激光脉冲整形装置及方法、脉冲整形器、光学系统与流程

本申请涉及激光技术领域，尤其是一种激光脉冲整形装置及方法、脉冲整形器、光学系统。

背景技术：

在光学系统的激光脉冲传输过程中，由于光路中的色散，特别是二阶及以上的高阶色散的存在，激光脉冲在通过光路时会产生“时域展宽”效应，使激光脉冲在时间轴上的宽度会随着在光路中的传播而增大，特别是飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲在经过光路后，在时间轴上的宽度甚至从飞秒量级变为皮秒量级，导致飞秒激光脉冲的峰值功率大幅度降低，丧失飞秒激光脉冲的特性。

目前，使用飞秒激光脉冲(特别是小于100飞秒的激光脉冲)的光学系统，通常会在设备光路中对激光脉冲进行相位补偿，以优化激光脉冲的状态。其架构一般如图1所示，图1是传统激光相位补偿装置结构示意图，激光光源产生激光脉冲，通过一段光路设备传输后照射在作用对象上，通过在激光光源之后的设备光路上设置一个被动相位补偿装置，然后从设备光路中的某处导出激光，进入外置的脉冲测量装置，脉冲测量装置对激光脉冲形状或者相位进行检查，根据脉冲测量装置的测量结果调节被动相位补偿装置优化脉冲，然后再次测量，如此往复，直到测量装置测量的脉冲达到最短，然后再撤掉脉冲测量装置，保持/保存被动相位补偿装置的状态，使得光学系统的激光脉冲达到一个相对优化的状态。

上述技术方案，在对激光脉冲进行测量后，被动相位补偿装置是固定在某一状态，如果设备光路或者激光器出现变化时，激光脉冲就会发生改变而导致原有被动补偿设置无法完全补偿激光脉冲在时域的展宽，此时只能再次进行测试和调整，操作复杂、准确性差；而且脉冲测量装置测量的激光脉冲通常也不是激光脉冲作用对象的实际位置，而是测量点的脉冲状态，因此即使进行测试和相位补偿调整，在激光脉冲作用对象的实际位置处并不能得到最佳的状态，影响了激光脉冲的使用效果。

技术实现要素：

本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，特别是设备光路出现变化时再次进行测试和调整，操作复杂、准确性差的缺陷，提供一种激光脉冲整形装置及方法、脉冲整形器、光学系统。

一种激光脉冲整形装置，包括：依次连接的脉冲整形器、控制装置和激光检测装置；

所述脉冲整形器设置在连接激光光源的设备光路上，所述激光检测装置设置在激光脉冲作用对象的实际位置处；

所述激光光源用于产生激光脉冲，通过所述设备光路传输后发射到所述作用对象上；

所述激光检测装置用于测量所述发射到作用对象上的激光脉冲的光学参数并发送至所述控制装置；

所述控制装置根据所述光学参数计算出相位补偿参数，并根据所述相位补偿参数控制所述脉冲整形器对经过设备光路的所述激光脉冲的相位进行补偿，使得发射到所述作用对象上的激光脉冲的光学参数达到目标值。

在一个实施例中，所述控制装置用于根据所述光学参数计算所述激光脉冲在整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数及其对应的负函数，将所述负函数发送所述脉冲整形器；

所述脉冲整形器用于将所述负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散。

一种激光脉冲整形方法，包括如下步骤：

接收激光光源产生的激光脉冲，通过连接激光光源的设备光路传输后发射到激光脉冲作用对象上；

在激光脉冲作用对象的实际位置处，测量所述发射到作用对象上的激光脉冲的光学参数；

根据所述光学参数计算出相位补偿参数，并根据所述相位补偿参数对经过所述设备光路的所述激光脉冲的相位进行补偿，使得发射到所述作用对象上的激光脉冲的光学参数达到目标值。

在一个实施例中，所述根据所述光学参数计算出相位补偿参数，包括：

根据所述光学参数计算所述激光脉冲在到达作用对象前整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数，并获取所述相位函数的负函数；其中，所述光学参数为非线性光学信号强度。

在一个实施例中，所述根据所述相位补偿参数对经过所述设备光路的所述激光脉冲的相位进行补偿，包括：

将所述负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散。

在一个实施例中，所述目标值为作用对象上的激光脉冲达到傅里叶变换极限的脉冲宽度。

一种光学系统，包括：激光光源、设备光路以及上述的激光脉冲整形装置。

上述激光脉冲整形装置、方法及光学系统，通过在激光脉冲的发射口之后的激光脉冲与作用对象的相互作用的实际位置处，测量激光脉冲引起的非线性光学现象的强度或光谱变化，获取激光脉冲在在到达作用对象前的整个设备光路中累积的光谱相位色散并计算相位补偿参数，然后通过控制装置控制脉冲整形器将相位补偿参数，对设备光路的激光脉冲的相位进行补偿，使得发射到作用对象上的激光脉冲的光谱相位达到目标值；该方案降低了测量复杂度，能够实现闭环测试，通过脉冲整形器能够提升脉冲压缩补偿的准确性，增强了激光脉冲使用效果。

