一种飞秒激光脉冲可控延时方法及装置

本发明属于激光脉冲整形，更具体地，涉及一种飞秒激光脉冲可控延时方法及装置。

背景技术：

1、飞秒激光是指时域脉冲宽度在飞秒(10-15s)量级的激光。飞秒激光是在中心波长附近的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。

2、飞秒激光技术自问世以来就被认为具有巨大的潜在应用价值，发展到今天已成为多个领域的研究热点，在高精度材料加工、信息光学和生物医学等领域实现了各种应用。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，在一些微观领域中应用飞秒激光还会产生一些特殊的物理现象。对于飞秒激光脉冲延时的精确控制和实现，是实现高频率飞秒激光脉冲的重要一步，此技术带来的研究价值广泛，尤其在信息技术、超快成像技术等领域影响深远，因此值得深入研究。

3、对于飞秒激光脉冲延时技术，目前的研究成果还比较少，现在的主流方法是通过增加飞秒激光的光程l的方式来实现，飞秒激光的光程由飞秒激光传输介质的折射率n和传输的几何距离s决定，如式(1)所示。

4、l＝ns(1)

5、又因为传输介质的折射率n可以表示为光速c与实际光速v的比值，飞秒激光的光程还可以写成式(2)的形式。

6、

7、因此，若要增加飞秒激光的光程l，可以通过改变飞秒激光传输介质的折射率n和传输的几何距离s来实现。

8、设飞秒激光传输的几何距离s不变，传输介质的折射率的增量为δn，此时飞秒激光的延时大小与光程的关系如式(3)所示。

9、

10、对应的具体操作方式为，将飞秒激光通过具有与空气不同折射率的传输介质中，出射的飞秒激光即被延时。

11、设飞秒激光传输介质的折射率n不变，传输的几何距离的增量为δs，此时飞秒激光的延时大小与光程的关系如式(4)所示。

12、

13、对应的具体操作方式为，将飞秒激光通过反射镜来回反射来增加飞秒激光传输的几何距离，从而起到延时的作用。

14、然而，以上两种方法均无法对飞秒脉冲的延时大小进行精确控制，且操作方式比较复杂，延时大小的精度不高，不能满足大多科研环境的需要。

15、因此，亟需一种可以精确控制飞秒激光脉冲延时大小的方法，以满足操作简单、延时大小精度较高的科研需求，以进一步推动飞秒激光在各个科研领域的发展。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种飞秒激光脉冲可控延时方法及装置，解决现有技术中飞秒激光脉冲延时的控制精度较低、操作较复杂的问题。

2、本发明提供一种飞秒激光脉冲可控延时方法，包括以下步骤：

3、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；

4、步骤2：偏振态调整后的飞秒激光脉冲入射至衍射单元，所述衍射单元将飞秒激光脉冲衍射为一维分布的多个单色光波，并将多个单色光波调整为平行光；

5、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；

6、步骤4：相位调制后的多个单色光波均入射至叠加单元，所述叠加单元将所有的单色光波进行叠加并调整为平行光，得到延时的飞秒激光脉冲。

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

8、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。

9、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。

10、优选的，每个单色光波的相位调制量通过以下方式得到：

11、模拟飞秒激光脉冲的分布函数，设置飞秒激光脉冲的目标延时大小为t，并模拟出脉冲延时t后的飞秒激光脉冲的分布函数；

12、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；

13、将延时前后的相位做差，得到每个单色光波的相位调制量。

14、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×1个区域，每个区域对应一个灰度值；所述单色光波的个数为m个。

15、优选的，所述空间光相位调制器采用液晶空间光调制器。

16、优选的，所述整形单元包括沿光路依次设置的偏振片和半波片。

17、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一柱面镜；

18、所述第一光栅将飞秒激光脉冲衍射为一维分布的多个单色光波，所述第一柱面镜将多个单色光波调整为平行光。

19、优选的，所述叠加单元包括沿光路依次设置的第二光栅和第二柱面镜；所述第二光栅使所有的单色光波叠加，经所述第二柱面镜后调整为平行光。

20、另一方面，本发明提供一种飞秒激光脉冲可控延时装置，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；

21、所述飞秒激光脉冲可控延时装置用于实现上述的飞秒激光脉冲可控延时方法中的步骤。

22、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：

23、本发明基于空间光相位调制提供了一种飞秒激光脉冲可控延时方法，飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲通过空间衍射后利用空间光相位调制器进行相位调制，叠加后得到延时的飞秒激光脉冲。该方法可以有效地解决现有技术难以对飞秒激光脉冲进行高精度极短延时的问题，本发明根据目标延时大小，设定好空间光相位调制器上每个像素点对应入射光的相位调整量，理论精度可达0.003fs，即使考虑系统传递函数缺陷以及其他误差的影响，实验精度也可以达到小于1fs的时间尺度。该方法对应的飞秒激光脉冲可控延时装置简单，操作便捷。本发明在不影响脉冲质量的前提下，利用简单的装置能够产生延时在0～100ps的时间范围内且精度小于1fs的可控飞秒激光脉冲，为信息技术、超快成像等技术领域的发展提供了新的思路。

技术特征：

1.一种飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，基于飞秒激光脉冲的目标延时大小，得到所述空间光相位调制器上加载的灰度图像；

3.根据权利要求2所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，每个单色光波的相位调制量通过以下方式得到：

5.根据权利要求3所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，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×1个区域，每个区域对应一个灰度值；所述单色光波的个数为m个。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，所述空间光相位调制器采用液晶空间光调制器。

7.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，所述整形单元包括沿光路依次设置的偏振片和半波片。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，所述衍射单元包括沿光路依次设置的第一光栅和第一柱面镜；

9.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲可控延时方法，其特征在于，所述叠加单元包括沿光路依次设置的第二光栅和第二柱面镜；所述第二光栅使所有的单色光波叠加，经所述第二柱面镜后调整为平行光。

10.一种飞秒激光脉冲可控延时装置，其特征在于，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；

技术总结
本发明属于激光脉冲整形技术领域，公开了一种飞秒激光脉冲可控延时方法及装置。本发明首先通过飞秒激光器产生飞秒激光脉冲并入射至整形单元上，将飞秒激光脉冲调整为水平偏振态；然后入射至衍射单元，将飞秒激光脉冲衍射为一维分布的多个单色光波并调整为平行光；之后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，以对多个单色光波分别进行相位调制；最后多个单色光波均入射至叠加单元，以将所有的单色光波叠加并调整为平行光，得到延时的飞秒激光脉冲。本发明解决了现有技术难以对飞秒激光脉冲进行高精度极短延时的问题，利用简单的装置能够产生延时在0～100ps的时间范围内且精度小于1fs的可控飞秒激光脉冲。

技术研发人员：雷诚,杨凯宁,肖瑞东,王度
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12