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    重庆时时彩一星定五胆: 延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN200910198268.X

    申请日:

    2009.11.04

    公开号:

    CN101718937A

    公开日:

    2010.06.02

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G02F 1/35公开日:20100602|||实质审查的生效IPC(主分类):G02F 1/35申请日:20091104|||公开
    IPC分类号: G02F1/35 主分类号: G02F1/35
    申请人: 中国科学院上海光学精密机械研究所
    发明人: 付玉喜; 熊辉; 徐晗; 姚金平; 曾斌; 储蔚; 程亚; 徐至展
    地址: 201800 上海市800-211邮政信箱
    优先权:
    专利代理机构: 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人: 张泽纯
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200910198268.X

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2011.11.09|||2010.07.21|||2010.06.02

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法,其装置的构成是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜。实验表明高能量的飞秒激光脉冲通过位相板之后由于干涉效应而改变聚焦区域的聚焦特性,大大延长了聚焦区域长度。本发明方法,跟普通的高斯光束聚焦相比,使超连续辐射集中在轴向,从而能将更多的能量输送到更远的地方,这对于激光引雷、远程大气探测、获得超强超短的少周期激光脉冲有很重要的意义。

    权利要求书

    1: 一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置,其特征是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑(2)、位相板(3)和聚焦透镜(4)构成。
    2: 根据权利要求1所述的延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置,其特征在于所述的位相板(3)为透射式位相板或反射式位相板。
    3: 一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的方法,特征在于包括下列步骤: ①用菲涅尔衍射方法进行线性模拟求解获得所述的位相板(3)的内部圆形区域半径r 0 ,内部圆形区域相对于外环的位相跃变量 利用湿法刻蚀方法或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法在K9玻璃表面刻蚀出一个半径为r 0 的圆形区域,刻蚀深度所对应的位相跃变量为 ②按权利要求1所述的,在准直飞秒激光输出的光路上依次设置所述的的可调小孔光阑(2)、位相板(3)和聚焦透镜(4); ③开启准直飞秒激光,调整所述的可调小孔光阑(2),使所述的飞秒激光在空气中成丝长度达到最长。

    说明书


    延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法

        【技术领域】

        本发明涉及强场激光物理,特别是一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法,对激光远程大气检测、激光引雷、获得超短超强激光脉冲有重大应用。

        背景技术

        随着飞秒激光的出现,人们的研究在化学、物理、生物等各个学科都取得了很多重要的研究成果。然而,曾经很长一段时间人们都认为由于衍射、群速度色散等原因的影响,超强超短激光在空气中不适合于远距离传输,例如,束腰为5mm、脉宽为30fs的激光脉冲,在空气中传输1000米之后强度会衰减约5×103。但在实际实验中人们发现,飞秒激光在空气中传输会形成弱的等离子体通道,而且等离子体通道的长度可以很长(几十米到几千米),通道即光丝里面的光强也高达1013-1014W/cm2的量级。这就是超短超强激光的成丝现象,成丝现象的出现引起了很多人的关注,因为成丝对于远程大气检测、激光引雷、获得超短超强的少周期激光脉冲有很重要的应用前景(可参阅文献S.L.Chin,F.Théberge,and?W.Liu,Appl.Phys.B.86,477,2007和A.Couairon,A.Mysyrowicz,Phys.Rep.441,47,2007)。所以一直以来,很多人都在关注如何延长等离子体通道长度而把更高的激光能量传送到更远的距离。

        最简单和直接的延长光丝长度的方法是利用松聚焦来延长瑞利长度,进而延长丝的长度。然而,在松聚焦的情况下,光斑上的热点会很容易成丝,这样会出现多丝结构,特别是在入射光能量比较高的情况下,这对成丝的具体应用会有限制。此外,实验证明,在反常色散介质中丝的长度也会大大延长,然而现在常用的而且比较成熟的飞秒激光波长都在800nm附近,在空气中是正常色散。最近,P.Polynkin等人利用Bessel光束在空气中大大延长了丝的长度,并且通过优化激光的啁啾优化丝的长度(参见文献P.Polynkin,M.Kolesik,A.Roberts,D.Faccio,P.D.Trapani,and?J.Moloney,Opt.Exp.16,15733,2008和P.Polynkin,M.Kolesik,J.Moloney,Opt.Exp.17,575,2009)。他们的试验中获得的是准Bessel光束,是将Gauss光束通过一个锥形镜而获得的,从而大大延长了聚焦区域的长度,最长可延长到2.5倍。

        【发明内容】

        本发明旨在提供一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法,具有简单而且更有效的特点,而且本发明也提供了一种使超连续辐射集中在轴向上的方法,这对大气远程探测、激光引雷和利用成丝压缩方法获得周期量级的超短超强激光脉冲有重要的作用。

