一种谐振腔倍频产生多个超快激光脉冲序列方法及其装置

1.本发明涉及超快激光脉冲调制技术领域，具体的说是一种将激光倍频技术与激光脉冲序列产生装置相结合的高效率产生多个有效激光脉冲序列的方法及其装置。


背景技术：

2.超快激光指脉冲持续时间不大于10-12 s的激光脉冲，具有极高的峰值功率，超快激光可以在极短的时间内与物质发生相互作用，极大避免热效应的同时还可以保持锐利、干净的加工边缘，是高精度加工领域最先进的工具。随着激光科学与技术的迅速发展，不同类型的激光器不断推出，向着更高的重复频率、更高的功率、更短的脉冲宽度以及更加小型化的方向发展。同时，各种精细化的超快激光调制技术也在快速发展，脉冲序列调制技术是其中重要的一项，采用不同时间间隔、能量配比的脉冲序列相较于单个超快激光脉冲能够实现更为复杂的目的，例如脉冲序列超快成像、基于烧蚀冷却原理的高精度的材料加工等。
3.脉冲序列产生的方法主要有以下几种，第一种方法是采用双折射晶体对o光e光产生不同延迟使一个脉冲一分为二，采用级联式装置可以产生偶数倍子脉冲数的脉冲序列，脉冲序列中子脉冲的数量由级联晶体数量决定，子脉冲的时间间隔由晶体的厚度（延迟量）决定。其缺点在于无法灵活调节脉冲的衰减比例，且要通过控制晶体厚度来调节子脉冲间隔，无法达到较大的时间间隔，适用于小范围的调节，且晶体的阈值较低，不适于大能量的脉冲序列产生。第二种方法是采用分频器件如光栅与可编程的液晶空间光调制器组成的4f系统对超快激光脉冲进行频率、振幅等特性的调制，其优点在于可以灵活调制激光特性，但技术门槛较高，4f光路的稳定性差，液晶空间光调制器的分辨率也限制了调制的范围，是偏向实验室应用的脉冲调制技术。第三种方法是采用基于法布里
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珀罗谐振腔原理的产生脉冲序列的技术，通过调节腔的输出效率与腔长可以控制脉冲序列的衰减比与子脉冲间隔，具体又细分为透射式、单次反射式、多次反射式等。透射式往往采用两个分光元件让入射光反射的同时透射，激光经由多次反射、透射后产生具有一定时间间隔与衰减比的脉冲序列，缺点在于能量利用率很低。单次反射式可以达到100%的能量利用率，但是子脉冲衰减比例大，造成较少的子脉冲数。多次反射式在单次反射的基础上再腔内增加了多个分光元件，也可以理论上达到100%的能量利用率，缺点在于所需的元件较多且反射次数较多，脉冲序列中子脉冲顺序紊乱，实际使用中调节难度较大。
4.现有技术的法布里
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珀罗谐振腔能量利用率低，子脉冲衰减比例大，有效反射式子脉冲数少，子脉冲间隔以及子脉冲衰减不易调节。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种倍频产生多个有效超快激光脉冲序列的装置。其特点是采用bbo晶体将入射基频光进行倍频产生波长为基频光二分之一的倍频光，利用二向色镜与分束镜组成的透射式法布里
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珀罗腔高效产生多个子脉冲间隔与衰减比可调的脉冲序列，大大提高了能量利用效率以及有效子脉冲数，倍频光的理论
能量利用率能够达到100%，且二向色镜能够让基频光完全进入谐振腔，也能防止倍频光原路返回损伤光源，装置结构简单，无论是子脉冲间隔还是子脉冲衰减比都易于调节，且成功实现了器件集成化，具有广泛的应用前景。
