CN108549160A - 一种连续调整激光成丝长度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续调整激光成丝长度的装置及方法，包括飞秒激光源、第一聚焦透镜和透明介质，透明介质设于飞秒激光源和第一聚焦透镜之间，透明介质的轴线平行于飞秒激光源发射的飞秒激光的光路，透明介质与光路重叠。本发明在飞秒激光聚焦成光丝之前的光路中垂直***透明介质，使得透明介质与光路重叠，通过调整透明介质与光路的截面重叠部分垂直高度或改变透明介质的厚度，连续调整聚焦形成的光丝长度，使得光丝长度达到要求光丝长度。本发明能连续调整激光成丝长度，操作简单、效果显著、精确度较高，且应用过程中不会使得装置某些部分能量大幅提高，具有较高的安全性。

Description

一种连续调整激光成丝长度的装置及方法

技术领域

本发明涉及超强激光物理领域，尤其涉及一种连续调整激光成丝长度的装置及方法。

背景技术

随着激光技术的不断发展，超强激光在实际生活生产中的应用也越来越广泛。超强激光通常处于大气环境中，因此与空气的相互作用是不可避免的。飞秒激光作为超强激光的一种，在大气中传播时会产生一系列的线性和非线性效应，其中，对成丝影响最主要的是克尔自聚焦和等离子体散焦的动态平衡。这几种效应使得飞秒激光不像普通激光穿过聚焦透明之后会聚焦成一个点，而是成为一条发光的等离体子体通道。

由于等离子体的导电和发射荧光光谱等特性，使得激光成丝在科研和工业上具有广阔的应用前景和重要的实用价值。激光成丝的典型应用包括大气遥感、激光引雷、激光诱导光谱学、高次谐波产生、阿秒脉冲产生、亚太赫兹辐射产生，在各种航天器件、仿生材料上制备微米级深孔。

目前，延长光丝最简单的办法是增加飞秒激光脉冲的能量，但这种做法只能使光丝较少地延长；在光丝周围增加一个锥形收敛的环形高斯光束，可以使光丝延长一个阶次，但这种方法需要消耗相当于原光丝5倍的能量；利用空间光调制器产生的多焦距光束可以把光丝延长约1被，但这种方法需要利用空间光调制器，方法比较复杂。

另外，为了保证应用效果，某些应用对光丝的长度要求较高，需要连续调整光丝的长度，达到在应用中延长或缩短光丝的长度，比如激光引雷需要光丝的长度较长，达到较好的引雷效果；而激光荧光光谱则需要缩短光丝的长度，使得荧光光谱的能量集中，信号较强；再例如制备航天精密材料时，针对不同直径的孔则需要利用不同长度的光丝。因此，单一延长或缩短光丝在需要连续调整光丝长度的技术场合已不能适用，容易使得操作繁琐、精确度不高。

发明内容

为了解决目前技术只能通过单一延长或缩短光丝固定调整光丝长度，而不能在应用中连续调整光丝长度，即连续延长或缩短的光丝长度的问题，一方面，本发明提供了一种连续调整激光成丝长度的装置，包括飞秒激光源、第一聚焦透镜和透明介质，透明介质设于飞秒激光源和第一聚焦透镜之间，透明介质的轴线平行于飞秒激光源发射的飞秒激光的光路，透明介质与光路重叠。

优选地，本连续调整激光成丝长度的装置还包括第二聚焦透镜和光丝长度测量仪，第二聚焦透镜设于飞秒激光穿过第一聚焦透镜之后形成的光丝和光丝长度测量仪之间，第二聚焦透镜的轴线和光丝的轴线垂直。

优选地，本连续调整激光成丝长度的装置还包括微型处理器，微型处理器和光丝长度测量仪电连接。

优选地，透明介质的材料包括石英、玻璃或塑料。

优选地，透明介质的厚度为0.5-3mm。

优选地，飞秒激光源发射的飞秒激光的中心波长为700-900nm,单脉冲能量为3-4mJ，重复频率为800-1200Hz。

优选地，光丝长度测量仪包括瞬态光谱仪或增强型图像传感器。

另一方面，本发明还提供了一种连续调整激光成丝长度的方法，包括：S1、将飞秒激光聚焦成光丝；S2、在飞秒激光聚焦成光丝之前的光路中垂直***透明介质，使得透明介质与光路重叠。

