一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法
2023-07-11 17:06:06
一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法
【專利摘要】本發明涉及一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，設計可調內徑的光闌：光闌內孔圓由左右兩部分共同組成，兩部分分別使用透光材料和擋光材料製成，光闌內孔圓大小可調，兩部分面積之比可自行調節；保證兩束光空間重合調整好的前提下,將設計的光闌放置於兩個光路中，兩路光聚焦後通過混頻晶體，調節一個光路中的延時反射模塊位置，當混頻晶體後面光屏上觀察到三個光斑時，延時反射模塊所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合。裝置簡單，操作容易，可快速找到雷射脈衝時域重合位置，並適用於各種波長的短脈衝雷射。
【專利說明】一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種脈衝雷射領域，特別涉及一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法。
【背景技術】
[0002]自20世紀80年代以來，隨著超快雷射技術的發展，大功率的超短脈衝技術日益成熟，皮秒雷射器以及飛秒雷射器因其能量高、方向性好、脈衝窄等優點在物理、天文、醫學、通信等學科領域有著廣泛的應用。
[0003]目前，在許多超快雷射實驗中都會遇到兩束光共線合束的情況，該類實驗要求兩路光空間重合，且時域重合。時域重合的實現就是通過保證兩束光的光程精確相等。目前，通常尋找兩束光的時間重合位置的方法就是控制光路中的延時模塊，改變光程，同時用儀器觀測最後實驗所需要探測的信號。針對實驗所用雷射的脈衝寬度不同，延時模塊掃描的精度和速度也相應需要調整。脈衝寬度越窄，掃描的精度就需要越高，掃描速度也就越慢。對於短脈衝雷射(例如飛秒脈衝)來說，由於信號跟很多因素相關，使得通過傳統的找最終信號的方法耗費時間很長，有時長達幾個小時也無結果，對實驗進展影響很大。現在還沒有可以快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法。
【發明內容】
[0004]本發明是針對實驗中調整兩束光共線合束耗時的問題，提出了一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，操作容易，可快速找到雷射脈衝時域重合位置，並適用於各種波長的短脈衝雷射。
[0005]本發明的技術方案為:一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，具體包括如下步驟:
1)設計可調內徑的光闌:
光闌內孔圓由左右兩部分共同組成，兩部分分別使用透光材料和擋光材料製成，光闌內孔圓大小可調，兩部分面積之比可自行調節；
2)搭建裝置找尋雷射脈衝時域重合位置:
中心波長為λ I的第一脈衝雷射經第一反射鏡，作為第一束雷射；
中心波長為λ2的第二脈衝雷射經第二反射鏡反射後進入並通過延時反射模塊，輸出光再經第三反射鏡反射後，作為第二束雷射，兩束雷射經過合束片後進行空間合束，調整兩束光空間重合後，在兩個分光路中分別放置光闌，使每路光只有一部分通過原本共線的空間位置，形成了非共線狀態，然後通過聚焦裝置聚焦到處於聚焦裝置焦點上的混頻晶體，兩束光在混頻晶體內部交叉，從混頻晶體輸出的光落到光屏上，調整延時反射模塊位置，當在光屏上觀察到三個光斑時，此時延時反射模塊所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合；
3)撤去光路中兩個光闌、聚焦裝置、混頻晶體和光屏，可得空間重合以及時域重合的兩束光，用於後續實驗或操作。
[0006]所述中心波長為λ I的脈衝雷射與中心波長為λ 2的脈衝雷射可以是波長相同的兩個脈衝雷射，也可以是波長不同的兩個脈衝雷射。
[0007]所述混頻晶體根據實際波長選取晶體，選取的晶體產生的混頻信號在可見光波段為標準。
[0008]本發明的有益效果在於:本發明通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，裝置簡單，容易操作。在實際操作過程中，保證兩束光空間重合調整好的前提下，只需將本專利設計的光闌放置於空間共線合束的兩個分光路中，造成它們各自只有一部分通過原本共線的空間位置，形成了在聚焦透鏡焦點處的非共線狀態(在不加光闌時，兩束光經過合束片以後是空間重合成一束光的)，焦點處放置了混頻晶體，調節延時反射模塊位置，當在後面光屏上觀察到三個混頻光斑時，延時反射模塊所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合。撤去光闌等輔助裝置，兩束光仍然是空間重合，但也實現了時域重合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明設計的光闌示意圖；
圖2為本發明設計的光闌調節通光孔徑後示意圖；
圖3為本發明通過可調光闌利用凸透鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置結構示意圖；
