提升和测量高重频超快激光光丝指向稳定性的装置及方法制造方法及图纸

一种检测高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，包括：超快激光器、陶瓷片、显微镜，以及沿该超快激光器出射激光方向放置的聚焦透镜；提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，包括：超快激光器、陶瓷片、显微镜、与高压电源相连接的金属电极，以及沿该超快激光器出射激光方向放置的聚焦透镜；以及提升和测量高重频超快激光光丝指向稳定性的方法。本发明专利技术用高压加载的金属电极在超快激光气体成丝区域施加外加电场，基于外加电场与超快激光光丝内等离子体之间的强相互作用，利用激光等离子体对高重频激光后续脉冲的引导作用来达到提升高重频超快激光光丝指向稳定性的目的。

【技术实现步骤摘要】
提升和测量高重频超快激光光丝指向稳定性的装置及方法
本专利技术涉及高压放电以及外加电场与超快强激光非线性成丝间的耦合作用，基于超快激光光丝的等离子体导电特性，利用外加电场对光丝内等离子体进行调控，进而通过引导高重频超快激光成丝来提升超快激光光丝指向稳定性。
技术介绍
超快强激光在空气中传输过程中，当由克尔效应引起的自聚焦效应与激光等离子体引起的散焦效应达到动态平衡时，可在空气中形成均匀细长的等离子体通道，即光丝。超快激光成丝在加工和成像、超短脉冲压缩和超连续谱光谱产生、太赫兹和谐波辐射源、空气激光、远程大气探测、空气激光等领域中有着重要应用。在这些应用中一般使用高重频(>100Hz)激光超快气体光丝，但对于高重复频率激光气体光丝，光丝的自身热效应会对光丝的指向稳定性造成严重负面影响，降低众多基于激光气体光丝应用的测量精度与分辨率。提升高重复频率激光气体的指向稳定性是一个亟需解决的难题，对光丝的应用具有重大意义。传统控制光丝传输的技术主要依赖于激光脉冲波前调制，对超快激光光丝指向稳定性的提升相当有限，并受限于激光能量、激光光斑尺寸以及材料损伤阈值等条件，有些方法甚至是以牺牲超快激光光丝能量为代价，且无法降低光丝本身热效应对光丝指向稳定性的影响，无法实现高能量、高重复频率激光气体光丝的远距离稳定传输。
技术实现思路
本专利技术的目的针对高重频超快激光成丝热致抖动的瓶颈问题以及传统提升高重频激光气体光丝指向稳定性方法的不足与局限性，提出了一种全新而有效的方法。基于外加电场与超快激光光丝内等离子体之间的强耦合作用，利用激光等离子体对高重频激光后续脉冲的引导作用来提升超快激光光丝的指向稳定性。在外加电场作用下，超快激光光丝内电子与离子复合过程被抑制，从而削弱高重复频率激光气体光丝自身的热效应；其次，超快激光光丝由于具有良好的导电特性，在外加电场作用下，通电的金属电极尖端对其具有库仑力作用，从而“固定”超快激光光丝的位置，因此超快激光光丝的指向稳定性得以提高。这对于基于激光重复频率>100Hz的超快飞秒激光气体光丝的应用，如飞秒光丝微加工和成像、超短脉冲压缩和超连续谱光谱产生、太赫兹和谐波辐射源、空气激光、远程大气探测、空气激光以及人工引雷等应用中，提升光丝指向稳定性，提高相关应用的精度、分辨率等效能有着极其重大的意义。本专利技术的技术解决方案如下：一种检测高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特点在于，包括：超快激光器、陶瓷片、显微镜，以及沿该超快激光器出射激光方向放置的聚焦透镜；所述的超快激光器出射激光经聚焦透镜聚焦后在气体中成丝，所述的陶瓷片置于成丝区域进行烧蚀，形成烧蚀图案；所述的显微镜，用于对烧蚀图案进行观测，当烧蚀图案面积越大，则超快激光光丝指向稳定性越差，以此标定超快激光成丝指向稳定性。一种提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特点在于，包括：超快激光器、陶瓷片、显微镜、与高压电源相连接的金属电极，以及沿该超快激光器出射激光方向放置的聚焦透镜；所述的超快激光器出射激光经聚焦透镜聚焦后在气体中成丝，所述的陶瓷片置于成丝区域进行烧蚀，形成烧蚀图案；所述的金属电极靠近成丝区域，通过改变高压电源的电压，使所述的金属电极处静电场大小发生改变，每改变一次电压值，就更换一次陶瓷片；所述的显微镜，用于对烧蚀图案进行观测，当烧蚀图案面积越大，则激光光丝指向稳定性越差，以此标定超快激光成丝指向稳定性。优选的，还包括绝缘组件，所述的金属电极固定在该绝缘组件一端，该绝缘组件的另一端固定于接地的工作平台上。所述的绝缘组件由绝缘支架与绝缘塑料杆连接而成，所述的金属电极固定在绝缘支架上。优选的，所述的超快激光器的脉冲宽度在fs到ps量级，重复频率>100Hz，产生激光脉冲峰值功率大于激光脉冲在该气体环境中的自聚焦成丝临界功率Pcr(Pcr＝3.77λ2/8πn2n0，λ为激光脉冲中心波长,n0和n2分别空气中的线性折射率和克尔非线性折射率系数)。优选的，所述的超快激光器是钛宝石超快激光器、掺Yb3+全固态超快激光器、光纤超快激光器等。8.根据权利要求3所述的提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，所述的金属电极包括尖端电极、尖端金属电极线性阵列、楔状金属电极，通过与高压电源连接产生静态外加电场，并将外加电场加载在超快激光光丝上。优选的，所述的陶瓷片为氮化硅、碳化硅陶瓷片等绝缘材料，有效作用范围直径大于数毫米，厚度在毫米量级。优选的，所述的显微镜分辨率为0.001mm。一种提升和测量高重频超快激光光丝指向稳定性的方法，其特点在于，包括步骤如下：(1)超快激光器出射的重复频率>100Hz的超快激光脉冲经聚焦透镜聚焦后，在气体中成丝，产生超快激光光丝；(2)将陶瓷片插入光丝中，使一定发数的超级激光光丝烧蚀陶瓷片后，用显微镜拍摄陶瓷片上烧蚀图案，烧蚀面积越大，超快激光光丝指向稳定性越差，以此标定超快激光成丝指向稳定性；(3)将连接高压电源的金属电极靠近超快激光光丝，通过调节高压电源的电压，改变金属电极处静电场大小，每改变一次电压值，就更换新的陶瓷片，并且保证每次烧蚀陶瓷片的激光脉冲数相同，来测量不同外加电场下，光丝的指向稳定性。进一步，还包括步骤：(4)固定高压电源的电压,调节超快激光器的输出激光脉冲重复频率，使不同重复频率激光光丝烧蚀陶瓷片，并保证烧蚀脉冲数相同，可测量不同重复频率下，在无或有外加电场时，超快激光光丝的指向稳定性。与现有技术相比，本专利技术的优点：现有技术中依赖于泵浦光束的波前调制，光路较为复杂，受制于激光能量以及材料损伤阈值等条件限制，无法抑制高重复频率激光光丝本身热效应造成的扰动，对高重复频率激光光丝指向稳定性的提升效果十分有限，无法实现高能量、高重复频率激光气体光丝的远距离稳定传输。光路简单，实施便捷，基于外加电场与超快激光光丝内等离子体之间的强耦合作用，利用激光等离子体对高重频激光后续脉冲的引导作用，可明显提升高重复频率激光光丝指向稳定性，且对于外加电场强度要求较低。由于电极形状以及光路的可变性，可以增加外加电场与光丝耦合效率，从而进一步提升光丝指向稳定性。同时，由于不受介质损伤阈值的限制，可以实现任意尺度内稳定传输的高能量、高重复频率的超快激光光丝。这对于基于激光重复频率的超快飞秒激光气体光丝的应用，如飞秒光丝微加工和成像、超短脉冲压缩和超连续谱光谱产生、太赫兹和谐波辐射源、空气激光、远程大气探测、空气激光以及人工引雷等应用中，提升光丝指向稳定性，提高相关应用的精度、分辨率等效能有着极其重大的意义。实验装置与光路十分简易，经过改良后，可以拥有更加广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术一种提升和测量高重频超快激光光丝指向稳定性的装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例1中，超快激光重复频率为1kHz，脉宽为32fs，脉冲能量为3.4mJ，无外加电场时，陶瓷片上超快激光光丝所烧蚀的图案，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、陶瓷片(6)、显微镜(10)，以及沿该超快激光器(1)出射激光方向放置的聚焦透镜(2)；/n所述的超快激光器(1)出射激光经聚焦透镜(2)聚焦后在气体中成丝，所述的陶瓷片(6)置于成丝区域进行烧蚀，形成烧蚀图案；/n所述的显微镜(10)，用于对烧蚀图案进行观测，当烧蚀图案面积越大，则超快激光光丝指向稳定性越差，以此标定超快激光光丝指向稳定性。/n

