一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，设计可调内径的光阑：光阑内孔圆由左右两部分共同组成，两部分分别使用透光材料和挡光材料制成，光阑内孔圆大小可调，两部分面积之比可自行调节；保证两束光空间重合调整好的前提下,将设计的光阑放置于两个光路中，两路光聚焦后通过混频晶体，调节一个光路中的延时反射模块位置，当混频晶体后面光屏上观察到三个光斑时，延时反射模块所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合。装置简单，操作容易，可快速找到激光脉冲时域重合位置，并适用于各种波长的短脉冲激光。
【专利说明】一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种脉冲激光领域，特别涉及一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法。
【背景技术】
[0002]自20世纪80年代以来，随着超快激光技术的发展，大功率的超短脉冲技术日益成熟，皮秒激光器以及飞秒激光器因其能量高、方向性好、脉冲窄等优点在物理、天文、医学、通信等学科领域有着广泛的应用。
[0003]目前，在许多超快激光实验中都会遇到两束光共线合束的情况，该类实验要求两路光空间重合，且时域重合。时域重合的实现就是通过保证两束光的光程精确相等。目前，通常寻找两束光的时间重合位置的方法就是控制光路中的延时模块，改变光程，同时用仪器观测最后实验所需要探测的信号。针对实验所用激光的脉冲宽度不同，延时模块扫描的精度和速度也相应需要调整。脉冲宽度越窄，扫描的精度就需要越高，扫描速度也就越慢。对于短脉冲激光(例如飞秒脉冲)来说，由于信号跟很多因素相关，使得通过传统的找最终信号的方法耗费时间很长，有时长达几个小时也无结果，对实验进展影响很大。现在还没有可以快速找到激光脉冲时域重合位置的方法。
【发明内容】
[0004]本发明是针对实验中调整两束光共线合束耗时的问题，提出了一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，操作容易，可快速找到激光脉冲时域重合位置，并适用于各种波长的短脉冲激光。
[0005]本发明的技术方案为:一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，具体包括如下步骤:
1)设计可调内径的光阑:
光阑内孔圆由左右两部分共同组成，两部分分别使用透光材料和挡光材料制成，光阑内孔圆大小可调，两部分面积之比可自行调节；
2)搭建装置找寻激光脉冲时域重合位置:
中心波长为λ I的第一脉冲激光经第一反射镜，作为第一束激光；
中心波长为λ2的第二脉冲激光经第二反射镜反射后进入并通过延时反射模块，输出光再经第三反射镜反射后，作为第二束激光，两束激光经过合束片后进行空间合束，调整两束光空间重合后，在两个分光路中分别放置光阑，使每路光只有一部分通过原本共线的空间位置，形成了非共线状态，然后通过聚焦装置聚焦到处于聚焦装置焦点上的混频晶体，两束光在混频晶体内部交叉，从混频晶体输出的光落到光屏上，调整延时反射模块位置，当在光屏上观察到三个光斑时，此时延时反射模块所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合；
3)撤去光路中两个光阑、聚焦装置、混频晶体和光屏，可得空间重合以及时域重合的两束光，用于后续实验或操作。
[0006]所述中心波长为λ I的脉冲激光与中心波长为λ 2的脉冲激光可以是波长相同的两个脉冲激光，也可以是波长不同的两个脉冲激光。
[0007]所述混频晶体根据实际波长选取晶体，选取的晶体产生的混频信号在可见光波段为标准。
[0008]本发明的有益效果在于:本发明通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，装置简单，容易操作。在实际操作过程中，保证两束光空间重合调整好的前提下，只需将本专利设计的光阑放置于空间共线合束的两个分光路中，造成它们各自只有一部分通过原本共线的空间位置，形成了在聚焦透镜焦点处的非共线状态(在不加光阑时，两束光经过合束片以后是空间重合成一束光的)，焦点处放置了混频晶体，调节延时反射模块位置，当在后面光屏上观察到三个混频光斑时，延时反射模块所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合。撤去光阑等辅助装置，两束光仍然是空间重合，但也实现了时域重合。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明设计的光阑示意图；
图2为本发明设计的光阑调节通光孔径后示意图；
图3为本发明通过可调光阑利用凸透镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置结构示意图；
图4为本发明通过可调光阑利用凸透镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的局部放大示意图；
