飛秒激光脈沖的開關(guān)；所述同步控制器分別與飛秒激光器、能量計、被控激光光束、CCD和計算機控制系 統(tǒng)連接，路由器分別與能量計、CCD和計算機控制系統(tǒng)連接，并將測得的數(shù)據(jù)傳給計算機控 制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并實時輸出被控激光光束的相位。上述技術(shù)方案中，所述飛秒激光器脈寬不得大于lOOfs。上述技術(shù)方案中，所述CXD為光電探測器。本發(fā)明所述環(huán)路徑向剪切干涉裝置擔(dān)負(fù)在線監(jiān)測被控激光光束相位的變化。在該 裝置中，不同焦距的第二透鏡和第三透鏡和兩個對被控激光光束高反的第一全反射鏡和第 二全反射鏡組成環(huán)路開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第三分光鏡將被控激光光束分成兩束，一束沿順 時針方向通過開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)形成擴大光束，另一束沿逆時針方向反向通過開普勒望遠(yuǎn) 鏡系統(tǒng)形成縮小光束，擴大光束和縮小光束同時通過第三分光鏡并在重疊的區(qū)域形成干涉 條紋；由CCD記錄此干涉條紋，并將記錄的條紋信息傳送給計算機控制系統(tǒng)；計算機控制系 統(tǒng)對接收到的信息進行相應(yīng)的處理并輸出被調(diào)制的相位結(jié)果。由于所述環(huán)路徑向剪切干涉 裝置是共路系統(tǒng)，排除了機械不穩(wěn)定性和外部微擾帶來的影響，測量結(jié)果準(zhǔn)確，其測量結(jié)果 反饋給飛秒激光器，為精確調(diào)制被控激光光束的相位提供了可靠保障。并根據(jù)處理結(jié)果和 用戶的實際需要控制飛秒激光脈沖的峰值功率密度、重復(fù)頻率以及飛秒激光脈沖的開關(guān)， 從而實現(xiàn)相位開關(guān)的目的。本發(fā)明的調(diào)制被控激光光束相位的方法及其裝置具有以下有益技術(shù)效果1、本發(fā)明所述調(diào)制被控激光光束相位方法是利用KTP晶體的灰跡現(xiàn)象，能夠快速 改變被控激光光束的相位，同時也能快速的切斷被控激光光束的相位改變，從而提高了被控激光光束相位調(diào)制速度，為全光網(wǎng)絡(luò)相位調(diào)制提供了一種行之有效的方法。2、本發(fā)明所述調(diào)制被控激光光束相位方法的裝置中還利用環(huán)路徑向剪切干涉裝 置在線監(jiān)測被控激光光束的相位變化，并把測量結(jié)果反饋給計算機控制系統(tǒng)系統(tǒng)實時處 理，根據(jù)處理的結(jié)果及用戶的實際需要控制飛秒激光脈沖的峰值功率密度和重復(fù)頻率，因 而大大提高了控制精度，而且操作方便、簡單。3、本發(fā)明所述的環(huán)路徑向剪切干涉裝置由于為共路系統(tǒng)，排除了機械不穩(wěn)定性和 外部微擾帶來的影響，其測量結(jié)果準(zhǔn)確，將其測量結(jié)果反饋給飛秒激光器，為精確控制被控 激光光束的相位提供了可靠保障，為實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。4、本發(fā)明所述調(diào)制被控激光光束相位方法不僅能實時調(diào)制脈沖激光的相位，而且 能實時調(diào)制連續(xù)光的相位。


圖1為實現(xiàn)本發(fā)明調(diào)制被控激光光束相位方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1裝置中在線監(jiān)測被控激光光束相位變化的環(huán)路徑向剪切干涉裝置的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所用飛秒激光脈沖不同功率時，被控激光光束在飛秒激光脈沖打 開、照射和斷開過程中相位變化隨時間的變化曲線；圖4是本發(fā)明所用飛秒激光脈沖不同重復(fù)頻率時，被控激光光束在飛秒激光脈沖 打開、照射和斷開過程中相位變化隨時間的變化曲線；圖5是本發(fā)明所用飛秒激光照射過程中被控激光光束相位變化的空間分布示意 圖。圖中，1-飛秒激光器，2-第一分光鏡，3-能量計，4-第一透鏡，5-第二分光鏡， 6-被控激光光束，7-KTP晶體，8-濾光片，9-第三分光鏡，10-第二透鏡，11_第一全反射鏡， 12-第二全反射鏡，13-第三透鏡，14-CXD，15-同步控制器，16-路由器，17-計算機控制系 統(tǒng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，并通過具體實施例對本發(fā)明所述方法及其裝置作進一步詳細(xì)說 明，但它僅用于說明本發(fā)明的一些具體的實施方式，而不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護范圍的任 何限定。