优选地，步骤S2之后还包括：S3、测量光丝长度并与要求光丝长度比较；S4、若光丝长度与要求光丝长度一致，则停止调整；若光丝长度与要求光丝长度不一致，则调整透明介质与光路的重叠截面的垂直高度或改变透明介质的厚度，直至光丝长度与要求光丝长度一致。

优选地，步骤S4中，调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质的厚度，包括：S41、绘制透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图；S42、确定透明介质的厚度，根据函数关系图，调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度，使光丝长度与要求光丝长度一致。

本发明提供了一种连续调整激光成丝长度的方法，通过将飞秒激光穿过第一聚焦透镜聚焦之前的光路上垂直***透明介质，使得透明介质与光路重叠；用光丝长度测量仪测量飞秒激光穿过第一聚焦透镜之后聚焦形成的光丝长度，若与要求光丝长度不一致，则调整透明介质与飞秒激光穿过第一聚焦透镜之前的光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质的厚度，使得聚焦形成的光丝长度与要求光丝长度一致。

本发明在飞秒激光聚焦成光丝之前的光路中垂直***透明介质，使得透明介质与光路重叠，通过调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质的厚度，连续调整聚焦形成的光丝长度，使得光丝长度达到要求光丝长度。本发明能连续调整激光成丝长度，操作简单、效果显著、精确度较高，且应用过程中不会使得装置某些部分能量大幅提高，具有较高的安全性。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例的一种连续调整激光成丝长度的装置示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例的一种连续调整激光成丝长度的方法流程图；

图3为根据本发明一个优选实施例的透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图；

图4为根据本发明一个优选实施例的透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图；

其中：

1.飞秒激光器 2.透明介质 3.第一聚焦透镜

4.光丝 5.第二聚焦透镜 6.光丝长度测量仪

7.微型处理器 8.挡板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为根据本发明一个优选实施例的一种连续调整激光成丝长度的装置示意图，如图1所示，本发明提供了一种连续调整激光成丝长度的装置，包括飞秒激光器1、第一聚焦透镜3和透明介质2，透明介质2设于飞秒激光器1和第一聚焦透镜3之间，透明介质2的轴线平行于飞秒激光器1发射的飞秒激光的光路，透明介质2与光路重叠。

具体地，飞秒激光器1发射飞秒激光穿过第一聚焦透镜3聚焦成光丝4，在飞秒激光到达第一聚焦透镜3之前的光路中垂直***透明介质2，即透明介质2的轴线与飞秒激光到达第一聚焦透镜3之前的光路平行，使得透明介质2与光路部分或全部重叠。其中，透明介质2垂直光路可防止透明介质2散射，对操作人员造成伤害。

飞秒激光脉冲在空气中传播的移动焦点模型认为，在慢变振幅近似下，激光脉冲在时间上可以分为多层。本实施例中，飞秒激光脉冲在时间上是高斯分布，不同位置对应的分层功率使不同的，在飞秒的时间尺度上，不超过自聚焦临界功率的分层的聚焦位置几乎在同一点；而超过自聚焦临界功率的分层的聚焦位置不再为同一点，会伴随着自聚焦产生一条等离子体通道，即由于不同的功率对应不同的聚焦位置，形成一个序列，即光丝4。

光丝4能量密度变小，则会导致变远；光丝4能量变小，则会导致变短。透明介质2部分或全部遮挡光路，将光路中未被透明介质2遮挡的部分称为主激光部分，将光路中被透明介质2遮挡的部分称为次激光部分。主激光部分由于未被透明介质2遮挡，因此能量密度不变，但由于面积变小，故能量变小，导致主激光部分的聚焦位置变近；而次激光部分由于光路被透明介质2遮挡，因此能量密度变小，导致次激光部分的聚焦位置变远。主激光部分和次激光部分的聚焦合成之后，组成最终形成的光丝4。

本实施例通过在飞秒激光器1发射的飞秒激光到第一聚焦透镜3之前的光路中垂直***透明介质2，使得部分或全部光路被透明介质2遮挡，改变了飞秒激光的能量分布，从而对飞秒激光进行调制，以改变聚焦后光丝4的长度，直至达到要求的光丝4长度。本实施例操作简单，效果显著，具有较广的应用场景。