另外，通过计算激光脉冲在整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数，并获取相位函数的负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散，从而使得激光脉冲达到傅里叶变换极限的脉冲宽度，即最短脉宽值；能够有效地保证激光脉冲的峰值功率，保持激光脉冲的飞秒脉特性。

一种脉冲整形器，包括：光栅、柱面透镜、二维液晶空间光调制器；

所述光栅将射入的激光脉冲散射到空间中，经过所述柱面透镜后得到均匀分布的不同波长对应的多条线状光；

所述线状光经过所述二维液晶空间光调制器进行相位调制和光谱强度控制；

所述经过相位调制和光谱强度控制的线状光通过所述柱面透镜以及光栅还原成激光脉冲输出。

在一个实施例中，所述二维液晶空间光调制器包括多个液晶组成的像素阵列；

所述线状光在x轴方向汇聚，在y轴方向上保持不变，每一种波长对应的线状光沿x轴方向均匀分布；

所述像素阵列在y轴方向上的像素对应于调制同一种波长的线状光，所述像素阵列在x轴方向上的像素分别对应不同波长的线状光。

在一个实施例中，所述二维液晶空间光调制器的像素阵列在每一个不同的线状光的波长在y轴方向的整列像素，对应形成一个角度、强度和频率随波长变化的类光栅的锯齿面；

通过控制所述锯齿面的频率和强度，将线状光中一定比例的光线折射到有效的传输方向，以控制所述线状光的光谱强度；以及通过控制该整列像素的折射率，以控制对应波长的线状光的光谱相位。

上述脉冲整形器，利用柱面透镜将光栅散射到空间的光线汇聚成连续分布的包含不同波长的线状光，然后利用二维液晶空间光调制器同时分别对各个波长对应的线状光的功率进行控制和相位进行调节，由此在傅里叶平面上基于一个相位调节液晶空间光调制器，同时实现了对激光脉冲的光谱强度控制和相位调节功能，从而降低了设备成本，提升光谱强度控制精度。

另外，通过在二维液晶空间光调制器上同一列液晶像素对应控制一种波长的线状光，通过调整该列像素中像素单元的控制参数，控制光线折射至有效的1阶方向或者折射向原路反射的0阶方向，以此实现对该波长的光线的光谱强度控制，同时针对于同一列像素引入相同的折射率参数，实现对该波长的光线的相位调节功能，该脉冲整形器可以用于对任何经过设备光路传输的激光脉冲进行整形，通过主动的脉冲整形补偿设备光路造成的任意色散，而且由于利用液晶像素构成类光栅来控制光线功率强度，能够大幅度提升了光线功率强度控制误精度。

再者，通过计算脉冲在设备光路中累积的光谱相位色散，并通过控制装置控制脉冲整形器将计算的相位函数的负函数导入光路，从而抵消色散，理论上可以使激光脉冲在样品/激光作用对象位置的脉宽达到最短。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是传统激光相位补偿装置结构示意图；

图2是本申请的激光脉冲整形装置的结构示意图；

图3是激光脉冲整形方法流程图；

图4是传统的脉冲整形器的结构示意图；

图5是本申请的脉冲整形器的结构示意图；

图6是激光脉冲的散射示意图；

图7是二维液晶空间光调制器的像素阵列示意图；

图8是脉冲整形器实现光谱强度控制示意图；

图9是每列像素类光栅的锯齿面的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。

参考图2，图2是本申请的激光脉冲整形装置的结构示意图；该整形装置可以用于各种使用激光脉冲的光学系统中，以对激光脉冲进行整形，该装置主要包括：依次连接的脉冲整形器、控制装置和激光检测装置，脉冲整形器设置在连接激光光源的设备光路上，实际应用中可以根据需求来设置脉冲整形器的位置，脉冲整形器和设备光路的没有必然的相对位置，图2所示仅是一个示例，激光检测装置设置在激光脉冲作用对象的实际位置处。