【技术特征摘要】
1.一种检测高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、陶瓷片(6)、显微镜(10)，以及沿该超快激光器(1)出射激光方向放置的聚焦透镜(2)；
所述的超快激光器(1)出射激光经聚焦透镜(2)聚焦后在气体中成丝，所述的陶瓷片(6)置于成丝区域进行烧蚀，形成烧蚀图案；
所述的显微镜(10)，用于对烧蚀图案进行观测，当烧蚀图案面积越大，则超快激光光丝指向稳定性越差，以此标定超快激光光丝指向稳定性。


2.根据权利要求1所述的检测高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，所述的超快激光器(1)的脉冲宽度在fs到ps量级，重复频率>100Hz，产生激光脉冲峰值功率大于激光脉冲在该气体环境中的自聚焦成丝临界功率Pcr(Pcr＝3.77λ2/8πn2n0，λ为激光脉冲中心波长,n0和n2分别空气中的线性折射率和克尔非线性折射率系数)。


3.一种提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、陶瓷片(6)、显微镜(10)、与高压电源(9)相连接的金属电极(3)，以及沿该超快激光器(1)出射激光方向放置的聚焦透镜(2)；
所述的超快激光器(1)出射激光经聚焦透镜(2)聚焦后在气体中成丝，所述的陶瓷片(6)置于成丝区域进行烧蚀，形成烧蚀图案；
所述的金属电极(3)靠近成丝区域，通过改变高压电源(9)的电压，使所述的极(3)的电极处静电场大小发生改变，每改变一次电压值，就更换一次陶瓷片；
所述的显微镜(10)，用于对烧蚀图案进行观测，当烧蚀图案面积越大，则超快激光光丝指向稳定性越差，以此标定超快激光光丝指向稳定性。


4.根据权利要求3所述的提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，还包括绝缘组件，所述的金属电极(3)固定在该绝缘组件一端，该绝缘组件的另一端固定于接地的工作平台上。


5.根据权利要求4所述的提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，所述的绝缘组件由绝缘支架(4)与绝缘塑料杆(5)连接而成，所述的金属电极(3)固定在绝缘支架(4)上。


6.根据权利要求3所述的提升高重频超快激光光丝指向稳定性的装置，其特征在于，所述的超快激...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘尧香，王铁军，郭豪，陈娜，孙海轶，冷雨欣，李儒新，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31