图5为本发明通过可调光阑利用抛物面镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]如图1所示设计的光阑示意图及图2所示设计的光阑调节通光孔径后示意图，光阑内孔圆由左右两部分共同组成，两部分分别使用透光材料和挡光材料制成，光阑内孔圆大小可调，两部分面积之比可自行调节。光阑及其通光孔径的调节有三个作用:Α.造成光束非共线:不改变两束原本空间重合光的空间位置，外加光阑可以直接形成两束光各自剩下半边，形成非共线状态下聚焦，此时它们通过焦点后处于不同的空间位置，再在焦点处放置混频晶体，调节延时系统产生它们的混频信号，由于混频晶体的相位匹配角关系，混频信号和原有的光斑信号位于不同的空间位置，从而肉眼就可以非常直观的看到混频信号的出现，此时也就是时域重合的位置。相较原始的共线寻找时域重合的方法要简单快捷很多；B.减少入射光强，目的是为了避免焦点处峰值能量过高损坏混频晶体；C.缩小光斑直径，
根据聚焦后的光斑直径公式d ο; #,其中f是聚焦镜的焦距(仅仅对应公式分析)，λ是激: D
光中心波长，D是入射的平行光光束直径，此处对应通过光阑后的光斑直径。由公式可知，通过光阑后的光斑直径越小，聚焦后的焦点光斑相对越大，既可以增加两束光的相互作用面积，方便寻找混频信号，也可以减少焦点处的峰值光强，进一步避免焦点处峰值能量过高损坏混频晶体。
[0011]如图3所示通过可调光阑利用凸透镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置结构示意图，由中心波长为λ I的脉冲激光1，本专利设计的光阑Α2，反射镜3，中心波长为λ 2的脉冲激光4，反射镜5，延时反射模块6，反射镜7，本专利设计的光阑Β8，合束片9，凸透镜10，混频晶体11，光屏12和后续实验装置/系统13构成，混频晶体9位于凸透镜10的焦点处。保证两束光空间重合调整好的前提下，中心波长为λ I的脉冲激光I通过本专利设计的光阑Α2后经反射镜3反射，中心波长为λ 2的脉冲激光4经反射镜5反射后进入并通过延时反射模块6，输出光再经反射镜7反射后通过本专利设计的光阑Β8，与经过反射镜3反射的第一束激光共同经合束片9后通过凸透镜10，如图4所示局部放大图，并通过在凸透镜10焦点处的混频晶体11内部交叉，从混频晶体11输出的光落到光屏12上，控制调整延时反射模块6位置，当在光屏12上观察到三个光斑时(中间一个为两束光产生的和频或差频信号，两侧的光斑是λ?和λ2光各自的混频光斑)，此时延时反射模块6所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合。混频晶体11可根据实际波长选取可产生最终希望波段光源的任何晶体，通常以产生的混频信号在可见光波段为标准，易于观测。
[0012]如图5所示通过可调光阑利用抛物面镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置结构示意图，由中心波长为λ I的脉冲激光1，本专利设计的光阑Α2，反射镜3，中心波长为λ 2的脉冲激光4，反射镜5，延时反射模块6，反射镜7，本专利设计的光阑Β8，合束片9，抛物面镜14，混频晶体11，光屏12和后续实验装置/系统13构成，混频晶体11位于抛物面镜14的焦点处。【具体实施方式】与如图3所示通过可调光阑利用凸透镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置实施方式一致，区别就是离轴抛物面镜14会使原光路90度偏离后再聚焦。
[0013]在下面的实例中， 如图3所示通过可调光阑利用凸透镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置选用两束波长均为800 nm的飞秒激光为例，其他波段的短脉冲激光与该波段的实施方法一致。
[0014]中心波长为800 nm的飞秒激光，脉冲宽度为130fs，重复波长I KHz，以BBO混频晶体11获得400 nm的和频光为例，具体通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的调节过程如下:保证两束光空间重合调整好的前提下，中心波长为800 nm的飞秒激光1，通过本专利设计的光阑A2(根据光斑大小或激光强度将光阑通光孔径调至合适，光阑A2挡光材料在右侧)，右侧至少一半以上的光斑被挡住，左侧的光继续向前传播，经反射镜3反射，另一束中心波长为800 nm的飞秒激光4，经反射镜5反射后通过延时反射模块6，再经反射镜7反射后通过本专利设计的光阑B8 (根据光斑大小或激光强度将光阑通光孔径调至合适，光阑B8挡光材料在左侧，与光阑A2的挡光材料方向相反)，右侧透过的光束继续向前传播，两束光共同经过合束片9后，通过凸透镜10 (焦距100 mm)，并在位于凸透镜10焦点处的混频晶体11内部交叉，调整延时反射模块6位置，当在光屏12上观察到第三个光斑出现时(中间一个为两束800 nm飞秒激光和频产生的信号，两束800 nm的激光各自的倍频信号在两侧)，此时延时反射模块6所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合。撤去光路中本专利设计的光阑A2，本专利设计的光阑B8，凸透镜10，混频晶体11和光屏12，空间重合以及时域重合的两束光继续进入后续实验装置/系统13。[0015]如图5所示通过可调光阑利用抛物面镜聚焦快速找到激光脉冲时域重合位置的装置选用一束中心波长为800 nm的飞秒激光和一束中心波长为400 nm的飞秒激光为例，其他波段的两种脉冲激光与该波段的实施方法一致。
