飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲的方法

2023-10-12 00:18:14 1

專利名稱：飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲的方法
技術領域：
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本發明涉及強場雷射物理，特別是飛秒雷射脈衝在空氣中短距離內 成絲的方法。
背景技術：
當超短雷射脈衝的峰值功率超過一定數值(3.3GW)[參見M. Mlejnek, E.M. Wright, and J.V. Moloney, OPTICS LETTERS 23， 382 (1998).]，將產生自聚焦效應，進而把空氣電離，由於電離產生的等離子 體具有負折射率，因此又使光束產生自散焦，二者作用，超短雷射脈衝 在空氣中產生一個等離子體通道，即光絲。
實驗結果[參見S. Eisenmann, d a/.， OPTICS EXPRESS, 15, 2779 (2007)]表明，穩定的等離子體通道內的雷射強度可達5xl013 W/cm2~lxl014 W/cm2，光絲的直徑為80pm 200 pm， 一般雷射脈衝在空 氣中產生等離子體的臨界強度約為8xl012W/cm2。
人們觀察和研究光絲的特性，需要產生這種強度在1013 W/cr^量級 的穩定的光絲，但是這樣的光絲形成在比較遠的距離。而且，如果產生 等離子體通道，則對雷射器的輸出性能要求很高， 一般來講其峰值功率 很高(10TW 30TW範圍)。這類性能的飛秒雷射器系統的造價比較昂貴， 目前商用產品在IOO萬美元左右。因此如果是在實驗室內開展相關的前 期物理問題及白光光譜形成技術等方面的研究工作，採用如此昂貴的激 光器，並不是每個實驗室都能夠解決的。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種飛秒雷射脈 衝在空氣中短距離內成絲的方法，使峰值功率為太瓦(TW)量級的飛 秒雷射脈衝在空氣中快速地形成等離子體通道(光絲)，而且分裂後的光 絲的強度接近於相應的更強的飛秒雷射脈衝(例如，10TW以上)所形 成的光絲強度，以大大降低實驗成本。本發明的技術解決方案如下
一種飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲的方法，其特點是在飛秒雷射 器的輸出端放置隨機位相板或階躍型位相板，峰值功率為TW量級的飛 秒雷射脈衝經過所述的位相板後在空氣中形成等離子體通道，在短距離 內成絲，該等離體子通道內光絲的雷射強度比未加位相板的雷射強度高 一個數量級。
所述的隨機位相板(Random Phase Plate，簡稱RPP)是由基板上隨機 排布的二值位相元的膜層陣列構成的，所述的二值位相元為等邊三角形、 正方形或正六邊形等，二值位相元對工作波長的光束將產生0或71相移。
所述的階躍型位相板是由基板上排布的位相元的膜層陣列構成的， 位相元形成以光束中心為圓心的多個等分的扇形分布，相鄰扇形區域的 位相差是固定的，環繞一周形成總的位相差為2兀。
所述的飛秒雷射脈衝的峰值功率在TW量級，其範圍為100GW至
5TW，中心波長為800nm。
所述的飛秒雷射脈衝經過所述的位相板後0.1~1.0米的距離內分
裂、發散，發散後光絲中的雷射強度為1013W/cm2~1014W/cm2。 本發明具有以下優點
採用單一階躍型位相板或隨機位相板，操作方法相對簡單，只需要 對雷射器產生的脈衝能量、脈寬和束腰半徑等參量進行調節，不需要增 加其他光學元件。低功率的雷射脈衝就可獲得比它本身高一個數量級的 峰值光強，並且把實驗的範圍控制在實驗室空間內，很大程度上節約了 實驗成本。


