CN109270764B - 基于反馈迭代波前整形技术飞秒激光成丝调控装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反馈迭代波前整形技术飞秒激光成丝调控装置与方法，其装置的构成是在飞秒激光器的输出端光路上依次设有可调小孔光阑、可变连续衰减器、空间光调制器、透镜、水、可调小孔光阑、透镜、低通滤波器及CCD相机。本发明采用反馈迭代技术，由CCD相机采集到的超连续谱计算反馈信号，并使用遗传算法控制空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调制，从而实现对成丝过程的控制。本发明可以实现飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的精确控制，包括形成单丝或者多丝阵列、成丝的位置，同时具有简单有效的特点。

Description

基于反馈迭代波前整形技术飞秒激光成丝调控装置与方法
技术领域
本发明属于强场激光物理领域，涉及一种控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的装置和控制方法。
背景技术
飞秒激光在透明介质中传播时，当其峰值功率超过一定数值，即临界功率时，这种超高峰值功率的飞秒激光脉冲会产生自聚焦效应，并在光学介质内形成等离子体；当等离子体的散焦效应与自聚焦效应达到动态平衡时，飞秒激光脉冲就会在传播方向上形成一条狭长的等离子体通道，称为飞秒激光光丝，这就是所谓的成丝现象。成丝现象一经发现就引起了人们的广泛地关注，在大气遥感、激光引雷、空气激光、硬脆材料无痕切割等领域得到了广泛的应用。
飞秒激光成丝过程涉及到一系列非线性效应，激光光强及其波前的轻微扰动，都可能影响其成丝过程，造成飞秒激光成丝过程中光丝的数目、成丝长度等不稳定。为了保证飞秒激光成丝的应用，人们发展了一系列实现飞秒激光成单丝的调控手段，例如改变初始激光脉冲的强度分布(比如椭圆分布)、调整***数值孔径、使用相位掩模板或是空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调控等等。其中入射激光波前相位调控的方式对激光能量损失较少，是一种非常有前景的调控方式，然而目前这种方式大都利用固定相位模板对飞秒激光波前进行控制，进而实现对飞秒激光成丝过程的调控，该方法强烈依赖于入射激光的波前参数，在激光波前发生畸变后，适应性较差。基于反馈迭代的飞秒激光波前整形方法调控飞秒激光成丝过程具有调控精确，对激光参数要求少的优点，但目前文献报道的基于反馈迭代的飞秒激光波前整形方法调控飞秒激光成丝过程方法(Opt.Commun.259,(2006)；Opt.Express 24,(2016))，仍然存在迭代算法复杂，无法调控单丝尺寸，单丝对比度较差等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的装置和方法，能够实现飞秒激光脉冲在透明介质中传播时形成多丝的精确控制，包括由多丝变为任意位置的单丝，具有简单有效的特点。
本发明的核心思想是利用空间光调制器等波前整形设备，采用反馈迭代方式来优化飞秒激光波前，从而调控飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于反馈迭代波前整形技术的飞秒激光成丝过程调控方法的装置，包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有光阑和连续衰减器，飞秒激光脉冲通过光阑和连续衰减器后照射在空间光调制器上，飞秒激光脉冲经过空间光调制器反射后光路上依次设有第一凸透镜、盛有蒸馏水的水池、光阑、第二凸透镜、低通滤波器、CCD相机(电荷耦合器件)，并使飞秒激光脉冲通过水之后产生的超连续谱被收集在CCD相机上，CCD相机和空间光调制器均连接在计算机(个人计算机)上。
一种基于反馈迭代波前整形技术的飞秒激光成丝过程调控方法，利用计算机来监测CCD相机上收集到的超连续谱的特定范围内的光强来计算反馈信号Ifeedback，并使用遗传算法控制空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调制，从而达到控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的目的。在所述的反馈信号在控制随机多丝变成单丝的过程中，
Figure GDA0002475595270000031
其中
Figure GDA0002475595270000032
为所选取的特定范围内超连续谱的平均强度，
Figure GDA0002475595270000033
为所选取的特定范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度。在所述的反馈信号在控制随机多丝变成多丝阵列的过程中，
Figure GDA0002475595270000034
其中
Figure GDA0002475595270000035
为所选取的各个目标聚焦范围内超连续谱的平均强度，
Figure GDA0002475595270000036
为所选取的所有目标聚焦范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度。
本发明具有以下优点：采用空间光调制器结合遗传算法对初始激光脉冲进行调控，操作方法相对简单，只需要在计算机上选取需要监测的CCD相机特定范围即可完成对成丝过程的控制。同时相比其他控制成丝过程的方法，本发明能够更有效率地利用超连续谱能量，将其集中于某个单丝或形成多丝阵列。
附图说明
图1是本发明提供的控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的装置示意图。
图2是本发明控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时所成的光丝由随机多丝变为任意位置单丝的结果图。