进一步，在飞秒激光穿过第一聚焦透镜3之后形成光丝4的方法设置挡板8，用于遮挡飞秒激光，保证操作人员的安全。

基于上述实施例，本连续调整激光成丝长度的装置还包括第二聚焦透镜5和光丝长度测量仪6，第二聚焦透镜5设于飞秒激光穿过第一聚焦透镜3之后形成的光丝4和光丝长度测量仪6之间，第二聚焦透镜5的轴线和光丝4的轴线垂直。

具体地，使穿过第一聚焦透镜3之后的光丝4成像在第二聚焦透镜5上，然后利用光学长度测量仪在第二聚焦透镜5上测量光丝4长度。

进一步地，光丝长度测量仪6包括瞬态光谱仪或增强型图像传感器，用于测量光丝4长度。

基于上述实施例，本连续调整激光成丝长度的装置还包括微型处理器7，微型处理器7和光丝长度测量仪6电连接。

具体地，将微型处理器7和光丝长度测量仪6电连接，通过微型处理器7分析光丝长度测量仪6采集的光丝4长度，并确定调整透明介质2与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质2的厚度的具体方式。

进一步地，透明介质2的材料包括石英、玻璃或塑料，可根据要求光丝4长度灵活选取。

进一步地，透明介质2的厚度为0.5-3mm，可根据要求光丝4长度灵活选取。

进一步地，飞秒激光器1发射的飞秒激光的中心波长为700-900nm，单脉冲能量为3-4mJ，重复频率为800-1200Hz。

图2为根据本发明一个优选实施例的一种连续调整激光成丝长度的方法流程图，如图2所示，另一方面，本发明还提供了一种连续调整激光成丝长度的方法，包括：S1、将飞秒激光聚焦成光丝4；S2、在飞秒激光聚焦成光丝4之前的光路中垂直***透明介质2，使得透明介质2与光路重叠。

具体地，本实施例在飞秒激光聚焦之前的光路中垂直光路***透明介质2，使得部分或全部光路被透明介质2遮挡，改变飞秒激光的能量分布，从而对飞秒激光进行调制，以改变聚焦后光丝4的长度。

基于上述实施例，步骤S2之后还包括：S3、测量光丝4长度并与要求光丝4长度比较；S4、若光丝4长度与要求光丝4长度一致，则停止调整；若光丝4长度与要求光丝4长度不一致，则调整透明介质2与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质2的厚度，直至光丝4长度与要求光丝4长度一致。

具体地，若聚焦后形成的光丝4长度与要求光丝4长度不一致，则调整透明介质2与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质2的厚度，直至光丝4长度与要求长度一致，停止调整。

基于上述实施例，步骤S4中，调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质的厚度，包括：S41、绘制透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图；S42、确定透明介质的厚度，根据函数关系图，调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度，使光丝长度与要求光丝长度一致。

具体地，透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度互相之间存在函数关系，根据试验绘制三者之间的函数关系图；当透明介质的厚度一定时，调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度，从而调整光丝长度，使得光丝长度与与要求光丝长度一致。

基于上述实施例，下面给出两个完整的实施例，具体说明步骤S4。

图3为根据本发明一个优选实施例的透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图，如图3所示的曲线为厚度为1mm的透明介质的透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图。

针对厚度为1mm的透明介质，透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为6mm时，光丝长度达到最大的延长。当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为2.5mm以内时，主激光部分由于面积减小较少，能量变化不大，成丝长度基本不变，而次激光部分由于面积较小，能量较弱，成丝位置有一定的变远，因此共同形成的光丝有一定的延长；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为2.5-3.5mm时，主激光部分由于面积减小增大，能量明显降低，成丝明显变短，而次激光部分由于面积还不够大，因此成丝位置变远不多，因此共同形成的光丝变短；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为3.5-6mm时，主激光部分由于面积减小较多，能量大幅降低，成丝长度变得更短，而次激光部分由于面积增大较多，因此成丝位置大幅变远，因此共同形成的光丝变长；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度大于6mm时，主激光部分由于面积进一步减小，能量进一步减低，成丝长度进一步变短，次激光部分由于面积进一步增加，能量进一步增加，成丝位置变远，但还是不足以抵消主激光部分光丝的缩减，因此共同形成的光丝变短。

图4为根据本发明一个优选实施例的透明介质的厚度、透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图，如图4所示的曲线为厚度为2mm的透明介质的透明介质与光路重叠截面的垂直高度与光丝长度的函数关系图。

