CN102545011B - 超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置及其调控方法 - Google Patents

Abstract

一种超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置及其调控方法，利用一束激光G(t)经过可变衰减片和一个时间延迟线后，与经过可移动反射镜的另一束激光G(f)平行入射到一个凹面镜上，G(t)与G(f)经凹面镜反射后交叉聚焦。在激光成丝所产生的等离子体通道内，由于双光束干涉而形成一个空间等离子体光栅，利用该等离子体光栅能够增强成丝过程中所产生的超连续谱，并且可以实现超连续谱能量在两束激光之间的控制与转移。本发明装置和方法可以在超强激光场中对超短脉冲的光谱主动操控，且所涉及的光路结构简单，调节方便。

Description

超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置及其调控方法

技术领域

本发明涉及超强超短激光脉冲的传输与光谱展宽，特别是一种超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置及其调控方法。

背景技术

超强超短激光脉冲在介质中传输时，如果脉冲能量足够高将会引起激光成丝效应，形成等离子体通道并且产生超连续谱。超强超短激光脉冲在自由传输的状态下成丝，有利于激光能量在相当长距离内比较稳定的传输，因此激光成丝现象一直受到人们的广泛关注。而在激光成丝过程中所伴生的超连续谱也具有很大的潜在应用价值。

自1970年Alfano和Shapiro在实验中观测到超连续谱以来，人们就一直在探究其本质并同时发展其应用。1999年S.L.Chin指出，从某种角度来讲超连续谱其实是一种白光激光。这种白光激光也早已被应用于大气遥感、激光脉冲压缩等诸多领域。在超连续谱的具体应用中常会面临的问题是如何对超连续谱进行调控，比如改变超连续谱脉冲强度的时域分布等。

2003年I.S.Golubtsov等人从理论上指出通过调制激光脉冲的初始相位可以控制激光成丝过程和超连续谱的产生(Quantum Electron.33(2003)525)。2008年HAOZuo-Qiang和ZHANG Jie等人在实验中证实了激光脉冲的初始啁啾对激光成丝超连续谱产生的影响(CHIN.PHYS.LETT.25(2008)1365)。2005年Hui Yang和Jie Zhang等人还研究了激光脉冲成丝过程中超连续谱的产生对于激光偏振的依赖关系(Opt.Lett.30(2005)534)。当然通过改变激光脉冲的峰值功率等方式，也可以对激光成丝所产生的超连续谱起到一定的调制作用。然而上述在先技术也只是在一定程度上增强激光成丝所产生的超连续谱，且必需通过改变激光源的输出脉冲性质来实现。这显然远不能满足各种应用需求，亟需对于激光成丝超连续谱更多更有效的调控方法。

发明内容

本发明的目的主要是应用空间等离子体光栅实现对超强超短激光脉冲超连续谱的调控，使超连续谱能量从一束光转移到另一束光，并可以增强激光成丝过程中光谱的展宽效应。基于等离子体光栅方便调节和破坏阈值高等特点，该方法在超强超短激光脉冲的传输与光谱控制等方面有很大的推广价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置，其特点在于，该装置包括钛宝石飞秒激光器，在该钛宝石飞秒激光器的输出方向设有第一衰减片和分束片，该分束片将一束激光分为透射光束G(t)和反射光束G(f)，所述的透射光束G(t)经过第二可变衰减片和由第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第二平移台所组成的时间延迟线，由所述的第七反射镜输出入射到凹面镜；所述的反射光束G(f)经过第一反射镜、第二反射镜和安装在第一平移台上的第三反射镜后输出，所述的透射光束G(t)和反射光束G(f)平行入射到所述的凹面镜上经反射后交叉聚焦，在激光成丝所产生的等离子体通道内，由于双光束干涉而形成一个空间等离子体光栅。

利用上述的超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置进行超强超短激光脉冲超连续谱的调控方法，其特征在于包括下列内容，

通过移动第一平移台(7)，改变所述的反射光束G(f)入射位置，即改变所述的反射光束G(f)和透射光束G(t)经所述的凹面镜(14)反射输出两光束间的夹角α，从而确定所述空间等离子体光栅(15)的有效作用长度L和光栅常数Λ；

