飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，属于飞秒激光成丝领域，可应用领域包括三维飞秒激光加工、高强度高宽度超连续光源产生、在固体介质中周期结构的制备等领域。
【背景技术】
[0002]
当飞秒激光在光学介质中传输时，在克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应等非线性效应作用下，在介质中形成等离子体细丝，所形成的等离子体细丝目前已经广泛应用于空气激光，白光激光雷达，远程探测，脉冲压缩，太赫兹产生，微纳加工等领域中，但由于细丝的形成及传输过程多种非线性效应参与其中，细丝的数目，排布和长度等方面均不可控。虽然人们利用变形镜对激光波前进行改变也可以实现细丝的控制，但是变形镜由于本身结构的原因而具有一些缺点，例如对相位只能进行连续调节等，此外，利用相位板光阑或者网格等方法也能实现细丝的优化控制[Z.Q.Hao, K.Stelmaszczyk, P.Rohwetter, ff.M.Nakaema, and L.ffoeste, “Femtosecond laser filamentfringes in fused silica,”Opt.Express 19(8)，7799-7806 (2011)]，但是往往是以牺牲激光功率和超连续辐射的输出功率为代价，在激光输出功率和细丝可控程度均不能满足应用的要求。最近的研究发现，利用微透镜阵列对激光脉冲的空间强度分布进行调制，对于飞秒激光细丝的控制以及高功率超连续辐射输出，相对其他波前调制手段具有损伤阈值高、无能量损失、以及具有其他普通聚焦元件无可比拟的优点，但是，石英内多丝分布的模式差异很大，仍不能实现细丝排布的完全控制，本发明即实现提高了激光输入功率两个量级，又实现对阵列成丝的周期性、方向性的多维控制；
【发明内容】
[0003]本发明之飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，包括飞秒激光器1、干涉条纹产生和控制2、光学介质3、干涉条纹监视反馈系统4、阵列成丝监视反馈系统5，其中，飞秒激光器1和干涉条纹产生和控制2相连接;干涉条纹产生和控制2光学介质3相连接；光学介质3和干涉条纹监视反馈系统4、阵列成丝监视系统5和光学介质3相连接;干涉条纹监视反馈系统4是由光屏61、中性衰减片7、CCD相机8、计算9组成，阵列成丝监视反馈系统5是由成像透镜10、相机11、光屏6 Π组成。
[0004]飞秒激光器1采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量5mJ、重复频率1000Hz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统；
出射的飞秒激光通过调节干涉条纹产生和控制系统2，使两束激光在空间和时间上均相干；
所形成的干涉条纹使用干涉条纹反馈系统4(光屏16、中性衰减片7、CCD相机8、计算机9)来作为干涉条纹的实时监视； 移走光屏使得干涉条纹直接入射到光学介质3中，使用阵列成丝监视反馈系统5(成像透镜10、相机11、光屏Π 6)来作为阵列成丝的实时监视；
改变光学介质如透明液体(水、乙醇、甲醇)，玻璃等光学介质；
所述的操作流程如图5所示。结合硬件操作流程并说明本发明的操作步骤如下:
执行步骤12，开始，装置自检；自检正常，执行步骤12;
执行步骤13，开启飞秒激光器1，产生的飞秒激光脉冲；
执行步骤14，通过调节干涉条纹产生和控制系统2，使两束激光在空间和时间上均相干形成干涉条纹；
执行步骤13，放置光屏16、中性衰减片7，开启CCD相机8，开启计算机9，对所形成的干涉条纹进行监视反馈调节；
执行步骤14，产生需要的干涉条纹入射到光学介质中；
执行步骤15，通过成像透镜10成像到光屏Π 6上，由相机实时监视反馈阵列成丝；
执行步骤16，结束。
[0005]本发明中利用双激光光束干涉方法，通过控制两束光的角度和时间延迟，直接实现了光学介质中细丝阵列分布的周期，方向，以及细丝数目的调控。
【附图说明】
[0006]图1为本发明飞秒激光双光束干涉在光学介质中的阵列成丝装置结构图；
图2为本发明中干涉条纹监视反馈系统装置图；
图3为本发明中成阵列丝监视反馈系统装置图；
图4为本发明飞秒激光双光束干涉在光学介质中的阵列成丝装置的流程图；
图5为本发明不同周期干涉条纹CCD相机成像和不同周期多丝分布图；
图6为本发明不同方向干涉条纹CCD相机成像和不同方向多丝分布图。
【具体实施方式】
[0007]实施例1
本发明之飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，包括飞秒激光器1、干涉条纹产生和控制2、光学介质3、干涉条纹监视反馈系统4、阵列成丝监视反馈系统5，其中，飞秒激光器1和干涉条纹产生和控制2相连接;干涉条纹产生和控制2光学介质3相连接;光学介质3和干涉条纹监视反馈系统4、阵列成丝监视系统5和光学介质3相连接;干涉条纹监视反馈系统4是由光屏61、中性衰减片7、CCD相机8、计算9组成，阵列成丝监视反馈系统5是由成像透镜10、相机11、光屏6 Π组成。