圖4為本發明通過可調光闌利用凸透鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的局部放大示意圖；
圖5為本發明通過可調光闌利用拋物面鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0010]如圖1所示設計的光闌示意圖及圖2所示設計的光闌調節通光孔徑後示意圖，光闌內孔圓由左右兩部分共同組成，兩部分分別使用透光材料和擋光材料製成，光闌內孔圓大小可調，兩部分面積之比可自行調節。光闌及其通光孔徑的調節有三個作用:Α.造成光束非共線:不改變兩束原本空間重合光的空間位置，外加光闌可以直接形成兩束光各自剩下半邊，形成非共線狀態下聚焦，此時它們通過焦點後處於不同的空間位置，再在焦點處放置混頻晶體，調節延時系統產生它們的混頻信號，由於混頻晶體的相位匹配角關係，混頻信號和原有的光斑信號位於不同的空間位置，從而肉眼就可以非常直觀的看到混頻信號的出現，此時也就是時域重合的位置。相較原始的共線尋找時域重合的方法要簡單快捷很多；B.減少入射光強，目的是為了避免焦點處峰值能量過高損壞混頻晶體；C.縮小光斑直徑，
根據聚焦後的光斑直徑公式d ο; #,其中f是聚焦鏡的焦距(僅僅對應公式分析)，λ是激: D
光中心波長，D是入射的平行光光束直徑，此處對應通過光闌後的光斑直徑。由公式可知，通過光闌後的光斑直徑越小，聚焦後的焦點光斑相對越大，既可以增加兩束光的相互作用面積，方便尋找混頻信號，也可以減少焦點處的峰值光強，進一步避免焦點處峰值能量過高損壞混頻晶體。
[0011]如圖3所示通過可調光闌利用凸透鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置結構示意圖，由中心波長為λ I的脈衝雷射1，本專利設計的光闌Α2，反射鏡3，中心波長為λ 2的脈衝雷射4，反射鏡5，延時反射模塊6，反射鏡7，本專利設計的光闌Β8，合束片9，凸透鏡10，混頻晶體11，光屏12和後續實驗裝置/系統13構成，混頻晶體9位於凸透鏡10的焦點處。保證兩束光空間重合調整好的前提下，中心波長為λ I的脈衝雷射I通過本專利設計的光闌Α2後經反射鏡3反射，中心波長為λ 2的脈衝雷射4經反射鏡5反射後進入並通過延時反射模塊6，輸出光再經反射鏡7反射後通過本專利設計的光闌Β8，與經過反射鏡3反射的第一束雷射共同經合束片9後通過凸透鏡10，如圖4所示局部放大圖，並通過在凸透鏡10焦點處的混頻晶體11內部交叉，從混頻晶體11輸出的光落到光屏12上，控制調整延時反射模塊6位置，當在光屏12上觀察到三個光斑時(中間一個為兩束光產生的和頻或差頻信號，兩側的光斑是λ?和λ2光各自的混頻光斑)，此時延時反射模塊6所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合。混頻晶體11可根據實際波長選取可產生最終希望波段光源的任何晶體，通常以產生的混頻信號在可見光波段為標準，易於觀測。
[0012]如圖5所示通過可調光闌利用拋物面鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置結構示意圖，由中心波長為λ I的脈衝雷射1，本專利設計的光闌Α2，反射鏡3，中心波長為λ 2的脈衝雷射4，反射鏡5，延時反射模塊6，反射鏡7，本專利設計的光闌Β8，合束片9，拋物面鏡14，混頻晶體11，光屏12和後續實驗裝置/系統13構成，混頻晶體11位於拋物面鏡14的焦點處。【具體實施方式】與如圖3所示通過可調光闌利用凸透鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置實施方式一致，區別就是離軸拋物面鏡14會使原光路90度偏離後再聚焦。
[0013]在下面的實例中， 如圖3所示通過可調光闌利用凸透鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置選用兩束波長均為800 nm的飛秒雷射為例，其他波段的短脈衝雷射與該波段的實施方法一致。
[0014]中心波長為800 nm的飛秒雷射，脈衝寬度為130fs，重複波長I KHz，以BBO混頻晶體11獲得400 nm的和頻光為例，具體通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的調節過程如下:保證兩束光空間重合調整好的前提下，中心波長為800 nm的飛秒雷射1，通過本專利設計的光闌A2(根據光斑大小或雷射強度將光闌通光孔徑調至合適，光闌A2擋光材料在右側)，右側至少一半以上的光斑被擋住，左側的光繼續向前傳播，經反射鏡3反射，另一束中心波長為800 nm的飛秒雷射4，經反射鏡5反射後通過延時反射模塊6，再經反射鏡7反射後通過本專利設計的光闌B8 (根據光斑大小或雷射強度將光闌通光孔徑調至合適，光闌B8擋光材料在左側，與光闌A2的擋光材料方向相反)，右側透過的光束繼續向前傳播，兩束光共同經過合束片9後，通過凸透鏡10 (焦距100 mm)，並在位於凸透鏡10焦點處的混頻晶體11內部交叉，調整延時反射模塊6位置，當在光屏12上觀察到第三個光斑出現時(中間一個為兩束800 nm飛秒雷射和頻產生的信號，兩束800 nm的雷射各自的倍頻信號在兩側)，此時延時反射模塊6所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合。撤去光路中本專利設計的光闌A2，本專利設計的光闌B8，凸透鏡10，混頻晶體11和光屏12，空間重合以及時域重合的兩束光繼續進入後續實驗裝置/系統13。[0015]如圖5所示通過可調光闌利用拋物面鏡聚焦快速找到雷射脈衝時域重合位置的裝置選用一束中心波長為800 nm的飛秒雷射和一束中心波長為400 nm的飛秒雷射為例，其他波段的兩種脈衝雷射與該波段的實施方法一致。