6.本发明的目的是这样实现的：一种谐振腔倍频产生多个超快激光脉冲序列方法，其特点是采用入射与出射光阑快速准直将装置安装到光路中，基频光垂直经过bbo晶体产生波长为基频光二分之一的倍频光脉冲，脉冲持续时间保持不变，倍频光接着以0
°
入射角经过分束镜，经过第一次反射，同时第一次透射出第一个倍频光脉冲；反射的脉冲依次经过bbo，再以0
°
入射角经过二向色镜完全反射后经过分束镜第三次反射以及按比例第二次透射，产生第二个倍频光脉冲，以此类推，产生多个倍频光子脉冲最终组成脉冲序列通过出射光阑出射。
7.一种谐振腔倍频产生多个超快激光脉冲序列装置，其特点是该装置由同轴设置的入射光阑、二向色镜、bbo晶体、分束镜和出射光阑组成，所述入射光阑将入射的基频光准直后由二向色镜通过bbo晶体产生波长为基频光二分之一的倍频光脉冲；所述倍频光脉冲以0
°
入射角经分束镜进行第一次反射，同时透射出第一个倍频光脉冲；所述分束镜第一次反射的脉冲经bbo晶体后由分束镜进行第二次反射，并透射出第二个倍频光脉冲，以此类推，产生多个倍频光子脉冲，通过出射光阑的准直后出射时间间隔、衰减比例可调的倍频超快脉冲序列。
8.所述二向色镜对基频光为高透，对倍频光为高反。
9.所述二向色镜与分束镜之间的距离决定倍频光子脉冲的时间间隔，二向色镜安装在带有滑槽的底座上，通过调节安装的距离d，可以决定脉冲序列中子脉冲的时间间隔δt=d*c/2。其中，c为光速，常用值为3.0*10
8 m/s。
10.所述分束镜的透反比决定倍频光时序上子脉冲的衰减比例，分束镜的透反比可以任意调节，常用的透反比为1:9、2:8、3:7或4:6、5:5等。
11.所述倍频光的波长为基频光的二分之一，脉冲持续时间、偏振与基频光一致，倍频光脉冲序列的能量利用效率由二向色镜反射率与分束镜透过效率乘积决定，倍频光由bbo晶体一次产生，由二向色镜、分束镜多次反射，由分束镜出射。
12.本发明与现有技术相比具有以下有益的技术效果和优点：2）倍频光理论能量利用率为100%，实际大于95%。
13.2）倍频光的脉冲序列子脉冲衰减比例由所述分束镜透反比唯一确定，衰减比较小，可以实现脉冲能量相近的脉冲序列输出，得到不少于5个的能量相近的子脉冲输出，根据目的子脉冲时间间隔可达纳秒量级。
14.3）二向色镜与分束镜组成具有透射式谐振腔的多脉冲优点与反射式谐振腔高能量利用率的优点，且二向色镜能够让基频光完全进入谐振腔，也能防止倍频光原路返回损伤光源。
15.4）装置结构简单，无论是子脉冲间隔还是子脉冲衰减比都易于调节，且成功实现了器件集成化，具有广泛的应用前景。
附图说明
16.图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明装置的子脉冲时间间隔与能量图；图3为透射式法布里-珀罗谐振腔产生脉冲序列装置结构示意图；图4为透射式法布里-珀罗谐振腔产生脉冲序列装置的子脉冲时间间隔与能量图；图5为反射式法布里
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珀罗谐振腔产生脉冲序装置结构示意图；图6为反射式法布里
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珀罗谐振腔产生脉冲序装置的子脉冲时间间隔与能量图。
具体实施方式
17.本发明采用二向色镜和分束镜组成的法布里
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珀罗倍频谐振腔，将倍频光进行多次反射，产生的多个倍频光子脉冲经分束镜形成倍频超快激光脉冲序列，所述倍频光以0
°
入射角经分束镜的第一次反射，透射出第一个倍频光脉冲，反射的脉冲经bbo晶体，再以0