图2(a)为空间光调制器未加载相位时飞秒激光脉冲通过蒸馏水所成的超连续谱。
图2(b)-图2(d)为空间光调制器调制过后在任意位置所成的超连续谱。
图3是本发明控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时所成的光丝由随机多丝变为多丝阵列的结果图。
图3(a)为空间光调制器未加载相位时飞秒激光脉冲通过蒸馏水所成的超连续谱。
图3(b)为空间光调制器调制过后形成的超连续谱。
图3(c)为空间光调制器调制过后形成的超连续谱的三维图。
其中：1为飞秒激光器、2为第一光阑、3为反射镜、4为可变连续衰减器、5为空间光调制器、6为第一凸透镜、7为蒸馏水、8为第二光阑、9为第二凸透镜、10为低通滤波器、11为CCD相机、12为计算机。
具体实施方式
下面结合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是本发明使用空间光调制器结合遗传算法控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的实验示意图，由图可见，飞秒激光器1的输出激光经过第一光阑2和可变连续衰减器4后照射在空间光调制器5上，飞秒激光脉冲经过空间光调制器5的相位调制后通过第一凸透镜6聚焦在蒸馏水7中产生成丝效应，并通过第二光阑8、第二凸透镜9和低通滤波器10由CCD相机11收集，同时通过计算机12监测CCD相机11上所收集到的超连续谱的特定范围光强计算反馈信号Ifeedback使用遗传算法控制空间光调制器5改变初始激光脉冲的相位来实现飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的控制。
所述的空间光调制器为反射式相位型空间光调制器。
所述的反馈信号
Figure GDA0002475595270000041
其中
Figure GDA0002475595270000042
为所选取的特定范围内超连续谱的平均强度，
Figure GDA0002475595270000043
为所选取的特定范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度。
所述的遗传算法使用Matlab软件实现。
实施例1：本发明控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时所成的光丝由随机多丝变为任意位置单丝。利用计算机监测CCD相机所收集的超连续谱特定范围的光强，并计算反馈信号
Figure GDA0002475595270000051
同时使用遗传算法对反馈信号Ifeedback进行监控，并不断优化初始激光脉冲的相位，使Ifeedback的值逐渐上升，最终形成单丝。结果请参阅图2(a)-图2(d)，(a)为空间光调制器未加载相位时飞秒激光脉冲通过蒸馏水所成的超连续谱，(b)(c)(d)为空间光调制器调制过后在任意位置所成的超连续谱。
实施例2：本发明控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时所成的光丝由随机多丝变为多丝阵列。利用计算机监测CCD相机所收集的超连续谱多个特定范围内的光强，并计算反馈信号
Figure GDA0002475595270000052
同时使用遗传算法对反馈信号Ifeedback进行监控，并不断优化初始激光脉冲的相位，使Ifeedback的值逐渐上升，最终形成多丝阵列。结果请参阅图3(a)-图3(c)，(a)为空间光调制器未加载相位时飞秒激光脉冲通过蒸馏水所成的超连续谱，(b)为空间光调制器调制过后所成的超连续谱。(c)为空间光调制器调制过后所成的超连续谱的三维图。
实验结果表明，使用反馈迭代技术利用空间光调制器对初始飞秒激光脉冲的相位进行调制能够有效地控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程。

Claims (1)

1.一种控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的反馈迭代方法，其特征在于：利用计算机(12)来监测CCD相机(11)上收集到的超连续谱的光强来计算反馈信号Ifeedback，并使用遗传算法控制空间光调制器(5)对初始激光脉冲的相位进行调制，使反馈信号Ifeedback的值逐渐上升，最终实现飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的控制，CCD相机和空间光调制器均连接在计算机上，利用计算机来监控CCD相机上收集到的超连续谱的特定范围内的光强来计算反馈信号Ifeedback，并使用遗传算法控制空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调制，在控制随机多丝变成任意位置单丝的过程中，其反馈信号
Figure FDA0002697234760000011
其中
Figure FDA0002697234760000012
为所选取的目标聚焦范围内超连续谱的平均强度，
Figure FDA0002697234760000013
为所选取的目标聚焦范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度，在控制随机多丝变成多丝阵列的过程中，其反馈信号
Figure FDA0002697234760000014
其中
Figure FDA0002697234760000015
为所选取的各个目标聚焦范围内超连续谱的平均强度，
Figure FDA0002697234760000016
为所选取的所有目标聚焦范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度。
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