缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法

摘要

一种缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法，该装置的构成是在飞秒激光输出的光路上，由依次设置的平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、第一光栅、第二光栅和聚焦透镜构成，所述的第一光栅和第二光栅相对且平行放置，所述的平凸柱面透镜和平凹柱面透镜之间的距离为两者焦距之差。本发明的装置和方法具有简单而有效的特点，采用本发明装置和方法所形成的光丝的长度，相比于只用聚焦透镜产生的光丝显著缩短，缩短量10倍以上。短的光丝有利于提高远程探测的分辨率，且通过改变光栅间的距离来改变光丝的位置，可用于扫描探测。短的光丝还将大大减小远程探测过程中噪声，从而提高探测的信噪比。该方法对于远程精确扫描探测有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及强场激光物理，特别是一种缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法，对远程精确扫描探测有重大意义。

背景技术

飞秒脉冲激光的出现，极大地促进了飞秒化学、原子分子动力学探测、生物成像等研究领域的发展。然而，由于激光传播过程中受衍射和群速度色散等因素的影响，曾经很长一段时间人们认为超短激光脉冲在空气中不适合远距离传输。但实验中，强的飞秒激光在空气中能稳定传输数十米甚至上千米，而其丝里面的峰值光强保持在10¹³～10¹⁴W/cm²不变，即所谓的“成丝”现象。目前普遍认为这是由于光学克尔效应引起的自聚焦和多光子电离或阈上电离产生的等离子体引起的自散焦动态平衡的结果(可参阅文献Braun, etal. Opt. Lett. 20, 73，1995 和 A. Couairon, A. Mysyrowicz, Phys. Rep. 441, 47，2007)。飞秒脉冲激光通过成丝能传播到较远的距离，这对于在远程探测有重大的意义。

然而，成丝过程中激光虽然能传播较远距离，但形成的光丝通常较长，这极大地限制了远程探测过程的分辨率。同时，较长的丝产生的超连续白光形成背景噪声，降低探测的信噪比。要形成较短的光丝，一种简单的办法是采用大的数值孔径进行聚焦。然而，要想在远距离成丝，这需要很大的尺寸的聚焦透镜。如采用数值孔径为0.1的聚焦透镜在5m远处成丝，则需要直径为1m的透镜。如此大尺寸的透镜在加工、装配等方面都很困难，并且价格昂贵。

发明内容

本发明旨在提供一种缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法，该装置和方法具有简单而且更有效的特点，对大气远程精确扫描探测有重要的作用。

本发明的技术解决的基本思想是：

通过光栅对使超短激光脉冲产生空间色散后聚焦，让不同频率的光只在焦点处重合，从而形成强的超短超强激光脉冲。在偏离焦点的地方，由于不同频率的光在时间和空间上不重合，使得脉冲宽度迅速增加，导致激光强度下降，瑞利长度减小，从而缩短光丝的长度。

本发明的技术解决方案如下：

一种缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置，其特点是将由啁啾脉冲放大技术产生的飞秒激光不经过压缩器直接输出，在所述飞秒激光输出的光路上依次设置平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、第一光栅、第二光栅和聚焦透镜构成，所述的第一光栅和第二光栅相对且平行放置，所述的平凸柱面透镜和平凹柱面透镜之间的距离为两者焦距之差。

利用上述缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置进行缩短成丝长度的方法，包括下列步骤：

① 开启飞秒激光器，将飞秒激光不经压缩器导出，调整光路，使所述的飞秒激光在空气中形成光丝；

② 移动所述的平凸柱面透镜或平凹柱面透镜，使所述的平凸柱面透镜和平凹柱面透镜的焦点重合，则所述的光丝达到最短。

本发明的技术效果如下：

实验表明，本发明的装置和方法具有简单而更有效的特点，采用本发明装置和方法所形成的光丝的长度，相比于只用聚焦透镜产生的光丝显著缩短，缩短量10倍以上。短的光丝有利于提高远程探测的分辨率，且通过改变光栅间的距离来改变光丝的位置，可用于扫描探测。短的光丝还将大大减小远程探测过程中噪声，从而提高探测的信噪比。该方法对于远程精确扫描探测有重要的意义。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图。

图2为本发明缩短激光脉冲在空气中成丝装置的光路图；

其中：1为未经过压缩器，直接从放大器中导出的激光脉冲，2为平凸柱面透镜，3为平凹柱面透镜，4为第一光栅，5为第二光栅，6为聚焦透镜，7为激光聚焦后在空气中形成的光丝。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明方法的原理示意图。本发明旨在提供一种缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法。关键是采用时间-空间聚焦技术，将未经过压缩器的啁啾脉冲放大技术产生的激光脉冲经光栅对后将时间啁啾转换成空间啁啾，然后通过透镜聚焦，使得不同频率的光只在焦点处重合，形成强的超短超强激光脉冲，而在偏离焦点的地方，由于不同频率的光在时间和空间上不重合，使得脉冲宽度迅速增加，导致激光强度下降，瑞利长度减小，从而缩短了光丝的长度。

再请参阅图2，图2为本发明缩短激光脉冲在空气中成丝装置的光路图。由图可见，本发明缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置，该装置包括缩束部分、空间色散部分和聚焦部分：

缩束部分由在经准直后的光路上依次放置的平凸柱面透镜2和平凹柱面透镜3组成。激光经过缩束部分后，光束在水平方向缩束，缩束比由平凸柱透镜2和平凹柱透镜3的焦距和两柱面透镜间的距离决定。

空间色散部分由第一光栅4和第二光栅5平行且相对放置的光栅对组成，通过调节光栅的入射角和两光栅之间的距离来调节激光的时间和空间色散。激光经过空间色散部分后，时间啁啾被补偿，而产生空间啁啾。

聚焦部分由聚焦透镜6组成。激光经过聚焦部分后产生聚焦，并在焦点附近成丝。

一种缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置，其特征是将由啁啾脉冲放大技术产生的飞秒激光1不经过压缩器直接输出，在所述飞秒激光1输出的光路上依次设置平凸柱面透镜2、平凹柱面透镜3、第一光栅4、第二光栅5和聚焦透镜6构成，所述的第一光栅4和第二光栅5相对且平行放置，所述的平凸柱面透镜2和平凹柱面透镜3之间的距离为两者焦距之差。

利用上述缩短飞秒激光在空气中成丝长度的装置进行缩短成丝长度的方法，包括下列步骤：

① 开启飞秒激光器，将飞秒激光1不经压缩器导出，调整光路，使所述的飞秒激光在空气中形成光丝7；

② 移动所述的平凸柱面透镜2或平凹柱面透镜3，使所述的平凸柱面透镜2和平凹柱面透镜3的焦点重合，则所述的光丝达到最短。

下面是一个具体实施例，飞秒激光1是中心波长为800纳米，脉冲宽度为30飞秒，单脉冲能量为6毫焦耳，光斑大小（半高全宽）为6mm 的光，当采用1米聚焦透镜6聚焦时，光丝的长度可达10厘米。当采用本发明装置时，平凸柱面透镜2的焦距为50厘米，平凹柱面透镜3的焦距为10厘米，两透镜间的距离为40厘米。第一光栅4的入射角为53度，第一光栅4和第二光栅5之间的距离为73厘米，聚焦透镜6的焦距同样为1米时，光丝的长度为4毫米。相比于直接采用聚焦透镜聚焦所产生的10厘米长的光丝缩短了25倍。