延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法制造方法及图纸

一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法，其装置的构成是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜。实验表明高能量的飞秒激光脉冲通过位相板之后由于干涉效应而改变聚焦区域的聚焦特性，大大延长了聚焦区域长度。本发明专利技术方法，跟普通的高斯光束聚焦相比，使超连续辐射集中在轴向，从而能将更多的能量输送到更远的地方，这对于激光引雷、远程大气探测、获得超强超短的少周期激光脉冲有很重要的意义。

Extend the filamentation length of femtosecond laser in air device and method

An extension of femtosecond laser in air. The length of the device and method, the device is in the output light path of the femtosecond laser collimation are sequentially arranged adjustable small Kong Guanglan, a phase plate and a focusing lens. The experimental results show that the focusing length of the high energy femtosecond laser pulses is changed greatly by the interference effect, and the focusing region length is greatly extended. The method of the invention, compared with the ordinary Gauss beam, the supercontinuum radiation is concentrated in the axial, thereby delivering more energy to the farther, the thunder, the laser remote atmospheric detection, ultra short of few cycle laser pulse is very important.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及强场激光物理，特别是一种，对激光远程大气检测、激光引雷、获得超短超强激光脉冲有重大应用。
技术介绍
随着飞秒激光的出现，人们的研究在化学、物理、生物等各个学科都取得了很多重要的研究成果。然而，曾经很长一段时间人们都认为由于衍射、群速度色散等原因的影响，超强超短激光在空气中不适合于远距离传输，例如，束腰为5mm、脉宽为30fs的激光脉冲，在空气中传输1000米之后强度会衰减约5×103。但在实际实验中人们发现，飞秒激光在空气中传输会形成弱的等离子体通道，而且等离子体通道的长度可以很长(几十米到几千米)，通道即光丝里面的光强也高达1013-1014W/cm2的量级。这就是超短超强激光的成丝现象，成丝现象的出现引起了很多人的关注，因为成丝对于远程大气检测、激光引雷、获得超短超强的少周期激光脉冲有很重要的应用前景(可参阅文献S.L.Chin，F.Théberge，and W.Liu，Appl.Phys.B.86，477，2007和A.Couairon，A.Mysyrowicz，Phys.Rep.441，47，2007)。所以一直以来，很多人都在关注如何延长等离子体通道长度而把更高的激光能量传送到更远的距离。 最简单和直接的延长光丝长度的方法是利用松聚焦来延长瑞利长度，进而延长丝的长度。然而，在松聚焦的情况下，光斑上的热点会很容易成丝，这样会出现多丝结构，特别是在入射光能量比较高的情况下，这对成丝的具体应用会有限制。此外，实验证明，在反常色散介质中丝的长度也会大大延长，然而现在常用的而且比较成熟的飞秒激光波长都在800nm附近，在空气中是正常色散。最近，P.Polynkin等人利用Bessel光束在空气中大大延长了丝的长度，并且通过优化激光的啁啾优化丝的长度(参见文献P.Polynkin，M.Kolesik，A.Roberts，D.Faccio，P.D.Trapani，and J.Moloney，Opt.Exp.16，15733，2008和P.Polynkin，M.Kolesik，J.Moloney，Opt.Exp.17，575，2009)。他们的试验中获得的是准Bessel光束，是将Gauss光束通过一个锥形镜而获得的，从而大大延长了聚焦区域的长度，最长可延长到2.5倍。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种，具有简单而且更有效的特点，而且本专利技术也提供了一种使超连续辐射集中在轴向上的方法，这对大气远程探测、激光引雷和利用成丝压缩方法获得周期量级的超短超强激光脉冲有重要的作用。 本专利技术的核心思想是通过改变入射光的波前位相来延长丝的长度，用透射式和反射式的位相调节方式均可，只要可以按照设计要求控制入射脉冲的波前位相。 