°
入射角经二向色镜的反射后由分束镜进行第二次透射，产生第二个倍频光脉冲，以此类推，产生多个倍频光子脉冲。
18.参阅图1，采用谐振腔倍频产生多个超快激光脉冲序列方法构建的多个超快激光脉冲序产生装置由同轴设置的入射光阑1、二向色镜2、bbo晶体3、分束镜4和出射光阑5组成，所述入射光阑1将入射的基频光准直后由二向色镜2通过bbo晶体3产生波长为基频光二分之一的倍频光脉冲；所述倍频光脉冲以0
°
入射角经分束镜4进行第一次反射，同时透射出第一个倍频光脉冲；所述分束镜4第一次反射的脉冲经bbo晶体3后由分束镜4进行第二次反射，并透射出第二个倍频光脉冲，以此类推，产生多个倍频光子脉冲，通过出射光阑5的准直后出射时间间隔、衰减比例可调的倍频超快脉冲序列。
19.所述二向色镜2对基频光为高透，对倍频光为高反。
20.所述入射光阑1与出射光阑5具有准直作用，将基频光对准入射光阑1，出射的倍频光对准出射光阑5，即可完成装置的快速安装。
21.所述倍频光脉冲由入射基频光经过bbo晶体3产生，倍频光能量由bbo晶体3的倍频效率决定。
22.所述倍频光脉冲序列部分由二向色镜2与分束镜4组成，超快激光（基频光）经过bbo晶体3产生的倍频光由二向色镜2与分束镜4多次反射并由分束镜4多次出射后产生倍频光脉冲序列，基频光垂直经过bbo晶体3产生波长为基频光二分之一的倍频光脉冲，脉冲持续时间保持不变，倍频光接着以0
°
入射角经过分束镜4，经过第一次反射，同时第一次透射出第一个倍频光脉冲；反射的脉冲依次经过bbo晶体3，再以0
°
入射角经过二向色镜2完全反射后经过分束镜4的第三次反射以及按比例第二次透射，产生第二个倍频光脉冲，以此类推，产生多个倍频光子脉冲。所述倍频光脉冲序列的子脉冲间隔由调节二向色镜2的安装位置决定，二向色镜2与分束镜距离为d，倍频光脉冲序列子脉冲的时间间隔δt=d*c/2。其中，c为光速，常用值为3.0*10
8 m/s。时序子脉冲的衰减比例由分束镜4的透反比决定，衰减比为后一个子脉冲与前一个子脉冲能量的比值，等于分束镜4的透射能量与反射能量之比。出射的倍频光脉冲序列的总能量理论上与产生的倍频光能量相等，实际大于95%。
23.下面以超快激光脉冲的具体调制对本发明作进一步说明：参阅图1，入射的超快激光（基频光）脉冲依次经过入射光阑1、二向色镜2、bbo晶体3并以一定效率产生倍频光，倍频光以0
°
入射角经过分束镜4，以一定比例产生第一次反射，剩余能量产生第一次透射出射，出射部分的倍频光为倍频光脉冲序列中的第一个子脉冲。
经过第一次反射后的倍频光再次经过bbo晶体3，再以0
°
入射到二向色镜2产生第二次反射后再经过bbo晶体3入射到分束镜4，经过第三次反射与第二次透射，第二次透射的倍频光为倍频光脉冲序列中的第二个子脉冲，依次类推直至产生数个子脉冲组成整个倍频光脉冲序列，具体工作过程如下：1）将入射光阑1、二向色镜2、bbo晶体3、分束镜4、出射光阑5安装到装置中。其中，预先确定二向色镜2与分束镜4的距离d以确定倍频光的子脉冲时间间隔，确定分束镜4的透反比以确定倍频光子脉冲序列中子脉冲的衰减比例。
24.2）将入射光阑1中心对准入射基频光，出射光阑5中心对准出射倍频光，将整个装置安装到需要产生脉冲序列的光路中。
25.3）入射光依次经过入射光阑1、二向色镜2、bbo晶体3并以一定效率产生倍频光。
26.4）倍频光以0
°
入射角经过分束镜4，以一定比例产生第一次反射，剩余能量产生第一次透射出射，出射部分的倍频光为倍频光脉冲序列中的第一个子脉冲。
27.5）经过第一次反射后的倍频光再次经过bbo晶体3，再以0
