一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法及系统，属于自聚焦临界功率测定技术领域。包括飞秒激光输出能量调节装置、涡旋光束产生装置和荧光收集装置，飞秒激光输出能量调节装置用于调节入射飞秒激光脉冲的能量，涡旋光束产生装置用于将调节能量后的飞秒激光脉冲转换为飞秒涡旋光束并产生等离子体细丝，荧光收集装置用于采集和监测飞秒涡旋光束的侧向荧光信号。本发明专利技术能够简单灵敏的对飞秒涡旋光束的自聚焦临界功率进行定量测定，提高测定结果的准确性和稳定性，有利于飞秒涡旋光束的自聚焦临界功率的进一步应用；解决了现有技术中存在“无法对涡旋光束的自聚焦临界功率进行定量测定”的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法及系统


[0001]本申请涉及涡旋光束
，特别是涉及一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]G.Mourou教授(2018年诺贝尔物理学奖获得者)团队在1995年发现高功率飞秒激光在空气中可以形成长度达20米且直径约100微米的等离子体细丝，从此开创了飞秒激光成丝领域。
[0004]飞秒激光成丝是指高功率超快激光脉冲在光学介质中传输时，在克尔自聚焦和等离子体散焦等效应的共同作用下，形成传输距离远远超过其瑞利距离，直径和激光光强基本维持不变的等离子体细丝。飞秒激光成丝表现出非常独特的物理性质，例如，高功率飞秒激光在空气中传输时，细丝激光强度维持在10
13
‑
14W/cm2，电子密度在10
16
‑
18
cm
‑3量级，成丝长度可达几百米甚至上千米，形成的超连续辐射光谱可以覆盖从紫外到中红外范围，因此，飞秒激光成丝一经发现就吸引了国际上很多研究人员的关注，迅速成为超快光学的前沿领域。
[0005]涡旋光作为一种特殊的光场，带来了很多新奇的物理现象，同时，为众多的应用领域创造了新的机遇，还催生出一些全新的科学应用，已经在光镊或微粒子光学操控、光通讯、激光螺旋成丝、激光微加工、激光光谱技术、天文观测、太赫兹以及极紫外辐射等领域得到了广泛应用，极大地促进了这些领域的发展。近年来，光学涡旋领域更是飞速发展，突破性成果不断涌现。涡旋飞秒激光成丝结合了光学涡旋的奇异特性和飞秒脉冲的超强超快，可以预见地会产生很多异乎寻常的物理现象和前所未有的应用。随着高功率涡旋飞秒激光产生手段的多样化和逐渐成熟，国内外很多研究机构和公司企业陆续加入到该领域，对涡旋飞秒激光的成丝传输特性、超连续辐射、三次谐波以及微加工等进行了一系列研究，在波导激光微加工、激光光谱技术、超短脉冲产生，甚至快点火激光核聚变等领域都展现出了诱人的应用前景。
[0006]涡旋飞秒激光在光学介质中的自聚焦临界功率，被视为激光是否能够成丝的关键参数，也作为预估多丝能否产生以及估算多丝数目等的关键物理量，其值的确定无论对于基础研究还是其应用都具有重要的指导意义。
[0007]但是，涡旋飞秒成丝的研究开始二十年来，研究人员仍在沿用V.Kruglov等人得到的用于连续涡旋光情况的自聚焦临界功率表达式[J.Mod.Opt.39,2277(1992)]。虽然不断有研究人员基于该表达式开展进一步的探索[Phys.Rev.A 77,045803(2008)；Phys.Rev.A 100,013836(2019)]，但是和实验结果仍然存在很大的偏差。这主要是因为，该表达式是在连续光束的前提下推导得到的，不考虑调制不稳定性引起的光束分裂，更没有考虑激光脉宽的影响。这说明，目前的理论表达式需要经过修正或重构才可以用于涡旋飞秒激光的情况，而对其修正或重构需要实验数据的支持，但是到目前为止，国际上还没有对涡旋飞秒激
光自聚焦临界功率进行定量测定的研究。目前，仅有一项与自聚焦临界功率相关的研究，是美国亚利桑那大学P.Polynkin等人的涡旋飞秒激光在空气中成丝的实验研究[Phys.Rev.Lett.111(2),023901(2013)]。但是，正如研究人员在他们的报道中所阐述的，他们采用的测量方法不适合用来进行自聚焦临界功率的定量测量，主要原因之一是实验信号的阈值选取没有参考标准，需要主观设定，第二个主要原因是他们在报道中所述的他们没有找到适用的定量测量自聚焦临界功率的方法。然后，他们通过对实验数据的拟合，得到了自聚焦临界功率与拓扑荷数的关系，提供了涡旋光束成丝研究和应用方面的关于自聚焦临界功率的唯一的实验数据支持。
[0008]由上述分析可见，飞秒涡旋激光不适合直接使用连续涡旋光束情况的自聚焦临界功率表达式，现有的方法无法对涡旋光束的自聚焦临界功率进行定量测定，影响自聚焦临界功率测定的准确性，进而影响飞秒涡旋激光的研究和各项应用。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术的不足，本申请提供了一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法及系统，用光电倍增管(PMT)测量空气中电离的荧光辐射的方法来测定飞秒涡旋光束在空气中的自聚焦临界功率，可以得到了飞秒涡旋光束在空气中的自聚焦临界功率，也可对其他结构光束，例如艾里光束，环形艾里光束，贝塞尔光束等的自聚焦临界功率进行测定。