本专利技术的技术解决方案如下 一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置，其特征是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜构成。 所述的位相板为透射式位相板或反射式位相板。 一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的方法，特征在于包括下列步骤 ①用菲涅尔衍射方法进行线性模拟求解获得所述的位相板的内部圆形区域半径r0，内部圆形区域相对于外环的位相跃变量 ；利用湿法刻蚀方法或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法在K9玻璃表面刻蚀出一个半径为r0的圆形区域，刻蚀深度所对应的位相跃变量为 ； ②在准直飞秒激光输出的光路上依次设置所述的的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜； ③开启准直飞秒激光，调整所述的可调小孔光阑，使所述的飞秒激光在空气中成丝长度达到最长。 实验表明本专利技术装置和方法可以大大延长飞秒激光在空气中成丝的长度。跟普通的高斯光束聚焦相比，使超连续辐射集中在轴向，从而能将更多的能量输送到更远的地方，对激光远程大气检测、激光引雷、获得超短超强激光脉冲有重大应用。 附图说明 图1是透射式位相板的剖面图和俯视图， 图中r0为内部圆形区域半径， 为内部圆形区域相对于外环的位相跃变量； 图2为延长激光脉冲在空气中成丝具体实施的光路图， 图中1为入射超强超短脉冲激光，2为可调节小孔光阑，3为透射式位相板，4为聚焦透镜，5为超短超强激光聚焦后在空气中形成的光丝(弱等离子体通道)； 图3是入射光场和待求光场的坐标系统示意图。 具体实施例方式 下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。 先请参阅图1，图1为透射式位相板的结构示意图，左面的为剖面图，右边的为俯视图。利用湿法刻蚀方法(或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法)在厚度约为1.8mm的K9玻璃表面刻蚀出一个直径为5mm的圆形区域，刻蚀深度为约0.78μm。入射光通过这块位相板之后，光斑中心区域和外环部分会相差π的位相(内环位相超前π)。 值得注意的是，位相板的设计结构不是唯一的，可以设计成任意情况的位相改变模式，根据自己设计结果而定。此外，位相板也不局限于透射式，也可以用反射式，例如可以使反射镜的各个部分高度不同，使反射的光经历不同的光程，同样可实现位相的调节。如果用透射式位相板的时候，要特别注意强飞秒激光在透射材料中的自聚焦效应而破坏透射材料，所以要特别注意材料的选择和厚度的控制。具体试验中可以在位相板之后测量光谱和脉宽是否变化以及有无明显白光来判断材料和厚度选择是否合适。如果光谱和脉宽有很明显变化，或者有明显白光，说明位相板材料及厚度选择不合适，要选择高破坏阈值的材料或者减小位相板厚度来尽量减弱在位相板中的自聚焦等非线性效应。 由于激光器差异，光斑大小和光斑模式都有差别，所以要根据自己的激光参数设计合适的位相板模式和尺寸通过不断的优化对入射光的位相改变模式来优化聚焦后聚焦区域的长度，从而实现延长丝的目的。当然，准确的方法应该用非线性传输方程来模拟电子密度分布(A.Couairon，A.Mysyrowicz，Phys.Rep.441，47-189(2007))，从而获得比较理想的结果。下图为非线性计算机模拟过程的流程图。 然而解非线性传输方程需要进行大量的计算，以现在的个人电脑计算能力，优化这个过程需要花费大量的时间。 根据我们的设计经验，可以先用菲涅尔衍射原理进行线性传输优化，通过不断的优化对入射光的位相改变模式来优化聚焦后聚焦区域的长度，从而实现延长丝的目的。虽然用线性传输来优化位相板的结构虽然不是很准确，但在一定程度上也和实验结果匹配的较好。而且根据我们的经验(假设入射光斑分布为高斯分布)，当内部区域能量占整个光斑能量的约三分之一而且内部位相跃变量为π的时候，就已经能够获得比较好的实验结果了。 下面是菲涅尔衍射模拟的具体公式及推导 (1)为菲涅尔衍射公式，参阅图3，其中，U(p0)为待求光场(标量场)中p0(x，y)点的电场复振幅，U(p1)为入射光场中p1(ξ，η)点电场复振幅，λ为激光波长，r01为p0，p1两点间距离，θ为光线p0p1和z轴的夹角，有z为激光传播距离。 由(1)可得到 而 所以有 对于满足圆对称的入射和衍射光场，可设 x＝rcosα y＝rsinα ξ＝ρcosβ η＝ρsinβ 参见图3，r为p0(x，y)到z轴的距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置，其特征是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑（２）、位相板（３）和聚焦透镜（４）构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：付玉喜，熊辉，徐晗，姚金平，曾斌，储蔚，程亚，徐至展，
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：31[中国|上海]