°
入射到二向色镜2产生第二次反射后。
28.6）经过第二次反射的倍频光以0
°
入射到二向色镜2产生第二次反射后再经过bbo晶体3入射到分束镜4，经过第三次反射与第二次透射，第二次透射的倍频光为倍频光脉冲序列中的第二个子脉冲。
29.7）倍频光重复过程4）～6），每次透射输出按照一定比例衰减的子脉冲。
30.8）过程4）～7）产生的数个倍频光子脉冲组成倍频光脉冲序列再经由出射光阑5的准直出射，完成整个过程。
31.实施例1参阅图1，选择波长为1030 nm的飞秒激光脉冲作为入射基频光，单脉冲能量1 mj，二向色镜2的中心反射波长为515 nm，0
°
反射率大于99%，对1030 nm激光透射率大于99%，分束镜4的透反比为1:9，分束有效中心波长为515 nm，二向色镜2与分束镜4的距离设置为15 mm，bbo晶体3选择中心波长为1030 nm，倍频效率为50%，一个1030 nm的飞秒脉冲由入射光阑1经二向色镜2进入bbo晶体3后产生中心波长为515 nm的倍频脉冲，515 nm的脉冲经过515 nm二向色镜2与分束镜4的多次反射与透射后由出射光阑5依次输出单脉冲能量为50 μj、45 μj、40.5 μj、36.45 μj、32.80 μj
…
的脉冲序列。
32.参阅图2，515 nm的脉冲经过515 nm二向色镜2与分束镜4的多次反射与透射后依次输出单脉冲能量为50 μj、45 μj、40.5 μj、36.45 μj、32.80 μj
…
的脉冲序列，其衰减比为0.9，子脉冲之间时间间隔为100 ps，能量利用率大于90%。
33.参阅图3，采用入射光阑1、第一分束镜4-1、第一分束镜4-2和出射光阑5组成无倍频技术的法布里-珀罗腔的透射光产生脉冲序列装置，第一分束镜4-1和第一分束镜4-2为515 nm，其透反比为1:9。入射光选择515 nm的飞秒激光，单脉冲能量为1 mj。515 nm的脉冲经过515 nm第一分束镜4-1和第一分束镜4-2的多次反射与透射后依次输出单脉冲能量为10 μj、8.1 μj、7.371 μj、6.701 μj、6.103 μj
…
的脉冲序列。
34.参阅图4，515 nm的脉冲经过515 nm第一分束镜4-1和第一分束镜4-2的多次反射与透射后依次输出单脉冲能量为10 μj、8.1 μj、7.371 μj、6.701 μj、6.103 μj
…
的脉冲序列，其衰减比为0.9，子脉冲之间时间间隔为100 ps，能量利用率为10%。
35.参阅图5，采用光阑1、分束镜4和二向色镜2组成的反射式法布里
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珀罗谐振腔产生脉冲序装置，分束镜4为515 nm分束镜，较为合适分束比为5:5，二向色镜2为515 nm高反，入射光阑与出射光阑均为光阑1。入射光选择515 nm的飞秒激光，单脉冲能量为1 mj。515 nm的脉冲经过515 nm分束镜4与二向色镜2的多次反射与透射后依次输出单脉冲能量为500 μj、50 μj、45 μj、40.5 μj、36.45 μj
…
的脉冲序列。
36.参阅图6，515 nm的脉冲经过515 nm分束镜4与二向色镜2的多次反射与透射后依次输出单脉冲能量为500 μj、50 μj、45 μj、40.5 μj、36.45 μj
…
的脉冲序列，第一个子脉冲与第二个子脉冲的衰减比极大，实际应用中也无法消除第一个子脉冲，导致实际应用中有效脉冲数较小。
37.以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。