專利名稱：縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及強場激光物理，特別是一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置和方法，對遠程精確掃描探測有重大意義。
背景技術：
飛秒脈沖激光的出現(xiàn)，極大地促進了飛秒化學、原子分子動力學探測、生物成像等研究領域的發(fā)展。然而，由于激光傳播過程中受衍射和群速度色散等因素的影響，曾經很長一段時間人們認為超短激光脈沖在空氣中不適合遠距離傳輸。但實驗中，強的飛秒激光在空氣中能穩(wěn)定傳輸數(shù)十米甚至上千米，而其絲里面的峰值光強保持在IO13 IO14W/ cm2不變，即所謂的“成絲”現(xiàn)象。目前普遍認為這是由于光學克爾效應引起的自聚焦和多光子電離或閾上電離產生的等離子體引起的自散焦動態(tài)平衡的結果(可參閱文獻Braim， etal. Opt. Lett. 20， 73,1995 禾口 k. Couairon, A. Mysyrowicz, Phys. Rep. 441， 47, 2007)。飛秒脈沖激光通過成絲能傳播到較遠的距離，這對于在遠程探測有重大的意義。然而，成絲過程中激光雖然能傳播較遠距離，但形成的光絲通常較長，這極大地限制了遠程探測過程的分辨率。同時，較長的絲產生的超連續(xù)白光形成背景噪聲，降低探測的信噪比。要形成較短的光絲，一種簡單的辦法是采用大的數(shù)值孔徑進行聚焦。然而，要想在遠距離成絲，這需要很大的尺寸的聚焦透鏡。如采用數(shù)值孔徑為0. 1的聚焦透鏡在5m遠處成絲，則需要直徑為Im的透鏡。如此大尺寸的透鏡在加工、裝配等方面都很困難，并且價格
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發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置和方法，該裝置和方法具有簡單而且更有效的特點，對大氣遠程精確掃描探測有重要的作用。本發(fā)明的技術解決的基本思想是
通過光柵對使超短激光脈沖產生空間色散后聚焦，讓不同頻率的光只在焦點處重合， 從而形成強的超短超強激光脈沖。在偏離焦點的地方，由于不同頻率的光在時間和空間上不重合，使得脈沖寬度迅速增加，導致激光強度下降，瑞利長度減小，從而縮短光絲的長度。本發(fā)明的技術解決方案如下
一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置，其特點是將由啁啾脈沖放大技術產生的飛秒激光不經過壓縮器直接輸出，在所述飛秒激光輸出的光路上依次設置平凸柱面透鏡、 平凹柱面透鏡、第一光柵、第二光柵和聚焦透鏡構成，所述的第一光柵和第二光柵相對且平行放置，所述的平凸柱面透鏡和平凹柱面透鏡之間的距離為兩者焦距之差。利用上述縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置進行縮短成絲長度的方法，包括下列步驟
①開啟飛秒激光器，將飛秒激光不經壓縮器導出，調整光路，使所述的飛秒激光在空氣中形成光絲；CN 102411246 A
說明書
2/3頁②移動所述的平凸柱面透鏡或平凹柱面透鏡，使所述的平凸柱面透鏡和平凹柱面透鏡的焦點重合，則所述的光絲達到最短。本發(fā)明的技術效果如下
實驗表明，本發(fā)明的裝置和方法具有簡單而更有效的特點，采用本發(fā)明裝置和方法所形成的光絲的長度，相比于只用聚焦透鏡產生的光絲顯著縮短，縮短量10倍以上。短的光絲有利于提高遠程探測的分辨率，且通過改變光柵間的距離來改變光絲的位置，可用于掃描探測。短的光絲還將大大減小遠程探測過程中噪聲，從而提高探測的信噪比。該方法對于遠程精確掃描探測有重要的意義。


圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖。圖2為本發(fā)明縮短激光脈沖在空氣中成絲裝置的光路其中1為未經過壓縮器，直接從放大器中導出的激光脈沖，2為平凸柱面透鏡，3為平凹柱面透鏡，4為第一光柵，5為第二光柵，6為聚焦透鏡，7為激光聚焦后在空氣中形成的光絲。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖。本發(fā)明旨在提供一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置和方法。關鍵是采用時間-空間聚焦技術，將未經過壓縮器的啁啾脈沖放大技術產生的激光脈沖經光柵對后將時間啁啾轉換成空間啁啾，然后通過透鏡聚焦，使得不同頻率的光只在焦點處重合，形成強的超短超強激光脈沖，而在偏離焦點的地方，由于不同頻率的光在時間和空間上不重合，使得脈沖寬度迅速增加，導致激光強度下降，瑞利長度減小，從而縮短了光絲的長度。再請參閱圖2，圖2為本發(fā)明縮短激光脈沖在空氣中成絲裝置的光路圖。由圖可見，本發(fā)明縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置，該裝置包括縮束部分、空間色散部分和聚焦部分