本發(fā)明實現(xiàn)調(diào)制被控激光光束相位的方法的裝置如圖1所示，圖1中，從飛秒激光 器1出射的飛秒激光脈沖經(jīng)第一分光鏡2分光后，一束入射到能量計3，一束經(jīng)第一透鏡4 聚焦進入KTP晶體7，被控激光光束6經(jīng)第二分光鏡5后與飛秒激光共路進入KTP晶體7， 透過KTP晶體7的光經(jīng)濾光片8后飛秒激光脈沖幾乎被全部濾掉，透過的被控激光光束6 經(jīng)第三分光鏡9分光后，一束經(jīng)第二透鏡10和第一全反射鏡11被擴束，一束經(jīng)第三透鏡13 和第二全反射鏡12被縮束，擴束的光和縮束的光在重疊區(qū)域干涉，由CCD14實時記錄干涉 條紋，將記錄的數(shù)據(jù)送給計算機控制系統(tǒng)17實時處理，計算機控制系統(tǒng)17再根據(jù)處理的數(shù) 據(jù)和用戶的實際需求控制飛秒激光脈沖的峰值功率密度、重復(fù)頻率以及飛秒激光脈沖的開 關(guān)。
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圖1中同步控制器15分別與飛秒激光器1、能量計3、被控激光光束6、CXD 14和 計算機控制系統(tǒng)17連接，當(dāng)給飛秒激光器1觸發(fā)信號使其工作時，KTP晶體7中飛秒激光 脈沖輻照區(qū)域的折射率在空間上發(fā)生變化，打開飛秒激光器1的同時觸發(fā)打開被控激光光 束6和CXD 14。路由器16分別與能量計3、CXD 14和計算機控制系統(tǒng)17連接，并將測得 的數(shù)據(jù)傳送給計算機控制系統(tǒng)17，計算機控制系統(tǒng)17對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并實時輸 出被控激光光束6的相位。圖2中，由第三分光鏡9，第一全反射鏡11和第二全反射鏡12，第二透鏡10和第 三透鏡13及CXD 14構(gòu)成環(huán)路徑向剪切干涉裝置，采用該環(huán)路徑向剪切干涉裝置在線監(jiān)測 被控激光光束相位的變化，并將測得數(shù)據(jù)信息送給計算機控制系統(tǒng)實時處理。該環(huán)路徑向 剪切干涉裝置具有高機械穩(wěn)定性、抗干擾能力、高精度測量以及在線實時監(jiān)測能力。本發(fā)明調(diào)制被控激光光束相位的方法，其特點是利用KTP晶體在高強度激光脈沖 作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象_灰跡現(xiàn)象，通過灰跡調(diào)制被控激光光束的相位。而灰跡引起的 KTP晶體的折射率變化為
(D其中e為電子電量，ω為激發(fā)光頻率，為電子質(zhì)量，τ。為碰撞時間，f為灰跡
密度同電子有效質(zhì)量的比值，n0為初始導(dǎo)帶電子密度，ε ^為真空介電常數(shù)。假設(shè)KTP晶體在光的傳播方向被均勻激發(fā)，所以可以用折射率變化的實部表示被 控激光光束的相位變化 其中λ為被控激光光束波長，L為KTP晶體厚度。根據(jù)(2)式即可通過改變灰跡密度來控制KTP晶體激光輻照區(qū)域的折射率，從而 調(diào)制經(jīng)過此區(qū)域的被控激光光束的相位變化。高強度激光與KTP晶體相互作用時，非線性過程使電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生 大量電子-空穴對，電子或空穴被晶體本身缺陷捕獲形成色心，在光行進的路徑上出現(xiàn)一 灰色暗跡，即灰跡，灰跡的出現(xiàn)使晶體輻照區(qū)域的折射率發(fā)生變化。任意激光脈沖激發(fā)的色 心數(shù)量可以表示為 其中D為比例常數(shù)，F(xiàn)m為入射光峰值光子通量密度，m為多光子吸收階數(shù)，kB 為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度，Utl為初始激活能，、為材料參數(shù)，σ為色心膨脹產(chǎn)生的應(yīng) 力。