CN112290358B - 一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置及方法，所述装置包括飞秒激光放大器，脉冲整形装置，超连续辐射产生装置，光谱检测装置以及计算机控制***共五部分，通过利用傅里叶变换脉冲整形技术对飞秒激光脉冲进行时域整形，从而实现对飞秒激光成丝产生的超连续辐射进行控制的方法，通过反馈迭代优化实现对飞秒激光成丝产生超连续辐射的优化控制，得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出。
Description
技术领域
本公开属于激光成丝控制技术领域，尤其涉及一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
当超短飞秒激光脉冲在光学介质中传输时，由于克尔自聚焦效应和介质产生等离子体的散焦作用，会形成一种长度远远超过其光学瑞利距离的等离子体细丝，并伴随产生激光脉冲的光谱展宽现象，其光谱可以覆盖从紫外一直到红外的超宽波长区域，具有这种光谱展宽的激光光束称为超连续辐射。超连续辐射的这种宽波段光谱特性为很多研究和应用领域，例如宽带吸收光谱以及生物医学成像等领域，提供了一个独特的白光光源。正是基于众多领域的市场和研究需求，商品化的超连续激光器已经出现，这类超连续激光器基于光纤泵浦，其输出可覆盖从紫外一直到红外的范围，脉冲能量达到微焦量级，已经在很多研究和应用领域得到了应用。
但是，发明人发现，现有的基于光纤的超连续白光光源仍然受到光纤材料特性例如损伤阈值低、耦合性要求高、光功率密度低等局限性，无法满足一些应用领域对更高强度超连续辐射的要求，例如产生少周期脉冲、遥感探测等；而利用飞秒激光脉冲成丝产生的超连续辐射除了具有从紫外一直到近红外的宽波段光谱，还具有非常短的脉宽，以及很高的强度和很好的时空相干性，因此，实现对飞秒激光成丝产生的超连续辐射进行优化控制，得到可控的高强度超连续辐射输出是当前研究急需解决的技术问题。已知，飞秒激光成丝产生超连续辐射过程中自相位调制和自陡峭效应等主要物理机制，决定了超连续辐射过程十分强烈地依赖于初始激光脉冲的时间和空间的强度、相位分布；所以，通过对飞秒激光脉冲时域波形的整形优化，可以实现对成丝产生超连续辐射的优化控制。但是，现有方法并未涉及对超连续辐射展宽区域的光谱峰调控，所以，如何实现光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的超连续辐射输出是现有技术有待解决的问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置及方法，所述方案利用傅里叶变换脉冲整形技术对飞秒激光脉冲进行时域整形，从而实现对飞秒激光成丝产生的超连续辐射进行控制的方法，通过反馈迭代优化产生光谱峰可调的超连续辐射输出。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，包括飞秒激光放大器、脉冲整形装置、超连续辐射产生装置以及光谱检测装置；飞秒激光放大器发出的激光脉冲进入脉冲整形装置得到时域调制的激光脉冲，激光脉冲进入超连续辐射产生装置产生超连续辐射，超连续辐射进入光谱检测装置进行采样，并将采样数据传输给计算机控制***进行分析；所述计算机控制***根据分析结果对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调控。
进一步的，所述激光脉冲顺序通过所述脉冲整形装置中的光栅、柱面聚焦镜以及液晶空间光调制器。
进一步的，所述超连续辐射产生装置中的光学介质为熔融石英介质。
进一步的，所述飞秒激光放大器为掺钛蓝宝石飞秒激光放大器，其输出中心波长为800nm，脉宽为50fs，重复频率为1kHz的高斯激光脉冲。
进一步的，所述脉冲整形装置中的液晶空间调制器可以替换为声光调制器。
进一步的，所述超连续辐射产生装置中的光学介质还可以替换为气体、液体或光学晶体。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法，其采用上述的光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，所述方法包括：
所述飞秒激光放大器发出的激光脉冲进入脉冲整形装置得到时域调制的激光脉冲，时域调制的激光脉冲进入超连续辐射产生装置产生超连续辐射，超连续辐射进入光谱检测装置进行采样，并将采样数据传输给计算机控制***进行分析；所述计算机控制***根据分析结果对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调控；实现对飞秒激光脉冲时域波形的动态调节，最终得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出。
进一步的，所述脉冲整形装置的整形过程包括：
激光脉冲经过光栅色散后，由柱面聚焦镜进行第一次傅里叶变换，从时域变换到频域后聚焦在液晶空间光调制器上，其中液晶空间光调制器与柱面聚焦镜的焦平面重合；飞秒激光脉冲经过液晶空间光调制器调制后反射，再次经过柱面聚焦镜进行第二次傅里叶变换从频域变换到时域，并经过光栅合束后得到时域调制的飞秒激光脉冲输出。
进一步的，调制后的激光脉冲在所述超连续辐射产生装置中成丝并产生超连续辐射输出，产生的超连续辐射进入所述光谱检测装置进行光谱采集和测量。