[0016]中心波长为800 nm的飞秒激光，脉冲宽度为130fs，重复波长I KHz，中心波长为400 nm的飞秒激光，脉冲宽度为150fs，重复波长I KHz，以BBO混频晶体9获得267 nm的和频光为例，具体通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的调节过程如下:保证两束光空间重合调整好的前提下，中心波长为800 nm的飞秒激光1，通过本专利设计的光阑A2 (根据光斑大小或激光强度将光阑通光孔径调至合适，光阑A2挡光材料在右侧)，右侧的光斑被挡住，左侧的光继续向前传播，经反射镜3反射，中心波长为400 nm的飞秒激光4，经反射镜5反射后通过延时反射模块6，再经反射镜7反射后通过本专利设计的光阑B8 (根据光斑大小或激光强度将光阑通光孔径调至合适，光阑B8挡光材料在左侧，与光阑A2的挡光材料方向相反)，右侧透过的光束继续向前传播，两束光共同经过合束片9后通过抛物面镜14(焦距76.2 mm)，并在位于抛物面镜14焦点处的混频晶体11内部交叉，调整延时反射模块6位置，当在光屏12上观察到第三个光斑出现时(中间一个为800 nm飞秒激光和400nm飞秒激光和频产生的信号，两侧的光斑是800 nm和400 nm激光各自的光斑)，此时延时反射模块6所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合。撤去光路中本专利设计的光阑A2，本专利设计的光阑B8，抛物面镜14，混频晶体11和光屏12，空间重合以及时域重合的两束光继续进入后续实验装置/系统13。
[0017]所述中心波长为λ I的脉冲激光与中心波长为λ 2的脉冲激光可以是波长相同的两个脉冲激光，也可以是波长不同的两个脉冲激光。它们是由同一个激光源衍生出来的，可以是分束直接得到，也可以是中间经过其他光路/装置获得。
[0018]所述混频晶体11可根据实际波长选取任何晶体，例如ΒΒ0、KDP、LBO晶体，原理为三束光的波矢满足矢量三角形原理，通常以产生的混频信号在可见光波段为标准，易于观测。例如:两束800 nm光和频生成400 nm光用针对800 nm波段的和频BBO晶体，此时和频光斑出现在三个光斑中间；例如:800 nm光和400 nm光和频生成267 nm光，用800 nm和400 nm的和频BBO晶体，此时和频光斑出现在三个光斑中间；例如:600 nm光和2400 nm差频生成800 nm的光，用600 nm和2400 nm的差频BBO晶体，此时差频光斑出现在原有两个光斑的另一侧。其他波段以此类推。
【权利要求】
1.一种通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 1)设计可调内径的光阑: 光阑内孔圆由左右两部分共同组成，两部分分别使用透光材料和挡光材料制成，光阑内孔圆大小可调，两部分面积之比可自行调节； 2)搭建装置找寻激光脉冲时域重合位置: 中心波长为λ I的第一脉冲激光经第一反射镜，作为第一束激光； 中心波长为λ2的第二脉冲激光经第二反射镜反射后进入并通过延时反射模块，输出光再经第三反射镜反射后，作为第二束激光，两束激光经过合束片后进行空间合束，调整两束光空间重合后，在两个分光路中分别放置光阑，使每路光只有一部分通过原本共线的空间位置，形成了非共线状态，然后通过聚焦装置聚焦到处于聚焦装置焦点上的混频晶体，两束光在混频晶体内部交叉，从混频晶体输出的光落到光屏上，调整延时反射模块位置，当在光屏上观察到三个光斑时，此时延时反射模块所在的位置就是两路光光程相等的位置，此时两束激光脉冲时域重合； 3)撤去光路中两个光阑、聚焦装置、混频晶体和光屏，可得空间重合以及时域重合的两束光，用于后续实验或操作。
2.根据权利要求1所述通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，其特征在于，所述中心波长为λ I的脉冲激光与中心波长为λ2的脉冲激光可以是波长相同的两个脉冲激光，也可以是波长不同的两个脉冲激光。
3.根据权利要求1所述通过可调光阑快速找到激光脉冲时域重合位置的方法，其特征在于，所述混频晶体根据实际波长选取晶体，选取的晶体产生的混频信号在可见光波段为标准。
【文档编号】H01S3/10GK103972780SQ201410207452
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】彭滟, 朱亦鸣, 周云燕, 陈向前, 罗坤, 刘姝琪, 钟宇, 郑书琦, 庄松林 申请人:上海理工大学, 江苏拓领光电科技有限公司