通过在透射光束G(t)入射方向上移动第二平移台(12)，使透射光束G(t)和反射光束G(f)从分束片(3)至两光束交叉聚焦处的光程相等，即在激光成丝状态下使两光束交叉聚焦处的荧光强度达到最大，说明两脉冲已然相互作用从而形成空间等离子体光栅(15)；

通过调节第二可变衰减片(8)改变所述透射光束G(t)的脉冲能量，即可改变所述空间等离子体光栅(15)中的光致等离子体折射率变化Δn_p；

通过以上所述的各种调节方式，能够有效控制超强超短激光脉冲成丝所产生的超连续谱，实现超连续谱能量不同程度的增强与转移。

本发明的基本原理在于：飞秒激光脉冲在空气中成丝将产生等离子体形成的通道，而在等离子体通道内发生双光束交叉干涉，便可以形成一个等离子光栅，其光栅常数为：

Λ＝λ₀/[2sin(α/2)]                                                  (1)

式中：λ₀为交叉干涉激光的波长，α表示这两束激光的交叉夹角。

等离子体光栅对于波长和入射角符合一定条件的入射光可以实现布拉格衍射，布拉格衍射条件可以表述为：

nλ＝2Λsin(θ_B)      (2)

式中：n代表衍射级次，λ为入射光波长，θ_B表示该入射光的n级布拉格角。

由(1)和(2)，可得一级布拉格角为：

${\mathrm{\θ}}_B\left(\mathrm{\λ}\right)={\sin }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin (\mathrm{\α}/2)\right]---\left(3\right)$

假设两束交叉干涉激光的最大发散角为

如果满足

那么就可以实现超连续谱能量从一束光到另一束光的转移。与此同时激光成丝的光谱展宽效应也得以增强。

对于满足(2)和(4)的入射激光，等离子体光栅的衍射效率为：

$\mathrm{\η}\left(\mathrm{\λ}\right)={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π\Δ}{n}_{p}L}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(5\right)$

其中：Δn_p是由等离子体密度调制所引起的折射率变化幅度，而L是与两束激光交叉夹角α等因素相关的等离子体光栅的有效作用长度。

与先技术相比，本发明具有以下显著特点：

1.光路结构简单，操作方便，等离子体光栅具有可调节性，通过改变两束光之间的夹角或激光脉冲能量等方式来对其进行调整，免于依托式安装，适于空间作业。

2.由于等离子体光栅的高破坏阈值，可以在超强激光场中对超短激光脉冲光谱进行直接操控，为测控激光脉冲成丝及其超连续谱提供了有力工具。

3.由于两路激光脉冲间的延时可以精密控制，因此可以实现对激光脉冲时域和频域光谱的主动调控。

附图说明

图1为本发明超强超短激光脉冲超连续谱调控装置的光路结构框图。

图2为所用钛宝石飞秒激光器的输出激光光谱。

图3为0.5mJ脉冲激光成丝展宽后的激光光谱。

图4为0.5mJ脉冲与0.5mJ脉冲同步交叉成丝所产生的超连续谱。

图5是0.5mJ脉冲与0.1mJ脉冲交叉同步，两路脉冲中只有一路成丝时，经过超连续能量转移之后的未成丝光束的光谱。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为本发明超强超短激光脉冲超连续谱调控装置的光路结构框图。由图可见，本发明超强超短激光脉冲超连续谱调控装置该装置包括钛宝石飞秒激光器1，在该钛宝石飞秒激光器1的输出方向设有第一衰减片2和分束片3，该分束片3将钛宝石飞秒激光器1输出的激光束分为透射光束G(t)和反射光束G(f)，所述的透射光束G(t)经过第二可变衰减片8和由第四反射镜9、第五反射镜10和位于第二平移台12上的第六反射镜11、第七反射镜13所组成的时间延迟线，由所述的第七反射镜13输出透射光束G(t)入射到凹面镜14；所述的反射光束G(f)经过第一反射镜4、第二反射镜5和安装在第一平移台7上的第三反射镜6后输出，所述的透射光束G(t)和反射光束G(f)平行入射到所述的凹面镜14上经反射后交叉聚焦，在激光成丝所产生的等离子体通道内，由于双光束干涉而形成一个空间等离子体光栅15。

