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(guò)級(jí)聯(lián)分光合光的方式將一個(gè)超快激光單脈沖調(diào)制成由兩個(gè)或多個(gè)間隔為飛秒到皮秒量級(jí)的子脈沖構(gòu)成的脈沖序列，并且可以精確控制子脈沖個(gè)數(shù)、子脈沖之間延時(shí)和每個(gè)子脈沖能量。本發(fā)明的有益效果為：結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，占用光學(xué)元件少，占用空間小，各子脈沖相互獨(dú)立，對(duì)其能量和延時(shí)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(jí)數(shù)來(lái)增減出射激光脈沖序列中子脈沖的個(gè)數(shù)，而不影響原有脈沖序列中各子脈沖的延時(shí)分布。
【專利說(shuō)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(shí)間極短，短到比很多微觀物理化學(xué)過(guò)程都短，這使 得讓人類認(rèn)識(shí)和觀察超快瞬間過(guò)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(guò)程。另一方面，超快激光極短的脈沖持續(xù)時(shí)間也意味著極高的瞬時(shí)功率，極高的電磁場(chǎng) 強(qiáng)度，這種極端性質(zhì)的電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用必然會(huì)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(guò)理論模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用多個(gè)時(shí)間延遲和能量分布經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的脈沖 構(gòu)成的脈沖序列代替單個(gè)超快激光脈沖加工材料時(shí)，會(huì)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(shí)在fs和ps量級(jí)，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(diǎn)是無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，方便高效準(zhǔn)確，對(duì) 超快激光時(shí)域展寬小，缺點(diǎn)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(gè)時(shí) 基本沒(méi)法使用；普通分光合光法一般利用一對(duì)兒相互垂直的反射鏡的平移來(lái)控制光程差 (也即子脈沖間延時(shí)），原理簡(jiǎn)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(shí)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(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(jí)分成多個(gè)子脈沖；
[0008] (2)然后對(duì)這多個(gè)子脈沖分別進(jìn)行延時(shí)和能量調(diào)制；以及
[0009] (3)最后再通過(guò)另一組分光鏡逐級(jí)耦合到一條直線上輸出，形成由多個(gè)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(gè)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(gè) 光路呈現(xiàn)一種多級(jí)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(guò)調(diào)節(jié)每一級(jí)并聯(lián)支路的傾斜角 度可以改變通過(guò)該支路的子脈沖的光程，進(jìn)而控制其延時(shí)，這是通過(guò)調(diào)節(jié)該支路前后兩個(gè) 分光鏡的角度和位置來(lái)實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)每一級(jí)并聯(lián)支路中的衰減 片，可以調(diào)整對(duì)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(jiǎn)單，占用光學(xué)元件少，占用空間小，各子 脈沖相互獨(dú)立，對(duì)其能量和延時(shí)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(jí)數(shù)來(lái)增減出射激光脈沖序列中子脈沖的個(gè)數(shù)，而不影響原有脈沖序列中各子脈 沖的延時(shí)分布。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的以一個(gè)雙脈沖光路為例，介紹順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并聯(lián)光路分 支對(duì)光程的影響的簡(jiǎn)化原理圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例所述的以一個(gè)雙脈沖光路為例，介紹逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并聯(lián)光路分 支對(duì)光程的影響的簡(jiǎn)化原理圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明實(shí)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(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明實(shí)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(jí)分成多個(gè)子脈沖；
[0023] (2)然后對(duì)這多個(gè)子脈沖分別進(jìn)行延時(shí)和能量調(diào)制；以及