进一步的，所述光谱检测装置将采集到的光谱数据输送到计算机控制***进行数据分析，根据光谱数据分析结果，通过计算机控制***对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调节以实现对激光脉冲的反馈调制，其中脉冲调制参数通过在液晶空间光调制器上加载通过遗传算法得到的相位图来实现。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开中利用时域脉冲整形技术对飞秒激光脉冲成丝产生的超连续辐射光谱进行控制，通过反馈迭代优化得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出；
(2)相对于光纤超连续激光器，通过飞秒激光成丝产生的超连续辐射具有更高的亮度和相干性，同时通过整形脉冲的反馈优化可以实现对超连续辐射光谱强度和光谱分布的实时调控。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的光谱峰可调的超连续辐射的生成装置结构框图；
图2为本公开实施例一中所述的脉冲整形装置的结构示意图；
图3为本公开实施例一中所述的在熔融石英介质中实施产生的几个典型的超连续辐射光谱图；
图4为本公开实施例一中所述的光谱峰可调的超连续辐射的生成方法流程图；
其中，1、飞秒激光放大器，2、脉冲整形装置，3、超连续辐射产生装置，4、光谱检测装置，5、计算机控制***；2-1、光栅，2-2、柱面聚焦镜，2-3、液晶空间光调制器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一：
本实施例的目的是提供一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置。
现有技术中已经证明了利用飞秒激光脉冲成丝产生的超连续辐射除了具有从紫外一直到近红外的宽波段光谱，还具有非常短的脉宽，以及很高的强度和很好的时空相干性，因此，利用飞秒激光成丝产生的超连续辐射为很多的应用提供了具有更高指标的白光光源以及提供了新的可能性和应用前景。
基于上述理论，本实施例提出一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，如图1所示，所述装置包括飞秒激光放大器1，脉冲整形装置2，超连续辐射产生装置3，光谱检测装置4，计算机控制***5共五部分。如图2所示，展示了所述脉冲整形装置2的结构，所述脉冲整形装置2由光栅2-1，柱面聚焦镜2-2，液晶空间光调制器2-3组成。
本公开使用的飞秒激光放大器1参数为中心波长800nm，脉冲持续时间50fs，重复频率1kHz。飞秒激光放大器1产生的飞秒激光脉冲进入脉冲整形装置2；飞秒激光脉冲在脉冲整形装置2中经过光栅2-1色散后，由柱面聚焦镜2-2进行第一次傅里叶变换，从时域变换到频域后聚焦在液晶空间光调制器2-3上，其中液晶空间光调制器与柱面聚焦镜2-2的焦平面重合；飞秒激光脉冲经过液晶空间光调制器2-3调制后反射，再次经过柱面聚焦镜2-2进行第二次傅里叶变换从频域变换到时域，并经过光栅2-1合束后得到时域调制的飞秒激光脉冲输出。其中，脉冲调制参数通过计算机控制***5在液晶空间光调制器2-3中加载通过遗传算法得到的相位图来实现。
通过脉冲整形装置2得到的整形飞秒激光脉冲进入超连续辐射产生装置3，在超连续辐射产生装置3中整形飞秒激光成丝并产生超连续辐射输出，所述超连续辐射产生装置3中的光学介质为熔融石英介质，如图3所示展示了在熔融石英介质中产生的几个典型的超连续辐射光谱图示例；超连续辐射产生装置3产生的超连续辐射进入光谱检测装置4进行光谱采集和测量；光谱检测装置4得到的超连续辐射光谱数据传输到计算机控制***5中进行数据分析；根据光谱数据分析结果，通过计算机控制***5再次对液晶空间光调制器2-3进行调控，实现对飞秒激光脉冲时域波形的调节，进而实现对飞秒激光成丝产生超连续辐射的优化控制，得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出。
结合附图4，本公开所述的超连续辐射的生成装置的操作步骤如下：
执行步骤1，开始，装置自检；自检正常，执行步骤2；
执行步骤2，开启飞秒激光放大器，产生飞秒激光光束；
执行步骤3，设置脉冲整形装置参数；
执行步骤4，产生超连续辐射；
执行步骤5，超连续辐射光谱采集和检测；
执行步骤6，反馈优化飞秒激光脉冲，重新执行步骤3-5；
执行步骤7，输出符合条件超连续辐射，结束。
实施例二：
基于实施例一种所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其所述脉冲整形装置中的液晶空间调制器可以替换为声光调制器，进而其采用基于声光调制器的整形方法实现对激光脉冲的整形。
进一步的，其所述超连续辐射产生装置中的光学介质还可以替换为气体、液体或光学晶体。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法。
一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法，包括：
其采用上述的光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，所述方法包括：
所述飞秒激光放大器发出的激光进入脉冲整形装置得到时域调制的激光脉冲，激光脉冲进入超连续辐射产生装置产生超连续辐射，超连续辐射进入光谱检测装置进行采样，并将采样数据传输给计算机控制***进行分析；所述计算机控制***根据分析结果对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调控；实现对飞秒激光脉冲时域波形的动态调节，最终得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出。
具体的，结合图1和图2中的结构设置，所述光谱峰可调的超连续辐射的生成方法的具体步骤如下所示：