[0008]飞秒激光器1采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量5mJ、重复频率1000Hz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统；
出射的飞秒激光通过调节干涉条纹产生和控制系统2，使两束激光在空间和时间上均相干；
所形成的干涉条纹使用干涉条纹反馈系统4(光屏16、中性衰减片7、CCD相机8、计算机9)来作为干涉条纹的实时监视；
移走光屏使得干涉条纹直接入射到光学介质3中，使用阵列成丝监视反馈系统5(成像透镜10、相机11、光屏π 6)来作为阵列成丝的实时监视；
改变光学介质如透明液体(水、乙醇、甲醇)，玻璃等光学介质；
所述的操作流程如图5所示。结合硬件操作流程并说明本发明的操作步骤如下:
执行步骤12，开始，装置自检；自检正常，执行步骤12;
执行步骤13，开启飞秒激光器1，产生的飞秒激光脉冲；
执行步骤14，通过调节干涉条纹产生和控制系统2，使两束激光在空间和时间上均相干形成干涉条纹；
执行步骤13，放置光屏16、中性衰减片7，开启CCD相机8，开启计算机9，对所形成的干涉条纹进行监视反馈调节；
执行步骤14，产生需要的干涉条纹入射到光学介质中；
执行步骤15，通过成像透镜10成像到光屏Π 6上，由相机实时监视反馈阵列成丝；
执行步骤16，结束。
[0009]本发明中利用双激光光束干涉方法，通过控制两束光的角度和时间延迟，直接实现了光学介质中细丝阵列分布的周期，方向，以及细丝数目的调控；
实施例2
光学介质改为液体酒精、水、甲醇;其余的同实施例1。
[0010]实施例3
光学介质改为玻璃;其余的同实施例1 实施例4
入射激光进入ΒΒ0晶体倍频后改为400nm，其余的同实施例1。
【主权项】
1.本发明之飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，包括飞秒激光器(1)、干涉条纹产生和控制系统(2)、光学介质(3)、干涉条纹监视反馈系统(4)、阵列成丝监视反馈系统(5)，其中，飞秒激光器(1)和干涉条纹产生和控制系统(2)相连接;干涉条纹产生和控制系统(2)光学介质(3)相连接;光学介质(3)和干涉条纹监视反馈系统(4)、阵列成丝监视系统(5)和光学介质(3)相连接;干涉条纹监视反馈系统(4)是由光屏(61)、中性衰减片(7)、CCD相机(8)、计算机(9)组成，阵列成丝监视反馈系统(5)是由成像透镜(10)、相机(11)、光屏(6Π)组成。 飞秒激光器(1)采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量5mJ、重复频率1000Hz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统； 飞秒激光通过干涉条纹产生和控制系统(2)，使两束激光在空间和时间上均相干； 所形成的干涉条纹使用干涉条纹反馈系统(4)进行实时监视； 移走光屏使干涉条纹直接入射到透明光学介质(3)中，使用阵列成丝监视反馈系统(5)进行阵列成丝的实时监视。2.根据权利要求1所述飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，其特征在于使用飞秒激光器(1)采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量5mJ、重复频率1000Hz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统经过干涉条纹产生和控制系统调节后形成数百条长度为30_左右的细丝。3.根据权利要求1所述飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，其特征在于使用透过率0.003%的中性衰减片。4.根据权利要求1所述飞秒激光在透明光学介质中的阵列成丝装置和方法，其特征在于使用光学介质(比如熔融石英，玻璃，水，甲醇，乙醇等)，其尺寸为长10cm，宽3cm，高3cm。
【专利摘要】本发明属于飞秒激光成丝技术领域，是一种基于双光束干涉在透明光学介质中产生阵列细丝的装置和方法，其构成包括：在主光路上设置一分束片,将入射光分为反射光和透射光，而分别经过时间延迟线和相同的一分束片,调节两束入射光时间空间重合,最终直接入射到透明光学介质中产生阵列细丝，本装置和方法具有细丝阵列周期和方向的多元控制的优点，本发明结构设计简单、巧妙，可灵活布置，将在现代微波导以及三维加工技术中得到长足发展。
【IPC分类】G02F1/35
【公开号】CN105487320
【申请号】CN201510789648
【发明人】李东伟, 宋鹤, 张兰芝
【申请人】长春理工大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月17日