[0024] (3)最后再通過(guò)另一組分光鏡逐級(jí)耦合到一條直線上輸出，形成由多個(gè)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(gè)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(gè)光路呈現(xiàn)一 種多級(jí)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(guò)調(diào)節(jié)每一級(jí)并聯(lián)支路的傾斜角度可以改 變通過(guò)該支路的子脈沖的光程，進(jìn)而控制其延時(shí)，這是通過(guò)調(diào)節(jié)該支路前后兩個(gè)分光鏡的 角度和位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0027] 步驟（3)中，進(jìn)一步包括以下步驟：通過(guò)調(diào)節(jié)每一級(jí)并聯(lián)支路中的衰減片，可以調(diào) 整對(duì)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(tái)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(tái)上，最后把精密平移臺(tái)固定在光學(xué)平臺(tái)上。其他光學(xué)元件（光快門、連 續(xù)衰減片、光闌）都通過(guò)高度可調(diào)的支桿支座直接固定在光學(xué)平臺(tái)上。調(diào)整這些光學(xué)元器 件，使入射激光按照?qǐng)D1所示的傳播路徑通過(guò)每一個(gè)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(guò)兩軸鏡架來(lái)實(shí)現(xiàn)，所有分光鏡和反射鏡的 平移調(diào)整則由精密平移臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0030] 需要調(diào)整某兩個(gè)子脈沖的相對(duì)延時(shí)的時(shí)候，這里以調(diào)整子脈沖31相對(duì)子脈沖30 的延時(shí)為例，可以把除這兩個(gè)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(dòng)，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(huì)發(fā)生改變，甚至有可能脫離分光鏡 61的范圍，這時(shí)候調(diào)整分光鏡61所在的平移臺(tái)，可以用電動(dòng)也可以用手動(dòng)方式，讓光束31 重新照射到分光鏡61的中心，這個(gè)時(shí)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(guò)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(guò)程完 成，這兩個(gè)子脈沖的具體相對(duì)延時(shí)可以通過(guò)在光束輸出口放置的自相關(guān)儀進(jìn)行測(cè)量。如果 測(cè)量結(jié)果比想要設(shè)定的延時(shí)大，可以重復(fù)上面的調(diào)整過(guò)程，減小光束31相對(duì)光束30的傾斜 角度，反之，增大光束31相對(duì)光束30的傾斜角度。
[0031] 為了調(diào)整起來(lái)簡(jiǎn)單，所有其他脈沖的延時(shí)調(diào)整都可以選用同一個(gè)子脈沖（例如 30)作為參照。
[0032] 需要調(diào)整某一個(gè)子脈沖（例如30)的能量時(shí)，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(gè)功率計(jì)，用于測(cè)量該子脈沖的能量，旋轉(zhuǎn)該子光路對(duì) 應(yīng)的連續(xù)衰減片（例如50)，調(diào)整到對(duì)應(yīng)的能量即可。
[0033] 以一個(gè)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(shí)的原理和方法。第一 個(gè)子脈沖沿著路徑1-10-60-5傳播，第二個(gè)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(shí)，AB⑶1是平行四邊形，所以兩個(gè)子脈沖的光程相同。此時(shí) 若反射鏡15繞著光束20的入射點(diǎn)C順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)角度Θ，光束20的反射光線35就會(huì) 偏轉(zhuǎn)2 Θ角，沿著CD2方向傳播，如果分光鏡65不動(dòng)，光束35在分光鏡65上的入射點(diǎn)就會(huì) 向右上方偏移，經(jīng)過(guò)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(shí)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(diǎn)重新回到鏡片65中央，即與光束70的入射點(diǎn)重合，此時(shí)如 果用紙片擋在分光鏡65右邊，可以看到兩個(gè)光斑，然后將分光鏡65沿著光束70的入射點(diǎn) D2順時(shí)針，直到紙片上的兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)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(jí)分成多個(gè)子脈沖； (2) 然后對(duì)這多個(gè)子脈沖分別進(jìn)行延時(shí)和能量調(diào)制；以及 (3) 最后再通過(guò)另一組分光鏡逐級(jí)耦合到一條直線上輸出，形成由多個(gè)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(gè)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(gè)光路呈現(xiàn)一種多級(jí)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(guò)調(diào)節(jié)每一級(jí)并聯(lián)支路的傾斜角度可以改變通過(guò)該支路的子脈沖的光 程，進(jìn)而控制其延時(shí)，這是通過(guò)調(diào)節(jié)該支路前后兩個(gè)分光鏡的角度和位置來(lái)實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)每一級(jí)并聯(lián)支路中的衰減片，可以調(diào)整對(duì)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(hào)】B23K26/064GK104218441SQ201310209631
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中自高科（蘇州）光電有限公司