[0010]第一方面，本申请提供了一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统；
[0011]一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，包括：
[0012]飞秒激光输出能量调节装置，所述飞秒激光输出能量调节装置用于调节入射飞秒激光脉冲的能量；
[0013]涡旋光束产生装置，所述涡旋光束产生装置用于将调节能量后的飞秒激光脉冲转换为飞秒涡旋光束并产生等离子体细丝；
[0014]荧光收集装置，所述荧光收集装置用于采集和监测飞秒涡旋光束的侧向荧光信号。
[0015]进一步的，所述飞秒激光输出能量调节装置包括依次设置在同一光轴上的半波片和偏振片，所述飞秒激光脉冲顺序通过所述半波片和所述偏振片，通过旋转半波片的角度，改变半波片与偏振片之间的夹角，实现连续调节输入飞秒激光脉冲的能量。
[0016]进一步的，所述涡旋光束产生装置包括依次设置在同一光轴上的第一四分之一波片、涡旋波片和聚焦透镜；
[0017]所述第一四分之一波片用于将所述飞秒激光脉冲的偏振态从线偏振转换为圆偏振；
[0018]所述涡旋波片用于将圆偏振的飞秒激光脉冲转换为圆偏振的飞秒涡旋光束；
[0019]所述聚焦透镜用于在飞秒涡旋光束经过时，在空气中聚焦电离空气，产生等离子体细丝。
[0020]进一步的，所述涡旋光束产生装置还包括设置在涡旋波片和聚焦透镜之间的第二四分之一波片；
[0021]所述第二四分之一波片用于将圆偏振的飞秒涡旋光束调制为线偏振的飞秒涡旋
光束。
[0022]进一步的，所述荧光收集装置包括收集透镜、滤光片、光电倍增管和示波器；
[0023]所述收集透镜用于收集飞秒涡旋光束的侧向荧光信号，侧向荧光信号经滤光片进入光电倍增管，示波器用于监测和记录侧向荧光信号的强度。
[0024]进一步的，所述滤光片包括依次设置在同一光轴上的带通滤光片和透紫外低通滤光片；
[0025]所述带通滤光片用于过滤气体介质中的荧光光谱，所述透紫外低通滤光片用于过滤环境中的杂散光。
[0026]第二方面，本申请提供了一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法；
[0027]一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定方法，其能采用上述的飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，包括如下步骤：
[0028]步骤1、开启飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲进入飞秒激光输出能量调节装置，得到能量调节后的飞秒激光脉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，其特征是，包括：飞秒激光输出能量调节装置，所述飞秒激光输出能量调节装置用于调节入射飞秒激光脉冲的能量；涡旋光束产生装置，所述涡旋光束产生装置用于将调节能量后的飞秒激光脉冲转换为飞秒涡旋光束并产生等离子体细丝；以及，荧光收集装置，所述荧光收集装置用于采集和监测飞秒涡旋光束的侧向荧光信号。2.如权利要求1所述的飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，其特征是，所述飞秒激光输出能量调节装置包括依次设置在同一光轴上的半波片和偏振片，所述飞秒激光脉冲顺序通过所述半波片和所述偏振片，通过旋转半波片的角度，改变半波片与偏振片之间的夹角，实现连续调节输入飞秒激光脉冲的能量。3.如权利要求1所述的飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，其特征是，所述涡旋光束产生装置包括依次设置在同一光轴上的第一四分之一波片、涡旋波片和聚焦透镜；所述第一四分之一波片用于将所述飞秒激光脉冲的偏振态从线偏振转换为圆偏振；所述涡旋波片用于将圆偏振的飞秒激光脉冲转换为圆偏振的飞秒涡旋光束；所述聚焦透镜用于在飞秒涡旋光束经过时，在空气中聚焦电离空气，产生等离子体细丝；进一步的，所述涡旋光束产生装置还包括设置在涡旋波片和聚焦透镜之间的第二四分之一波片；所述第二四分之一波片用于将圆偏振的飞秒涡旋光束调制为线偏振的飞秒涡旋光束。4.如权利要求1所述的飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，其特征是，所述荧光收集装置包括收集透镜、滤光片、光电倍增管和示波器；所述收集透镜用于收集飞秒涡旋光束的侧向荧光信号，侧向荧光信号经滤光片进入光电倍增管，示波器用于监测和记录侧向荧光信号的强度。5.如权利要求4所述的飞秒涡旋光束自聚焦临界功率测定系统，其特征是，所述滤光片包括依次设置在同一光轴上的带通滤光片和透紫...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝作强，梁威，李东伟，常峻巍，张兰芝，蔡阳健，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：