[0016]中心波長為800 nm的飛秒雷射，脈衝寬度為130fs，重複波長I KHz，中心波長為400 nm的飛秒雷射，脈衝寬度為150fs，重複波長I KHz，以BBO混頻晶體9獲得267 nm的和頻光為例，具體通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的調節過程如下:保證兩束光空間重合調整好的前提下，中心波長為800 nm的飛秒雷射1，通過本專利設計的光闌A2 (根據光斑大小或雷射強度將光闌通光孔徑調至合適，光闌A2擋光材料在右側)，右側的光斑被擋住，左側的光繼續向前傳播，經反射鏡3反射，中心波長為400 nm的飛秒雷射4，經反射鏡5反射後通過延時反射模塊6，再經反射鏡7反射後通過本專利設計的光闌B8 (根據光斑大小或雷射強度將光闌通光孔徑調至合適，光闌B8擋光材料在左側，與光闌A2的擋光材料方向相反)，右側透過的光束繼續向前傳播，兩束光共同經過合束片9後通過拋物面鏡14(焦距76.2 mm)，並在位於拋物面鏡14焦點處的混頻晶體11內部交叉，調整延時反射模塊6位置，當在光屏12上觀察到第三個光斑出現時(中間一個為800 nm飛秒雷射和400nm飛秒雷射和頻產生的信號，兩側的光斑是800 nm和400 nm雷射各自的光斑)，此時延時反射模塊6所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合。撤去光路中本專利設計的光闌A2，本專利設計的光闌B8，拋物面鏡14，混頻晶體11和光屏12，空間重合以及時域重合的兩束光繼續進入後續實驗裝置/系統13。
[0017]所述中心波長為λ I的脈衝雷射與中心波長為λ 2的脈衝雷射可以是波長相同的兩個脈衝雷射，也可以是波長不同的兩個脈衝雷射。它們是由同一個雷射源衍生出來的，可以是分束直接得到，也可以是中間經過其他光路/裝置獲得。
[0018]所述混頻晶體11可根據實際波長選取任何晶體，例如ΒΒ0、KDP、LBO晶體，原理為三束光的波矢滿足矢量三角形原理，通常以產生的混頻信號在可見光波段為標準，易於觀測。例如:兩束800 nm光和頻生成400 nm光用針對800 nm波段的和頻BBO晶體，此時和頻光斑出現在三個光斑中間；例如:800 nm光和400 nm光和頻生成267 nm光，用800 nm和400 nm的和頻BBO晶體，此時和頻光斑出現在三個光斑中間；例如:600 nm光和2400 nm差頻生成800 nm的光，用600 nm和2400 nm的差頻BBO晶體，此時差頻光斑出現在原有兩個光斑的另一側。其他波段以此類推。
【權利要求】
1.一種通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，其特徵在於，具體包括如下步驟: 1)設計可調內徑的光闌: 光闌內孔圓由左右兩部分共同組成，兩部分分別使用透光材料和擋光材料製成，光闌內孔圓大小可調，兩部分面積之比可自行調節； 2)搭建裝置找尋雷射脈衝時域重合位置: 中心波長為λ I的第一脈衝雷射經第一反射鏡，作為第一束雷射； 中心波長為λ2的第二脈衝雷射經第二反射鏡反射後進入並通過延時反射模塊，輸出光再經第三反射鏡反射後，作為第二束雷射，兩束雷射經過合束片後進行空間合束，調整兩束光空間重合後，在兩個分光路中分別放置光闌，使每路光只有一部分通過原本共線的空間位置，形成了非共線狀態，然後通過聚焦裝置聚焦到處於聚焦裝置焦點上的混頻晶體，兩束光在混頻晶體內部交叉，從混頻晶體輸出的光落到光屏上，調整延時反射模塊位置，當在光屏上觀察到三個光斑時，此時延時反射模塊所在的位置就是兩路光光程相等的位置，此時兩束雷射脈衝時域重合； 3)撤去光路中兩個光闌、聚焦裝置、混頻晶體和光屏，可得空間重合以及時域重合的兩束光，用於後續實驗或操作。
2.根據權利要求1所述通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，其特徵在於，所述中心波長為λ I的脈衝雷射與中心波長為λ2的脈衝雷射可以是波長相同的兩個脈衝雷射，也可以是波長不同的兩個脈衝雷射。
3.根據權利要求1所述通過可調光闌快速找到雷射脈衝時域重合位置的方法，其特徵在於，所述混頻晶體根據實際波長選取晶體，選取的晶體產生的混頻信號在可見光波段為標準。
【文檔編號】H01S3/10GK103972780SQ201410207452
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月16日 優先權日:2014年5月16日
【發明者】彭灩, 朱亦鳴, 周雲燕, 陳向前, 羅坤, 劉姝琪, 鍾宇, 鄭書琦, 莊松林 申請人:上海理工大學, 江蘇拓領光電科技有限公司