[R. Thmas CASPER, Scott C. JONES, Peter BRAUNLICH. F-center accumulation as amechanism of multiple-pulse laser-induced bulk damage in KBr and KI at 355 nm. Nuclearinstruments and methods in physics research B,46 (1990) 231-234]當(dāng)飛秒激光脈沖聚焦在KTP晶體中時，產(chǎn)生大量色心，同時有一部分色心將馳豫， 所以第一個脈沖照射后，KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)域的灰跡密度為 其中ρ為灰跡密度，P ^為初始灰跡密度，V為聚焦區(qū)體積，Δ凡為經(jīng)過足夠長的 時間后色心的改變，r為馳豫常數(shù)，t為時間。同樣地，第2、3··· (n-1)個脈沖照射后，KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)域的灰跡密度 為
P0V + DKKT exp [-("。-W)! kBT] 一 碰,[1 - exp (-")] A --
V 所以第η個脈沖照射后，KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)域的灰跡密度為 其中f為飛秒激光脈沖重復(fù)頻率，t為作用時間。當(dāng)飛秒激光脈沖停止照射時，灰跡產(chǎn)生也將停止，此時灰跡馳豫起主導(dǎo)作用，于是 關(guān)斷飛秒激光脈沖后灰跡密度隨時間的變化關(guān)系式為 綜合⑶式和(9)式，灰跡密度為 將(10)式代入(2)式即可得到飛秒激光脈沖作用下經(jīng)飛秒激光輻照區(qū)域的被控 激光光束的相位變化。實施例本實施例中，飛秒激光器1采用相干公司的LEGEND ELITE USP-HE飛秒激光器， 激光器脈寬為40飛秒，波長為800納米；第一分光鏡2對800納米激光透射與反射比為 1 9 ；能量計3采用Coherent公司的PMlO探頭和LabMax_Top表頭；第一透鏡4焦距為 400毫米；第二分光鏡5對800納米激光全透，而對632. 8納米激光全反；被控激光光束6 采用He-Ne激光器；濾光片8對800納米飛秒激光高反而對632. 8納米He-Ne激光高透，從 而排除飛秒激光對后續(xù)光路的影響；第三分光鏡9對He-Ne激光透射與反射比為7 3 ；第 二透鏡10選用焦距為200毫米的透鏡；第一全反射鏡11和第二全反射鏡12對632. 8納米 激光高反；第三透鏡13焦距為300毫米；CXD 14為北京微視新紀(jì)元科技有限公司公司生產(chǎn) 的MVC-IIIM型CCD，像素為1280X1024 ；同步控制器15內(nèi)部采用12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換，分辨 率可達0. 1% ；路由器16為一般以太網(wǎng)使用的通用路由器，至少具有12個接口 ；計算機控 制系統(tǒng)17為一般的PC機。按照圖1裝置所示的結(jié)構(gòu)連接好各元件，打開計算機控制系統(tǒng)中的調(diào)制被控激光 光束相位的控制軟件，本控制軟件基于WINDOWS操作系統(tǒng)，采用C++語言自行編制的控制軟 件，用于控制和協(xié)調(diào)圖1的光路中各光學(xué)元件的運行、實驗數(shù)據(jù)的處理以及輸出等。在調(diào)制被控激光光束相位的控制軟件界面中被控激光光束6的相位變化量一欄 輸入被控激光光束6的相位變化量，該相位變化量是根據(jù)用戶的實際需求而輸入，計算機 控制系統(tǒng)17將輸入的相位變化量代入公式(2)計算，得出改變此相位變化量所需的灰跡 密度，并將計算得出的灰跡密度代入公式(10)，從而計算出飛秒激光脈沖的峰值功率密度 和重復(fù)頻率，同時計算機控制系統(tǒng)17根據(jù)計算結(jié)果選定飛秒激光器1需設(shè)定的電流和重復(fù) 頻率，并向飛秒激光器1輸出一觸發(fā)信號，打開飛秒激光器1。KTP晶體7中飛秒激光輻照 區(qū)域由于非線性效應(yīng)迅速產(chǎn)生灰跡，灰跡區(qū)折射率迅速發(fā)生變化，從而改變被控激光光束6 的相位變化。