如图2中，激光脉冲从激光光源导出后，经过一段设备光路传输后发射在作用对象(如待检测的样品)上，为了得到激光脉冲到达作用对象前的整个设备光路中累积的光谱相位色散情况，在激光脉冲与作用对象的相互产生作用的实际位置处设置激光检测装置，用来测量激光脉冲引起的非线性光学现象的强度或光谱变化，对于激光检测装置，可以采用光谱仪或者其他光电转换装置，将光信号转换成电信号发送给控制装置。然后激光检测装置将测量发送至控制装置(实际应用中，可以通过个人电脑pc来实现控制装置的功能)，控制装置根据光学参数计算出相位补偿参数，并根据相位补偿参数控制脉冲整形器对经过设备光路的激光脉冲的相位进行补偿，使得发射到作用对象上的激光脉冲的光学参数达到目标值。

上述实施例的激光脉冲整形装置，通过在激光脉冲的发射口之后的激光脉冲与作用对象的相互作用的实际位置处，测量激光脉冲引起的非线性光学现象的强度或光谱变化，进而获取激光脉冲在整个传输过程的设备光路中累积的光谱相位色散并计算相位补偿参数，然后通过控制装置控制脉冲整形器将相位补偿参数，对设备光路的激光脉冲的相位进行补偿，使得发射到作用对象上的激光脉冲的光谱相位达到目标值；该方案降低了测量复杂度，能够实现闭环测试，通过脉冲整形器能够提升整形的准确性，增强了激光脉冲使用效果。

在一个实施例中，控制装置还可以用于根据光学参数计算激光脉冲在到达作用对象前的整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数及其对应的负函数，将负函数发送所述脉冲整形器；脉冲整形器将负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散。

上述实施例的方案，通过计算激光脉冲在整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数，并获取相位函数的负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散，从而使激光脉冲在作用对象处达到最短的脉宽，能够有效地保证激光脉冲的峰值功率，保持激光脉冲的飞秒特性。

下面阐述激光脉冲整形方法的实施例。

参考图3，图3是激光脉冲整形方法流程图，该方法主要包括如下步骤：

s10，接收激光光源产生的激光脉冲，通过连接激光光源的设备光路传输后发射到激光脉冲作用对象上；其中，作用对象可以是待检测样品，如生物组织。

s20，在激光脉冲作用对象的实际位置处，测量所述发射到作用对象上的激光脉冲的光学参数；具体的，对于该光学参数，可以是指脉冲非线性作用产生的信号强度、光谱或者脉冲的光谱相位、激光脉冲强度等信息。

作为实施例，可以测量非线性现象的强度，如二次谐波、三次谐波、多光子荧光强度等，通过测量二次谐波、三次谐波或者多光子荧光转换成电信号，得到非线性信号作用的强度。

s30，根据所述光学参数计算出相位补偿参数，并根据所述相位补偿参数对经过所述设备光路的所述激光脉冲的相位进行补偿，使得发射到所述作用对象上的激光脉冲的光学参数达到目标值；例如，激光脉冲达到傅里叶变换极限的脉冲宽度。

作为实施例，对于步骤s30中计算出相位补偿参数的方法，可以包括：

根据所述光学参数计算所述激光脉冲在整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数，并获取所述相位函数的负函数。

进一步的，对于步骤s30中根据所述相位补偿参数对经过所述设备光路的所述激光脉冲的相位进行补偿的方法，可以包括：将所述负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散。

优选的，在步骤s30的补充中，目标值可以为作用对象上的激光脉冲达到傅里叶变换极限的脉冲宽度，即最短的脉宽。

上述各个实施例的技术方案，通过计算激光脉冲在到达整个设备光路中累积的光谱相位色散的相位函数，并获取相位函数的负函数导入设备光路中，作用于经过的激光脉冲以抵消激光脉冲的光谱相位色散，从而得到最短的脉宽，能够有效地保证激光脉冲的峰值功率，保持激光脉冲的飞秒脉冲特性。

下面阐述脉冲整形器的实施例。

本申请提供的脉冲整形器针对于传统脉冲整形器结构进行了改进，以降低其设备成本和复杂性，并能够提升光谱强度控制误差；本申请的脉冲整形器可以用于代替本申请提供的激光脉冲整形装置的方案中，也可以用于其他任何光学系统的设备光路中，以对经过设备光路的激光脉冲进行整形。

参考图4，图4是传统的脉冲整形器的结构示意图，传统的脉冲整形器通过第一光栅g1进行散射，通过凸透镜k1聚焦在一维的液晶空间光调制器(spatlallightmodulator，slm)上，形成不同波长对应的点状光，然后通过slm的液晶像素对各个波长对应的点状光进行调制，然后通过第二光栅g2进行还原后输出调制的激光脉冲。对于图中所示透射式的液晶slm，图中“o-o”虚线两边互为镜像关系。

