一种超快激光非线性自压缩装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种超快激光非线性自压缩装置及其应用，属于超快激光领域，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜

【技术实现步骤摘要】
一种超快激光非线性自压缩装置及其应用


[0001]本专利技术属于超快激光领域，更具体地，涉及一种超快激光非线性自压缩装置及其应用
。

技术介绍

[0002]超快激光包括皮秒激光和飞秒激光，其中高功率飞秒激光器具有极短时间脉冲宽度和极高峰值功率（密度）的优势，因此可以实现激光制造的高精度“冷加工”。
飞秒激光器的输出时间脉冲宽度取决于增益介质的增益光谱带宽，并且受限于高功率放大时的光谱增益窄化效应，一般工业光纤或者固体飞秒激光器的脉冲宽度最低约为
300fs。
另一方面，激光精密加工需要脉冲宽度更窄的高功率飞秒激光光源，以激光钻孔为例，工艺实验表明脉冲宽度
<100fs
的飞秒激光光源可以显著提高钻孔质量，如果脉冲宽度进一步降低至
10fs
以下，热影响区
、
崩边等加工缺陷将完全消失实现“完美”加工
。
因此需要非线性压缩装置对飞秒激光器输出脉冲进行后压缩
。
[0003]飞秒激光非线性压缩的基本原理是当飞秒激光在空芯气体波导
、
充气多通腔
、
固体薄板等非线性介质中传输时，介质瞬时折射率被输入激光的瞬态光强调制，进而导致输入激光脉冲前沿的光谱成分发生红移
、
后沿发生蓝移，光谱显著展宽
。
这种经历了光谱自相位调制的飞秒激光脉冲一般具有显著的符号为正的群速度色散，需要多次通过啁啾镜等色散补偿元件引入符号为负的群速度色散，达到色散补偿并压缩激光脉冲宽度的作用
。
[0004]现有飞秒激光非线性压缩技术应用于工业激光器主要面临以下两类问题
。
第一
、
目前常用的非线性介质难以满足非线性压缩装置稳定
、
可靠运行的需求，其中空芯气体波导和充气多通腔对激光光路的稳定性要求较高，而固体薄板输出的脉冲存在非线性光谱展宽空间均匀性的问题
。
第二
、
现有非线性压缩技术在光谱展宽过程中都对飞秒激光脉冲引入正色散，需要啁啾镜等负色散元件进行色散补偿压缩脉冲，而色散元件一般成本较高且占用空间较大，影响飞秒激光非线性压缩装置的小型化集成
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种超快激光非线性自压缩装置及其应用，旨在解决现有的非线性介质难以满足非线性压缩装置稳定
、
可靠运行的需求，以及需要额外进行色散补偿的问题
。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种超快激光非线性自压缩装置，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜
、
非线性介质和准直透镜，其中所述非线性介质包括预设数量以布儒斯特角放置的透明固体板，所述透明固体板的厚度为
2mm
～
3mm
，用于使超快激光脉冲发生光谱展宽的同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩
。
[0007]作为进一步优选地，所述透明固体板的材料为熔融石英
、
光学玻璃
、
钇铝石榴石或蓝宝石
。
[0008]作为进一步优选地，所述透明固体板的厚度确定方式为：将单个所述透明固体板放置于聚焦透镜的焦点后方，计算穿过该透明固体板前后光束的光斑半径之比，选择光斑半径之比大于
1.25
的透明固体板的厚度
。
[0009]作为进一步优选地，相邻所述透明固体板的间隔距离通过如下方式确定：将第一块透明固体板放置于聚焦透镜的焦点后方，并且第一块透明固体板与聚焦透镜的间距为发生损坏的临界距离；然后在第一块透明固体板的后侧放置第二块透明固体板，并将其不断靠近第一块透明固体板，移动过程中实时测量透过第二块透明固体板的光谱带宽，并在保证第二透明固体板不发生损坏的前提下选择光谱带宽最宽的间隔距离作为相邻所述透明固体板的间隔距离
。
[0010]作为进一步优选地，所述非线性介质中透明固体板数量的确定方法为：不断增加透明固体板的数量，并实时测量非线性介质出射光的脉冲宽度，直至脉冲宽度达到预设值时停止，以此获得非线性介质中透明固体板的数量
。