        本发明的核心思想是通过改变入射光的波前位相来延长丝的长度,用透射式和反射式的位相调节方式均可,只要可以按照设计要求控制入射脉冲的波前位相。

        本发明的技术解决方案如下:

        一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置,其特征是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜构成。

        所述的位相板为透射式位相板或反射式位相板。

        一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的方法,特征在于包括下列步骤:

        ①用菲涅尔衍射方法进行线性模拟求解获得所述的位相板的内部圆形区域半径r0,内部圆形区域相对于外环的位相跃变量;利用湿法刻蚀方法或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法在K9玻璃表面刻蚀出一个半径为r0的圆形区域,刻蚀深度所对应的位相跃变量为;

        ②在准直飞秒激光输出的光路上依次设置所述的的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜;

        ③开启准直飞秒激光,调整所述的可调小孔光阑,使所述的飞秒激光在空气中成丝长度达到最长。

        实验表明:本发明装置和方法可以大大延长飞秒激光在空气中成丝的长度。跟普通的高斯光束聚焦相比,使超连续辐射集中在轴向,从而能将更多的能量输送到更远的地方,对激光远程大气检测、激光引雷、获得超短超强激光脉冲有重大应用。

        【附图说明】

        图1是透射式位相板的剖面图和俯视图,

        图中:r0为内部圆形区域半径,为内部圆形区域相对于外环的位相跃变量;

        图2为延长激光脉冲在空气中成丝具体实施的光路图,

        图中:1为入射超强超短脉冲激光,2为可调节小孔光阑,3为透射式位相板,4为聚焦透镜,5为超短超强激光聚焦后在空气中形成地光丝(弱等离子体通道);

        图3是入射光场和待求光场的坐标系统示意图。

        【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?;し段?。

        先请参阅图1,图1为透射式位相板的结构示意图,左面的为剖面图,右边的为俯视图。利用湿法刻蚀方法(或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法)在厚度约为1.8mm的K9玻璃表面刻蚀出一个直径为5mm的圆形区域,刻蚀深度为约0.78μm。入射光通过这块位相板之后,光斑中心区域和外环部分会相差π的位相(内环位相超前π)。

        值得注意的是,位相板的设计结构不是唯一的,可以设计成任意情况的位相改变模式,根据自己设计结果而定。此外,位相板也不局限于透射式,也可以用反射式,例如可以使反射镜的各个部分高度不同,使反射的光经历不同的光程,同样可实现位相的调节。如果用透射式位相板的时候,要特别注意强飞秒激光在透射材料中的自聚焦效应而破坏透射材料,所以要特别注意材料的选择和厚度的控制。具体试验中可以在位相板之后测量光谱和脉宽是否变化以及有无明显白光来判断材料和厚度选择是否合适。如果光谱和脉宽有很明显变化,或者有明显白光,说明位相板材料及厚度选择不合适,要选择高破坏阈值的材料或者减小位相板厚度来尽量减弱在位相板中的自聚焦等非线性效应。

        由于激光器差异,光斑大小和光斑模式都有差别,所以要根据自己的激光参数设计合适的位相板模式和尺寸通过不断的优化对入射光的位相改变模式来优化聚焦后聚焦区域的长度,从而实现延长丝的目的。当然,准确的方法应该用非线性传输方程来模拟电子密度分布(A.Couairon,A.Mysyrowicz,Phys.Rep.441,47-189(2007)),从而获得比较理想的结果。下图为非线性计算机模拟过程的流程图。

        然而解非线性传输方程需要进行大量的计算,以现在的个人电脑计算能力,优化这个过程需要花费大量的时间。

        根据我们的设计经验,可以先用菲涅尔衍射原理进行线性传输优化,通过不断的优化对入射光的位相改变模式来优化聚焦后聚焦区域的长度,从而实现延长丝的目的。虽然用线性传输来优化位相板的结构虽然不是很准确,但在一定程度上也和实验结果匹配的较好。而且根据我们的经验(假设入射光斑分布为高斯分布),当内部区域能量占整个光斑能量的约三分之一而且内部位相跃变量为π的时候,就已经能够获得比较好的实验结果了。

        下面是菲涅尔衍射模拟的具体公式及推导:

        U(p0)=1i·λ∫∫U(p1)ei·k·r01r01cosθ·ds]]>

        (1)为菲涅尔衍射公式,参阅图3,其中,U(p0)为待求光场(标量场)中p0(x,y)点的电场复振幅,U(p1)为入射光场中p1(ξ,η)点电场复振幅,λ为激光波长,k=2πλ,]]>r01为p0,p1两点间距离,θ为光线p0p1和z轴的夹角,有cos(θ)=zr01,]]>z为激光传播距离。