打開飛秒激光脈沖的同時，計算機控制系統(tǒng)17通過調(diào)制被控激光光束相位的控制軟件調(diào)整CCD 14的曝光時間，CCD將記錄的干涉條紋實時傳送給計算機控制系統(tǒng)17， 計算機控制系統(tǒng)17接收數(shù)據(jù)后，截取干涉條紋有效部分，并對條紋進行如下處理①縮小光束和擴大光束在重疊的區(qū)域發(fā)生干涉，其干涉光強分布可以寫為 其中，f0x, f0y分別表示x，y方向的空間載頻；a(x，y)和b(x，y)分別表示背景光 強和條紋調(diào)制函數(shù)；△樹U)表示波前位相差分布；②對截取的干涉條紋作傅里葉變換，頻譜濾波、移頻后再作傅里葉反變換得到位 相差；這里只討論X方向上的空間載頻分量，公式(11)可以寫為 其中&表示X方向上的空間線性載頻，“*”表示共軛； 對(12)式兩邊作傅里葉變換得 其中，6江，7)、八仏7)、(^-&，7)、(*(捍&，7)分別為(12)式各項的傅里葉變換； 在頻域中通過一個濾波窗函數(shù)將包含剪切波前信息的基頻Ca-fy y)提取出來，并將它移 動到零頻的位置，得到C (f，y)，則有c(x,y) =F^{C(f, y)} (15)因此，根據(jù)公式(13)可以求得位相差為③由位相差通過相位迭代算法復(fù)原真實的波前相位。根據(jù)徑向剪切干涉原理，真 實的波前位相信息可以由波前迭代算法公式求得最后計算機控制系統(tǒng)17將處理的相位變化和輸入的相位變化進行比較，根據(jù)比 較結(jié)果調(diào)整飛秒激光脈沖的峰值功率密度及重復(fù)頻率。任務(wù)結(jié)束時，計算機控制系統(tǒng)17輸 出觸發(fā)信號將所有裝置關(guān)閉。所述飛秒激光脈沖一打開，被控激光光束6相位立即發(fā)生變化，隨著作用時間的 增加迅速增加，在一很短的時間內(nèi)趨于一穩(wěn)定值，如圖3和圖4所示，這主要是由于在飛秒 激光脈沖作用初期，灰跡的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用，隨著作用時間的增加灰跡的產(chǎn)生和回復(fù)達到 一個動態(tài)的平衡。由于灰跡具有可回復(fù)性，當(dāng)關(guān)閉飛秒激光脈沖時，灰跡產(chǎn)生停止，此時灰 跡的回復(fù)起主導(dǎo)作用，KTP晶體中飛秒激光脈沖輻照區(qū)的折射率變化迅速馳豫，故被控激光 光束6相位立即回到最初相位。從圖3中可以看出，入射飛秒激光脈沖的功率從310mW到690mff之間變化時，被控激光光束6相位從1. 7弧度變化到3. 9弧度。從圖4中可以看出， 入射飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率從333Hz到IkHz之間變化時，被控激光光束相位從1弧度變 化到3弧度。入射飛秒激光脈沖的峰值功率密度越高，激發(fā)的電子空穴對越多，即灰跡密度 越高，灰跡引起的KTP晶體7的折射率變化越大，折射率變化引起的被控激光光束6的相位 變化也越大，被控激光光束6相位變化量同入射飛秒激光脈沖的峰值功率密度是一一對應(yīng) 的，如圖3所示。同理入射飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率越高，灰跡密度越高，被控激光光束6 的相位變化也越大，被控激光光束6相位變化量同入射飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率也是一一 對應(yīng)的，如圖4所示。被控激光光束6在飛秒激光脈沖輻照中心處的相位變化呈高斯型，如 圖5所示，這主要與入射飛秒激光脈沖的強度分布有關(guān)。故通過改變?nèi)肷滹w秒激光脈沖的 峰值功率密度和重復(fù)頻率來調(diào)制被控激光光束6的相位變化的同時，還可以通過改變被控 激光光束6在KTP晶體7中的位置來改變被控激光光束6相位。
權(quán)利要求
一種調(diào)制被控激光光束相位的方法，其特征在于利用KTP晶體與飛秒激光脈沖相互作用產(chǎn)生的灰跡現(xiàn)象使在飛秒激光輻照區(qū)域的折射率發(fā)生變化，通過控制折射率變化來調(diào)制被控激光光束的相位，包括以下步驟(1)被控激光光束的相位變化由灰跡密度決定，而灰跡密度為飛秒激光脈沖峰值功率密度和重復(fù)頻率的函數(shù)，根據(jù)被控激光光束相位的變化量計算出飛秒激光脈沖的峰值功率密度和重復(fù)頻率，再根據(jù)計算結(jié)果設(shè)定飛秒激光脈沖對應(yīng)的峰值功率密度和重復(fù)頻率；(2)打開飛秒激光脈沖，使其聚焦到KTP晶體中，并與KTP晶體相互作用產(chǎn)生灰跡，灰跡令飛秒激光輻照區(qū)域的折射率變化；(3)打開被控激光光束，使其與飛秒激光脈沖共路通過KTP晶體中飛秒激光輻照區(qū)域，通過控制飛秒激光脈沖輻照區(qū)域折射率的變化來調(diào)制被控激光光束的相位；(4)采用環(huán)路徑向剪切干涉裝置在線監(jiān)測被控激光光束的相位變化，并將測得數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機控制系統(tǒng)實時處理，計算機控制系統(tǒng)根據(jù)處理的數(shù)據(jù)和用戶的實際需求控制飛秒激光脈沖的峰值功率密度、重復(fù)頻率以及飛秒激光脈沖的開關(guān)；(5)透過KTP晶體的被控激光光束經(jīng)分光鏡分光后，一束被擴束，一束被縮束，擴束和縮束的光在環(huán)路徑向剪切干涉裝置中的CCD前干涉，用CCD記錄此干涉條紋，再將干涉條紋送予計算機控制系統(tǒng)進行實時處理，即得出被控激光光束相位的變化量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述被控激光光束的干涉條紋通過計算機 