飞秒激光放大器1产生的飞秒激光光束进入脉冲整形装置2；飞秒激光脉冲在脉冲整形装置2中经过光栅2-1色散后，由柱面聚焦镜2-2进行第一次傅里叶变换，从时域变换到频域后聚焦在液晶空间光调制器2-3上，其中液晶空间光调制器与柱面聚焦镜2-2的焦平面重合；飞秒激光脉冲经过液晶空间光调制器2-3调制后反射，再次经过柱面聚焦镜2-2进行第二次傅里叶变换从频域变换到时域，并经过光栅2-1合束后得到时域调制的飞秒激光脉冲输出。其中，脉冲调制参数通过计算机控制***5在液晶空间光调制器2-3中加载通过遗传算法得到的相位图来实现。
通过脉冲整形装置2得到的整形飞秒激光脉冲进入超连续辐射产生装置3，在超连续辐射产生装置3中整形飞秒激光成丝并产生超连续辐射输出，所述超连续辐射产生装置3中的光学介质为熔融石英介质，如图3所示展示了在熔融石英介质中产生的几个典型的超连续辐射光谱图示例；超连续辐射产生装置3产生的超连续辐射进入光谱检测装置4进行光谱采集和测量；光谱检测装置4得到的超连续辐射光谱数据传输到计算机控制***5中进行数据分析；根据光谱数据分析结果，通过计算机控制***5再次对液晶空间光调制器2-3进行调控，实现对飞秒激光脉冲时域波形的调节，进而实现对飞秒激光成丝产生超连续辐射的优化控制，得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出。
上述实施例提供的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置及方法完全可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其特征在于，包括飞秒激光放大器、脉冲整形装置、超连续辐射产生装置以及光谱检测装置；飞秒激光放大器发出的激光进入脉冲整形装置得到时域调制的激光脉冲，激光脉冲进入超连续辐射产生装置产生超连续辐射，超连续辐射进入光谱检测装置进行采样，并将采样数据传输给计算机控制***进行分析；所述计算机控制***根据分析结果对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调控；实现对飞秒激光脉冲时域波形的调节，进而实现对飞秒激光成丝产生超连续辐射的优化控制，得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出；所述超连续辐射产生装置中的光学介质为熔融石英介质。
2.如权利要求1所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其特征在于，所述脉冲顺序通过所述脉冲整形装置中的光栅、柱面聚焦镜以及液晶空间光调制器。
3.如权利要求1所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其特征在于，所述飞秒激光放大器为掺钛蓝宝石飞秒激光放大器，其输出中心波长为800nm，脉宽为50fs，重复频率为1kHz的高斯激光脉冲。
4.如权利要求1所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其特征在于，所述脉冲整形装置中的液晶空间调制器可以替换为声光调制器。
5.如权利要求1所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其特征在于，所述超连续辐射产生装置中的光学介质还可以替换为气体、液体或光学晶体。
6.一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法，其采用如权利要求1-5任一项所述的光谱峰可调的超连续辐射的生成装置，其特征在于，所述方法包括：
所述飞秒激光放大器发出的激光进入脉冲整形装置得到时域调制的激光脉冲，激光脉冲进入超连续辐射产生装置产生超连续辐射，超连续辐射进入光谱检测装置进行采样，并将采样数据传输给计算机控制***进行分析；所述计算机控制***根据分析结果对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调控；实现对飞秒激光脉冲时域波形的动态调节，最终得到光谱强度分布和光谱峰位置任意可调的高强度超连续辐射输出。
7.如权利要求6所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法，其特征在于，所述脉冲整形装置的整形过程包括：
激光脉冲经过光栅色散后，由柱面聚焦镜进行第一次傅里叶变换，从时域变换到频域后散射在液晶空间光调制器上，其中液晶空间光调制器与柱面聚焦镜的焦平面重合；飞秒激光脉冲经过液晶空间光调制器调制后反射，再次经过柱面聚焦镜进行第二次傅里叶变换从频域变换到时域，并经过光栅合束后得到时域调制的飞秒激光脉冲输出。
8.如权利要求6所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法，其特征在于，调制后的激光脉冲在所述超连续辐射产生装置中整形飞秒成丝并产生超连续辐射输出，产生的超连续辐射输出进入所述光谱检测装置进行光谱采集和测量。
9.如权利要求6所述的一种光谱峰可调的超连续辐射的生成方法，其特征在于，所述光谱检测装置将采集到的光谱数据输送到计算机控制***进行数据分析，根据光谱数据分析结果，通过计算机控制***对所述脉冲整形装置中的液晶空间光调制器进行调节以实现对激光脉冲的反馈调制，其中脉冲调制参数通过在液晶空间光调制器上加载通过遗传算法得到的相位图来实现。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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