参考图5，图5是本申请的脉冲整形器的结构示意图；其主要包括：光栅g、第一柱面透镜l、二维的液晶空间光调制器(本文中简称为2d-slm)；具体的，本申请中采用柱面透镜l对经过光栅g散射的激光光谱进行聚焦，实现时域到频率域的转换，然后通过2d-slm进行调制。

实际工作中，如图5所示，光栅g将射入的激光脉冲散射到空间中，经过柱面透镜l后得到均匀分布的不同波长对应的多条线状光，线状光经过2d-slm进行相位调制和光谱强度控制，经过相位调制和光谱强度控制的线状光被折射，相应折射光通过柱面透镜l以及光栅g还原成激光脉冲。

对于激光脉冲经过光栅g散射后，经过柱面透镜后l所形成的光路参考图6所示，图6是激光脉冲的散射示意图，其中上图是经过柱面透镜l后的光路，不同波长的光线形成线状光，如图6中上图的线状光，而采用凸透镜的技术方案，凸透镜k1形成的是点状光，如图6中下图对应的圆点；由此可见，本申请采用柱面透镜l在一个柱面方向上光线不折射的原理，将点状光展宽形成了线状光，从而可以在y轴方向上对激光脉冲的强度进行调整。

在本实施例中，对于2d-slm的调制方案，参考图7，图7是2d-slm的像素阵列示意图，图中是沿z轴正方向观察x-y平面的示意图，2d-slm包括多个液晶组成的像素阵列，各条线状光在x轴方向汇聚，在y轴方向上保持不变，每一种波长对应的线状光沿x轴方向均匀分布，像素阵列在y轴方向上的像素对应于调制同一种波长的线状光，像素阵列在x轴方向上的像素分别对应不同波长的线状光。

如图7中，在x轴方向上，分别对应有5列像素分别对应控制5条线状光①-⑤，在y轴方向上，控制该整列像素的折射率，以控制对应波长的线状光的光谱相位；而在每一列像素内，采用不同的频率和强度，可以控制2d-slm的像素的液晶形状从而控制光线折射方向。

其中，2d-slm的像素阵列在每一个不同的线状光的波长在y轴方向的整列像素，参考图8，图8是脉冲整形器实现光谱强度控制示意图，图中是沿x轴正方向观察y-z平面的示意图，2d-slm通过液晶层及反射面，对入射的光线进行调制和反射，对于有效的光线就折射至1阶，不需要的光或者在像素空隙中未经调制的光线沿0阶反射(原路返回)。通过程序可以控制任何一列像素点的若干比例的光线折射至0阶或1阶。例如，如图7所示，可以将线状光①的一列7个像素中，将其中的3个像素折射至0阶，4个像素折射至1阶。

在本申请设计方案中，光谱强度控制是把光控制在1阶和0阶两个不同的折射方向上，光谱强度控制的误差更小，实测误差数据小于0.1％，，能够大幅度提升了光谱强度强度控制精度。而传统技术在对光谱强度的控制，依赖偏振片，同时像素空隙中未经精准强度控制的光谱无法有效分离，光谱强度控制的误差在1-5％。

另一方面，传统方式中，通过像素空隙，未经过调制的光，无法和经过调制的光有效分离，因此需要最大限度的提高像素大小和空隙的比例，比例越大，空隙越小，未经调制的光比例越低，误差越低，所以对slm的制造提出了很高的要求，大大增加了成本，降低了成品率。而本申请设计方案中，像素间隙中未经调制的光是沿0阶反射，和经过调制，进入1阶折射的光，在空间上完全分离，因此像素和空隙的比例完全不影响调制的精度，即对光谱强度和光谱相位的控制精度，所以可以有效的降低slm的制作工艺要求，从而降低成本。

对于2d-slm的控制原理，在相当于在2d-slm上形成一个角度、强度和频率随波长变化的类光栅的锯齿面，实现虚拟光栅作用，对光线进行折射。对于该锯齿面形状可以参考图9所示，图9是每列像素类光栅的锯齿面的示意图，图中是沿x轴正方向观察y-z平面的示意图，通过改变角度、强度和频率随波长变化等控制，来改变2d-slm的类光栅折射率，从而将光线折射至0阶或者1阶方向。

上述实施例的脉冲整形器，可以用于对任何经过设备光路传输的激光脉冲进行整形，主动进行相位补偿，而且基于一个二维液晶空间光调制器实现同时控制激光脉冲的光谱相位和光谱强度，降低了设备成本，而且大幅度提升了光谱强度控制精度，降低误差。

下面阐述光学系统的实施例。

本申请提供的一种光学系统，参考图2，包括激光光源、设备光路以及激光脉冲整形装置。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。