控制系統(tǒng)實時處理，包括以下步驟①截取條紋有效部分；②對截取干涉條紋作傅里葉變換，頻譜濾波、移頻后再作傅里葉反變換得到位相差；③最后由位相差通過相位迭代算法復(fù)原真實的波前相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述飛秒激光器脈寬不得大于lOOfs。
4.一種實現(xiàn)調(diào)制被控激光光束相位的方法的裝置，其特征在于該裝置包括飛秒激光器 (1)，第一分光鏡(2)、第二分光鏡(5)和第三分光鏡(9)，能量計(3)，第一透鏡(4)，第二透 鏡(10)和第三透鏡(13)，被控激光光束(6)，KTP晶體(7)，濾光片(8)，第一全反射鏡(11) 和第二全反射鏡(12)，CCD(14)，同步控制器(15)，路由器(16)和計算機控制系統(tǒng)(17)；其 中，由所述第三分光鏡(9)，第一全反射鏡(11)和第二全反射鏡(12)，第二透鏡(10)和第 三透鏡(13)及(XD(14)構(gòu)成環(huán)路徑向剪切干涉裝置用以在線監(jiān)測被控激光光束相位的變 化，并將測得數(shù)據(jù)送給計算機控制系統(tǒng)實時處理；從飛秒激光器出射的飛秒激光脈沖經(jīng)第 一分光鏡分光后，一束入射到能量計，一束經(jīng)第一透鏡聚焦進入KTP晶體，被控激光光束經(jīng) 第二分光鏡后與飛秒激光共路進入KTP晶體，透過KTP晶體的光經(jīng)濾光片后飛秒激光脈沖 被全部濾掉，透過的被控激光光束經(jīng)第三分光鏡分光后，一束經(jīng)第二透鏡和第一全反射鏡 被擴束，一束經(jīng)第三透鏡和第二全反射鏡被縮束，擴束的光和縮束的光在重疊區(qū)域干涉，由 CCD實時記錄干涉條紋，將記錄的干涉條紋數(shù)據(jù)送給計算機控制系統(tǒng)實時處理；所述同步控制器(15)分別與飛秒激光器(1)、能量計(3)、被控激光光束(6)、CCD(14) 和計算機控制系統(tǒng)(17)連接，路由器(16)分別與能量計(3)、CCD(14)和計算機控制系統(tǒng) (17)連接，并將測得的數(shù)據(jù)傳給計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行處 理并實時輸出被控激光光束的相位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述飛秒激光器(1)的脈寬不得大于21OOfs。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述CCD(14)為光電探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種調(diào)制被控激光光束相位的方法及其裝置，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。該方法是利用飛秒激光脈沖與KTP晶體相互作用時，KTP晶體的非線性效應(yīng)引起的灰跡現(xiàn)象使飛秒激光輻照區(qū)的折射率發(fā)生變化，通過控制折射率變化來調(diào)制被控激光光束的相位；所述裝置包括飛秒激光器，分光鏡，透鏡，能量計，被控激光光束，KTP晶體，濾光片，同步控制器，路由器和計算機控制系統(tǒng)；及由透鏡、分光鏡、反射鏡和CCD構(gòu)成的環(huán)路徑向剪切干涉裝置進行在線監(jiān)測被控激光光束相位變化，并將測得數(shù)據(jù)傳給計算機控制系統(tǒng)實時處理，根據(jù)處理結(jié)果和用戶實際需要控制飛秒激光器的峰值功率密度、重復(fù)頻率及飛秒激光脈沖的開關(guān)，從而實現(xiàn)相位開關(guān)的目的。
文檔編號H01S3/00GK101902009SQ20101021023
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者馮國英, 張秋慧, 杜永兆 申請人:四川大學(xué)