所述的第三反射镜6被固定在第一平移台7上，该第一平移台7可以在G(f)入射方向上前后移动。

所述的第五反射镜10和第六反射镜11被固定在第二平移台12上，该第二平移台12可以在G(t)入射方向上前后移动，改变时间延迟线的时间延迟。

所述第一衰减片2和第二衰减片8均为可变衰减片。

上述超强超短激光脉冲超连续谱调控装置的具体使用步骤如下：

(1)首先调整所述第一衰减片2和第二衰减片8，使所述的透射光束G(t)和反射光束G(f)经所述的凹面镜14聚焦后均能满足激光成丝条件。

(2)再通过移动所述的第一平移台7，改变入射到所述的凹面镜14之前光束G(f)和G(t)的平行间距，即调整G(f)和G(t)经凹面镜反射后交叉聚焦的夹角α。

(3)然后通过移动所述的第二平移台12，使G(f)和G(t)交叉区域的荧光强度最大，此时两个脉冲在时间上达到同步，所述的空间等离子体光栅15形成并对超连续谱产生影响。

(4)接着调整所述的第二可变衰减片8，或移动所述的第一平移台7和第二平移台12，继续观测超连续谱变化。

本发明的具体实施例：钛宝石飞秒激光器输出脉冲的半高全宽约为30fs，最高单脉冲能量约为5.3mJ，输出激光光谱如图2所示。调整所述第一衰减片2和第二衰减片8，使G(f)和G(t)的单脉冲能量均为0.5mJ，即单脉冲平均功率为1.67P_cr(空气中30fs激光脉冲自聚焦的阈值功率P_cr约为10GW)，G(f)和G(t)都已满足成丝条件。通过移动所述的第一平移台7，G(f)和G(t)经焦距15cm的凹面镜14反射后交叉聚焦的夹角α为3.8°。通过移动所述的第二平移台12，使两脉冲在时间上达到同步，所得超连续谱如图4所示，与图3中0.5mJ单脉冲成丝时的展宽光谱相比，便可以看出所述的空间等离子体光栅15对于激光成丝光谱展宽的增强作用。接着调整衰减片8，使G(t)的单脉冲能量降为0.1mJ，即脉冲平均功率约为0.33P_cr，此时G(t)不再成丝，然而其光谱仍存在很大展宽，如图5所示，这是由所述的空间等离子体光栅15所引起的超连续谱能量转移使然。

Claims (1)

1.一种利用超强超短激光脉冲超连续谱的调控装置进行超强超短激光脉冲超连续谱的调控方法，该装置包括钛宝石飞秒激光器（1），在该钛宝石飞秒激光器（1）的输出方向设有第一衰减片（2）和分束片（3），该分束片（3）将钛宝石飞秒激光器（1）的输出的激光束分为透射光束G(t)和反射光束G(f)，所述的透射光束G(t)经过第二可变衰减片(8)和由第四反射镜(9)、第五反射镜(10)、第六反射镜(11)、第七反射镜(13)、第二平移台(12)所组成的时间延迟线，由所述的第七反射镜(13)输出入射到凹面镜(14)；所述的反射光束G(f)经过第一反射镜（4）、第二反射镜（5）和安装在第一平移台(7)上的第三反射镜(6)后输出，所述的透射光束G(t)和反射光束G(f)平行入射到所述的凹面镜(14)上经反射后交叉聚焦，在激光成丝所产生的等离子体通道内，由于双光束干涉而形成一个空间等离子体光栅(15)，其特征在于该方法包括下列步骤： 

①通过移动第一平移台(7)，改变所述的反射光束G(f)入射位置，即改变所述的反射光束G(f)和透射光束G(t)经所述的凹面镜(14)反射输出两光束间的夹角α，从而确定所述空间等离子体光栅(15)的有效作用长度L和光栅常数∧； 

②通过在透射光束G(t)入射方向上移动第二平移台(12)，使透射光束G(t)和反射光束G(f)从分束片（3）至两光束交叉聚焦处的光程相等，即在激光成丝状态下使两光束交叉聚焦处的荧光强度达到最大，说明两脉冲已然相互作用从而形成空间等离子体光栅(15)； 

③通过调节第二可变衰减片(8)改变所述透射光束G(t)的脉冲能量，即可改变所述空间等离子体光栅(15)中的光致等离子体折射率变化Δn_p； 

④重复上述步骤，以控制超强超短激光脉冲成丝所产生的超连续谱，实现超连续谱能量不同程度的增强与转移。 

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