圖1是本發明飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲的方法的實驗示意圖 圖2是本發明位相元形狀為等邊三角形的隨機位相板示意圖 圖3是本發明位相元形狀為正方形的隨機位相板示意圖 圖4是本發明位相元形狀為正六邊形的隨機位相板示意5是本發明五等分波前位相分布的階躍位相板示意圖
圖6是本發明四等分波前位相分布的階躍位相板示意圖 圖7是本發明三等分波前位相分布的階躍位相板示意圖
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本 發明的保護範圍。
先請參閱圖1，圖1是本發明利用位相板使飛秒雷射脈衝在空氣中 快速成絲的方法的實驗示意圖，由圖可見，本發明飛秒雷射脈衝空氣中 快速成絲的方法，是在飛秒雷射器1的輸出端放置隨機位相板或階躍型 位相板2，峰值功率為TW量級的飛秒雷射脈衝經過所述的位相板2後 在空氣中形成等離子體通道3，在短距離內成絲，在4處記錄光斑樣式。 經測試表明，該等離體子通道內光絲的雷射強度比未加位相板的雷射強 度高一個數量級。本發明方法的實質是通過採用改變飛秒雷射脈衝位相 來實現飛秒雷射脈衝成絲的快速分裂。
通常使用普通透鏡聚焦雷射束也可以使得焦點處的空氣電離，但是 雷射束在焦點後的分散是由透鏡本身特性造成的，該散射光能量一般小 於由等離子體通道分裂所形成的散射光能量。
所述的隨機位相板是由基板上隨機排布的二值位相元膜層陣列構成
的，
圖2是本發明相元形狀為等邊三角形的隨機位相板示意圖；圖中5 白色區域產生O相移，6黑色區域表示產生7i相移。
圖3是本發明相元形狀為正方形的隨機位相板示意圖，圖中7白色 區域產生0相移，8黑色區域表示產生兀相移。
圖4是本發明相元形狀為正六邊形的隨機位相板示意圖，圖中9白
色區域產生0相移，10黑色區域表示產生7C相移。
階躍型位相板或者隨機位相板的製作工藝和設計方法比較成熟，通 過鍍膜技術就可以實現。RPP能有效地消除焦斑的不均勻性，已普遍應用於雷射聚變實驗裝置中。SPP階躍型位相板使光束的位相形成以光束
中心為圓心的扇形分布，圖5是本發明五等分波前位相分布的階躍位相 板示意圖，相移在平面環繞一周的變化為2兀。雷射通過白色區域11產 生0相移、豎線區域12產生(2兀)/5的相移、橫線區域13產生2x(2;r)/5 的相移、網格區域14產生3x(2ti)/5的相移和黑色區域15產生的相移為 4x(2兀)/5。
圖6是本發明四等分波前位相分布的階躍位相板示意圖，四等分階 躍位相板產生的位相分布，相移在平面環繞一周的變化為2兀。雷射通過 白色區域16產生0相移、豎線區域17產生兀/2的相移、橫線區域18產 生兀的相移和黑色區域19產生的相移為3兀/2。
圖7是本發明三等分波前位相分布的階躍位相板示意圖，三等分階 躍位相板產生的位相分布，相移在平面環繞一周的變化為2兀。雷射通過 白色區域20產生0相移、豎線區域21產生2ti/3的相移和黑色區域22 產生的相移為4tt/3。
本發明利用TW量級的鈦寶石超短飛秒脈衝雷射器，脈衝半寬度在 40 250fs，峰值功率在0.1TW 5TW，中心波長為800 nm進行了實驗。 將位相板2放置在雷射器1的輸出端，光束中心和位相板中心重合，如 圖l所示。
飛秒脈衝雷射器輸出峰值功率為P = 2.5 TW，光束束腰半徑為0) = 6.4 mm，脈衝的峰值半寬T-100fs，雷射輸出波形為高斯型，脈衝中心的光 強為4.3x1012 W/cm2。隨機噪聲選取為10%，即高斯型光束振幅的漲落 幅度為-5% 5%。
飛秒雷射脈衝在未加位相板時，傳播距離在0.2m、 0.8m和1.0m 處的強度分布(未產生光絲)，光強依次為4.75xl012 W/cm2， 5.49><1012 W/cm2， 7.27xl012W/cm2。實施例l:隨機相位板的正方形位相元的邊長選取為250|im。在O.l m、 0.8m禾Q 1.0m距離光絲處的光絲強度分別為4.94"013 W/cm2， 5.69xl013W/cm2， 5.83xl013W/cm2，光斑的尺度為lOO(am。
實施例2:三種階躍位相板，在0.1m光絲處的光強在1.2xl013 W/cm2 以上，在0.8 m和1.0 m距離處的光絲強度都在6.5x1013 W/cm2以上，而 且光斑的尺度為lOOpm。
實驗結果表明，在光路中加入位相板，雷射脈衝很快地(0.1m至1.0m 內)分裂，光絲強度均超過一般方法形成等離子體通道的臨界強度 8xl012W/cm2。
權利要求
1. 一種飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲的方法，其特徵是在飛秒雷射器的輸出端放置隨機位相板或階躍型位相板，峰值功率為TW量級的飛秒雷射脈衝經過所述的位相板後在空氣中形成等離子體通道，在短距離內成絲，該等離體子通道內光絲的雷射強度比未加位相板的雷射強度高一個數量級。
2、 根據權利要求1所述的飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲方法，其特徵在於所述的隨機位相板是由基板上隨機排布的二值位相元的膜層陣列構成，二值位相元的膜層對工作波長的光束將產生0或7C相移。
3、 根據權利要求2所述的飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲方法，其特徵在於所述的二值位相元為等邊三角形、正方形或正六邊形。
4、 根據權利要求1所述的飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲方法，其特 徵在於所述的階躍型位相板是由基板上排布的位相元的膜層陣列構成 的，位相元形成以光束中心為圓心的多個等分的扇形分布，相鄰扇形區 域的位相差是固定的，環繞一周形成總的位相差為2兀。
5、 根據權利要求1所述的飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲方法，其 特徵在於所述的飛秒雷射脈衝的峰值功率在TW量級，其範圍為100GW 至5TW，中心波長為800nm。
6、 根據權利要求1所述的飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲方法，其 特徵在於所述的飛秒雷射脈衝經過所述的位相板後0.1~1.0米的距離內 分裂、發散，發散後光絲中的雷射強度為1013W/cm2 1014W/cm2。
全文摘要
一種飛秒雷射脈衝空氣中快速成絲的方法，其特點是在飛秒雷射器的輸出端放置隨機位相板或階躍型位相板，峰值功率為TW量級的飛秒雷射脈衝經過所述的位相板後在空氣中形成等離子體通道，在短距離內成絲，該等離體子通道內光絲的雷射強度比未加位相板的雷射強度高一個數量級。本發明方法實用、簡單、有效，不僅使得光絲快速形成，而且分裂後的光絲峰值強度提高一個量級。
文檔編號H05H1/00GK101291041SQ20081003850
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月4日 優先權日2008年6月4日
發明者周旭升, 朱健強, 祖繼鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所