[0011]作为进一步优选地，所述非线性介质中透明固体板数量的确定方法为：不断增加透明固体板的数量，并实时测量非线性介质出射光的脉冲宽度，当脉冲宽度不再减小或者脉冲发生分裂时停止，以此获得非线性介质中透明固体板的数量
。
[0012]作为进一步优选地，所述聚焦透镜的
F
数为
100
～
500
，
F
数为聚焦透镜焦距与入射光直径之比
。
[0013]作为进一步优选地，所述准直透镜与非线性介质中最后一个透明固体板的间距通过如下方式确定：调节所述准直透镜的位置，当穿过准直透镜的光束发散角达到最小时停止
。
[0014]作为进一步优选地，所述准直透镜的焦距为，单位为米，其中为超快激光非线性自压缩装置出射光的直径，单位为毫米，为非线性介质出射光的发散角，单位为毫弧度
。
[0015]按照本专利技术的另一方面，提供了上述超快激光非线性自压缩装置在飞秒激光中的应用
。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1．本专利技术通过引入厚度适当的透明固体板作为非线性介质，能够使得超快激光脉冲在非线性介质中传播时不仅发生光谱展宽，同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩，从而能够在不使用啁啾镜等色散元件的情况下实现非线性自压缩，极大降低了装置成本和占地面积，并且采用固体厚板作为非线性介质还能够避免空芯气体波导和充气多通腔对光路稳定性较高的要求，进而提高非线性压缩装置的稳定性；2．尤其是，本专利技术通过对透明固体板的间距进行优化，能够使得超快激光在各个透明固体板内部发生多次自聚焦形成透镜波导，从而使得空间不均匀的光谱非线性展宽发生匀滑效应，压缩后的脉冲时空耦合减弱，空间上的脉宽分布更加均匀；3．此外，本专利技术通过对聚焦透镜和准直透镜的焦距以及与非线性介质的距离进行优化，能够更有效地实现光谱展宽及脉冲压缩，同时保证装置的稳定运行
。
附图说明
[0017]图1是本专利技术实施例提供的超快激光非线性自压缩装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的初始大脉冲宽度飞秒激光与自压缩后飞秒激光的频谱对比图，其中，实线为自压缩后所得的激光光谱，虚线为初始激光光谱；图3是本专利技术实施例提供的初始大脉冲宽度飞秒激光与自压缩后飞秒激光的脉冲包络对比图，其中，实线为自压缩后所得的脉冲包络，虚线为初始激光脉冲包络；图4是本专利技术实施例提供的飞秒激光经准直透镜准直后的远场光斑
。
[0018]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1‑
激光器，2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，该装置包括沿光线传播方向依次设置的聚焦透镜（2）
、
非线性介质（3）和准直透镜（4），其中所述非线性介质（3）包括预设数量以布儒斯特角放置的透明固体板（
3.1
），所述透明固体板（
3.1
）的厚度为
2mm
～
3mm
，用于使超快激光脉冲发生光谱展宽的同时发生自聚焦以引入时空耦合，进而实现等效负色散自压缩
。2.
如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述透明固体板（
3.1
）的材料为熔融石英
、
光学玻璃
、
钇铝石榴石或蓝宝石
。3.
如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，所述透明固体板（
3.1
）的厚度确定方式为：将单个所述透明固体板（
3.1
）放置于聚焦透镜（2）的焦点后方，计算穿过该透明固体板（
3.1
）前后光束的光斑半径之比，选择光斑半径之比大于
1.25
的透明固体板（
3.1
）的厚度
。4.
如权利要求1所述的超快激光非线性自压缩装置，其特征在于，相邻所述透明固体板（
3.1
）的间隔距离通过如下方式确定：将第一块透明固体板（
3.1
）放置于聚焦透镜（2）的焦点后方，并且第一块透明固体板（
3.1
）与聚焦透镜（2）的间距为发生损坏的临界距离；然后在第一块透明固体板（
3.1
）的后侧放置第二块透明固体板（
3.1
），并将其不断靠近第一块透明固体板（
3.1
），移动过程中实时测量透过第二块透明固体板（
3.1
）的光谱带宽，并在保证第二透明固体板（
3.1

【专利技术属性】
技术研发人员：李政言，闫威伟，张庆斌，陆培祥，
申请(专利权)人：湖北光谷实验室，
类型：发明
国别省市：