针对厚度为2mm的透明介质，透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为8mm时，光丝长度达到最大的延长。当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为1.6mm以内时，主激光部分和次激光部分均由于面积变化不大，能量变化不大，因此共同形成的光丝长度几乎不变；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为1.6-4.0mm时，主激光部分由于面积减小较少，能量变化不大，成丝长度基本不变，而次激光部分由于面积变大，能量较弱，成丝位置有一定的变远，因此共同形成的光丝有一定的延长；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为4.0-5.5mm时，主激光部分由于面积减小增大，能量明显降低，成丝长度明显变短，而次激光部分由于面积还不够大，因此成丝位置变远不多，因此共同形成的光丝变短；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度为5.5-8mm时，主激光部分由于面积减小较多，能量大幅降低，成丝长度再次变短，而次激光部分由于面积增大较多，因此成丝位置大幅变远，足以抵消主激光光丝的缩减，因此共同形成的光丝变长；当透明介质与光路的重叠截面的垂直高度大于8mm时，主激光部分由于面积进一步减小，能量进一步降低，成丝长度进一步变短，次激光部分由于面积进一步增加，能量进一步增加，成丝位置进一步变远，但还是不足以抵消主激光部分光丝的缩减，因此共同形成的光丝变短。

本发明提供了一种连续调整激光成丝长度的装置及方法，通过在飞秒激光聚焦成光丝之前的光路中垂直***透明介质，使得透明介质与光路重叠，通过调整透明介质与光路重叠截面的垂直高度或改变透明介质的厚度，连续调整聚焦形成的光丝长度，使得光丝长度达到要求光丝长度。本发明能连续调整激光成丝长度，操作简单、效果显著、精确度较高，且应用过程中不会使得装置某些部分能量大幅提高，具有较高的安全性。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，包括飞秒激光源、第一聚焦透镜和透明介质，所述透明介质设于所述飞秒激光源和所述第一聚焦透镜之间，所述透明介质的轴线平行于所述飞秒激光源发射的飞秒激光的光路，所述透明介质与所述光路重叠。

2.根据权利要求1所述的一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，还包括第二聚焦透镜和光丝长度测量仪，所述第二聚焦透镜设于所述飞秒激光穿过所述第一聚焦透镜之后形成的光丝和所述光丝长度测量仪之间，所述第二聚焦透镜的轴线和所述光丝的轴线垂直。

3.根据权利要求2所述的一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，还包括微型处理器，所述微型处理器和所述光丝长度测量仪电连接。

4.根据权利要求1所述的一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，所述透明介质的材料包括石英、玻璃或塑料。

5.根据权利要求1所述的一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，所述透明介质的厚度为0.5-3mm。

6.根据权利要求1所述的一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，所述飞秒激光源发射的飞秒激光的中心波长为700-900nm，单脉冲能量为3-4mJ，重复频率为800-1200Hz。

7.根据权利要求2所述的一种连续调整激光成丝长度的装置，其特征在于，所述光丝长度测量仪包括瞬态光谱仪或增强型图像传感器。

8.一种连续调整激光成丝长度的方法，其特征在于，包括：

S1、将飞秒激光聚焦成光丝；

S2、在所述飞秒激光聚焦成光丝之前的光路中垂直***透明介质，使得透明介质与所述光路重叠。

9.根据权利要求8所述的一种连续调整激光成丝长度的方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：

S3、测量所述光丝长度并与要求光丝长度比较；

S4、若所述光丝长度与所述要求光丝长度一致，则停止调整；若所述光丝长度与要求光丝长度不一致，则调整所述透明介质与所述光路截面重叠部分垂直高度或改变所述透明介质的厚度，直至所述光丝长度与所述要求光丝长度一致。

10.根据权利要求9所述的一种连续调整激光成丝长度的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述调整所述透明介质与所述光路截面重叠部分垂直高度或改变所述透明介质的厚度，包括：

S41、绘制所述透明介质的厚度、所述透明介质与所述光路截面重叠部分垂直高度与所述光丝长度的函数关系图；

S42、确定所述透明介质的厚度，根据所述函数关系图，调整所述透明介质与所述光路的截面重叠部分垂直高度，使所述光丝长度与所述要求光丝长度一致。