縮束部分由在經準直后的光路上依次放置的平凸柱面透鏡2和平凹柱面透鏡3組成。 激光經過縮束部分后，光束在水平方向縮束，縮束比由平凸柱透鏡2和平凹柱透鏡3的焦距和兩柱面透鏡間的距離決定?？臻g色散部分由第一光柵4和第二光柵5平行且相對放置的光柵對組成，通過調節(jié)光柵的入射角和兩光柵之間的距離來調節(jié)激光的時間和空間色散。激光經過空間色散部分后，時間啁啾被補償，而產生空間啁啾。聚焦部分由聚焦透鏡6組成。激光經過聚焦部分后產生聚焦，并在焦點附近成絲。一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置，其特征是將由啁啾脈沖放大技術產生的飛秒激光1不經過壓縮器直接輸出，在所述飛秒激光1輸出的光路上依次設置平凸柱面透鏡2、平凹柱面透鏡3、第一光柵4、第二光柵5和聚焦透鏡6構成，所述的第一光柵4和第二光柵5相對且平行放置，所述的平凸柱面透鏡2和平凹柱面透鏡3之間的距離為兩者焦距之差。利用上述縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置進行縮短成絲長度的方法，包括下列步驟
①開啟飛秒激光器，將飛秒激光1不經壓縮器導出，調整光路，使所述的飛秒激光在空氣中形成光絲7;
②移動所述的平凸柱面透鏡2或平凹柱面透鏡3，使所述的平凸柱面透鏡2和平凹柱面透鏡3的焦點重合，則所述的光絲達到最短。下面是一個具體實施例，飛秒激光1是中心波長為800納米，脈沖寬度為30飛秒， 單脈沖能量為6毫焦耳，光斑大小(半高全寬)為6mm的光，當采用1米聚焦透鏡6聚焦時， 光絲的長度可達10厘米。當采用本發(fā)明裝置時，平凸柱面透鏡2的焦距為50厘米，平凹柱面透鏡3的焦距為10厘米，兩透鏡間的距離為40厘米。第一光柵4的入射角為53度，第一光柵4和第二光柵5之間的距離為73厘米，聚焦透鏡6的焦距同樣為1米時，光絲的長度為4毫米。相比于直接采用聚焦透鏡聚焦所產生的10厘米長的光絲縮短了 25倍。
權利要求
1.一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置，其特征是將由啁啾脈沖放大技術產生的飛秒激光(1)不經過壓縮器直接輸出，在所述飛秒激光(1)輸出的光路上依次設置平凸柱面透鏡(2)、平凹柱面透鏡(3)、第一光柵(4)、第二光柵(5)和聚焦透鏡(6)構成，所述的第一光柵(4)和第二光柵(5)相對且平行放置，所述的平凸柱面透鏡(2)和平凹柱面透鏡 (3)之間的距離為兩者焦距之差。
2.利用權利要求1所述的縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置進行縮短成絲長度的方法，特征在于包括下列步驟①開啟飛秒激光器，將飛秒激光(1)不經壓縮器導出，調整光路，使所述的飛秒激光在空氣中形成光絲(7);②移動所述的平凸柱面透鏡(2)或平凹柱面透鏡(3)，使所述的平凸柱面透鏡(2)和平凹柱面透鏡(3)的焦點重合，則所述的光絲達到最短。
全文摘要
一種縮短飛秒激光在空氣中成絲長度的裝置和方法，該裝置的構成是在飛秒激光輸出的光路上，由依次設置的平凸柱面透鏡、平凹柱面透鏡、第一光柵、第二光柵和聚焦透鏡構成，所述的第一光柵和第二光柵相對且平行放置，所述的平凸柱面透鏡和平凹柱面透鏡之間的距離為兩者焦距之差。本發(fā)明的裝置和方法具有簡單而有效的特點，采用本發(fā)明裝置和方法所形成的光絲的長度，相比于只用聚焦透鏡產生的光絲顯著縮短，縮短量10倍以上。短的光絲有利于提高遠程探測的分辨率，且通過改變光柵間的距離來改變光絲的位置，可用于掃描探測。短的光絲還將大大減小遠程探測過程中噪聲，從而提高探測的信噪比。該方法對于遠程精確掃描探測有重要的意義。
文檔編號G02F1/35GK102411246SQ20111022922
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月11日 優(yōu)先權日2011年8月11日
發(fā)明者倪潔蕾, 儲蔚, 姚金平, 張海粟, 徐至展, 曾斌, 李貴花, 程亞 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所