        由(1)可得到

        U(x,y)=ziλ∫∫U(ξ,η)·eikr01r012·dξ·dη---(2)]]>

        而r01=z2+(x-ξ)2+(y-η)2≈z[1+12(x-ξz)2+12(y-ηz)2]]]>

        所以有

        U(x,y)=eikziλz∫∫U(ξ,η)·eik2z[(x-ξ)2+(y-η)2]·dξ·dη]]>

        =eikziλz·eik2z(x2+y2)∫∫{U(ξ,η)·eik2z(ξ2+η2)}·e-i2πλ·z(xξ+yη)·dξ·dη---(3)]]>

        对于满足圆对称的入射和衍射光场,可设:

        x=rcosα

        y=rsinα

        ξ=ρcosβ

        η=ρsinβ

        参见图3,r为p0(x,y)到z轴的距离,α为xy坐标平面上,p0(x,y)与x-y坐标平面原点连线和x轴的夹角,ρ为p1(ξ,η)到z轴的距离,β为ξ-η坐标平面上,p1(ξ,η)与ξ-η坐标平面原点连线和ξ轴的夹角。

        将上式代入(3)可得

        U(r,α)=U(r)=eikziλz·eik2zr2∫∫{U(ρ,β)·eik2zρ2}·ei2πλ·zrρ(cosαcosβ+sinαsinβ)·ρdρ·dβ]]>

        =eikziλz·eikr22z∫0∞∫02π{U(ρ,β)·eik2zρ2}·ei2πλ·zrρ(cosαcosβ+sinαsinβ)·ρdρ·dβ]]>

        =eikziλz·eikr22z∫0∞ρdρU(ρ,β)·eik2zρ2∫02πei2πλ·zrρ(cos(α-β))dβ---(4)]]>

        =2π·eikziλz·eikr22z∫0∞U(ρ)·eikρ22z·J0(2πrρλ·z)ρdρ]]>

        注意到,数值模拟求解公式(3),需要4重循环,而求公式(4)只需2重循环即可.

        经过圆形小孔光阑截断的高斯光场经过位相板和薄透镜后的光场为:

        U(ρ)=A0e-ρ2W02·Aperture(ρ)·tlens(ρ)·tPhasePlate(ρ)---(5)]]>

        其中:Aperture(ρ)为小孔函数,小孔半径为Rr,

        Aperture(ρ)=1,·····ρ<=Rr0,······ρ>Rr---(6)]]>

        tlens(ρ)为透镜对光场变换函数,f为透镜焦距,则

        tlens(ρ)=e-ikρ22f---(7)]]>

        tPhasePlate(ρ)为位相板函数,r0为位相板内部区域半径,

        下图为用菲涅尔衍射方法(公式(4)-公式(8))进行线性模拟的流程图:

        再请参阅图2,图2为延长激光脉冲在空气中成丝具体实施的光路图。

        在图2中,入射激光脉冲1先通过一个可调小孔光阑2(由于具体实验过程中,实验条件和设计时使用的参数会有差别,可以利用小孔光阑2优化光斑大小来优化实验结果,要根据具体实验而定),然后经过设计好的位相板3来改变入射光脉冲的波前,再经过透镜4聚焦在空气中形成光丝5。由于入射光的波前发生变化,入射光斑中各个部分已经不再是等相位,这样在经过透镜之后的聚焦过程中,各个部分的光会发生干涉,从而对聚焦区域的强度产生调制,结果使在几何焦点处降低了聚焦光强,从而降低了几何焦点处的等离子体密度,使形成的光丝不会由于强烈的等离子散焦作用而较快截止,从而使丝的长度大大延长。

        我们设计了具体的实验来初步验证我们的想法,详细描述如下:

        我们用了一个焦距为50cm的透镜聚焦,入射光能量为6mJ/脉冲,脉宽约40fs,光斑直径约9.7mm(1/e2)。为了调节入射光斑的尺寸,我们放了一个可调节的小孔。在实验中我们发现,不加位相板的情况下,入射光全部注入的时候,丝的长度只有约60mm。同时我们测量了成丝以后的远场光斑(如3m之后),光斑中心能量很低,大部分能量都以锥形辐射的形式而存在于环上。但加了位相板之后,相同情况下(小孔全部打开),丝的长度增加为约190mm,长度延长了三倍之多。而且远场光斑中心能量很高,超连续辐射(白光)也都集中在中心,这对于利用成丝压缩方法获得高能量周期量级的超短脉冲有非常重要的意义。

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