CN104852269A - 一种精确调制脉冲激光相位的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种精确调制脉冲激光相位的装置及方法是采用以下技术方案实现的：所述装置包括顺次位于光路上的第一全反射镜、第一隔离器、第一半波片、第一偏振分束棱镜、第一四分之一波片、第一凹面反射镜、第二四分之一波片与第一光栅；还包括顺次位于光路上的空间光调制器、第二半波片、偏振分束棱镜、第三四分之一波片、第二光栅、第四四分之一波片、第二凹面反射镜、第二隔离器、第三全反射镜、第四全反射镜；空间光调制器由BNC线连接到其控制器上。有效地解决了现阶段内调制脉冲激光相位的精确性低、色散大、啁啾产生的误差大、效率低等问题。整个装置及方法具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。

Description

一种精确调制脉冲激光相位的装置及方法

技术领域

    本发明涉及脉冲激光相位调制技术，具体是一种精确调制脉冲激光相位的装置及方法。

背景技术

     随着科学技术的发展，激光器广泛的存在于我们的周围，并且广泛的应用于工业生产、科学研究和国防等领域以及商品中。例如计算机和DVD播放机中，用于读取程序和节目的光驱中装载了半导体激光器。在众多激光技术中超短脉冲技术的发明对众多应用和行业均具有深远的意义，超短脉冲激光器同人们常用的激光器所发射的激光不同，它发出的激光束的时间非常短，开和关的时间间隔仅为千万分之一秒。工作时，如此密集的脉冲能够仅仅只作用于物质的几个原子，而不导致周围的物质出现升温或融化现象。超短脉冲激光的特性导致它具有广泛的用途和巨大的市场。在生命科学领域，超短脉冲激光可以用于矫正视力、检测和精确切除癌症、脑外科手术、治疗动脉瘤、心脏手术等高尖端的医学邻域；在生产制造行业，超短脉冲激光能够有效的大规模且低成本制造复合材料。超短脉冲在未来将取代准分子激光器实施原位角膜磨镶术；未来所有的眼科手术均将在软件控制下的超短脉冲光刀下自动完成。脉冲激光在医学、科研与工业中的精确使用需要对其相位的精确调制。目前，对超短脉冲的调节主要停留在功率及其脉冲宽度的调节上，然而由于光学器件产生的不可避免的散射会对超短脉冲激光的相位产生影响。超短脉冲相位的变化会影响基础科学研究的准确性，更甚者会影响医学手术的精密性。因此，对于超短脉冲相位的调节研究变得迫在眉睫。目前国内外对于脉冲激光相位的调制技术主要是以下几种方法。

    第一种为直接对脉冲激光器相位进行调制，为内部调制。这种方法采用的调制频率低，且受不同脉冲激光器的影响调制频率、幅度与相位均不同。内部相位调制的同时会使脉冲激光的功率跟随改变，并且会产生大的色散严重影响输出激光的质量。这种对脉冲激光相位进行调制的方法为最初级的调制方法，无法对脉冲激光的相位进行精确调制。

    第二种是基于电光调制器对脉冲激光相位进行调制，为外部调制。该方法的主要原理为利用铌酸锂等晶体的电光效应工作的光调制器。相位调节就是光载波的总相角随着调制信号的变化规律而改变。但是，电光调制时，其角度调制波的频谱为光载频项与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成，频谱变得十分复杂。通常需要额外使用精密的法布里-珀罗腔选择出所需要的频谱，并且会产生空间啁啾降低相位调制的准确性。这种对脉冲激光相位进行调制的方法十分复杂且不易实现。

    第三种为使用声光调制器对脉冲激光相位进行调制，为外部调制。声光调制技术与对光源的直接调制技术相比具有极高的调制频率；与电光调制技术相比具有更高的消光比，更低的驱动功率，更优良的输出光斑质量与温度稳定性，价格也更低廉。但是，声光调制器调制后的激光功率会损失并且随着频率的改变激光传播的方向也会改变，如果采用双次往返通过的技术会消除激光传播方向改变的缺点，但是会进一步降低激光的功率。这种对脉冲激光相位进行调制的方法将很大的降低激光的功率。

发明内容

    本发明为了解决现阶段内脉冲激光相位调制精确性低、产生色散严重、误差大、调制的稳定性差等技术问题，提供一种精确调制脉冲激光相位的装置及方法。

    本发明所述的一种精确调制脉冲激光相位的装置是采用以下技术方案实现的：一种精确调制脉冲激光相位的装置，包括顺次位于脉冲激光光路上的第一全反射镜、顺次位于第一全反射镜反射光路上的第一隔离器、第一半波片、第一偏振分束棱镜；第一偏振分束棱镜对应于第一全反射镜反射光的出射光路上顺次设有第二四分之一波片和第一光栅；第一偏振分束棱镜对应于第一光栅的反射光的反射光路上顺次设有第一四分之一波片和第一凹面反射镜；第一偏振分束棱镜对应于第一凹面反射镜反射光的透射光路上设有空间光调制器；空间光调制器的反射光路上顺次设有第二半波片和第二偏振分束棱镜；第二偏振分束棱镜对应于空间光调制器反射光的透射光路上顺次设有第四四分之一波片和第二凹面反射镜，第二偏振分束棱镜对应于第二凹面反射镜反射光的反射光路上顺次设有第三四分之一波片和第二光栅，第二偏振分束棱镜对应于第二光栅反射光的透射光路上顺次设有第二隔离器和第二全反射镜，第二全反射镜的反射光路上设有第三全反射镜；第一凹面反射镜的反射光路以及第二凹面反射镜的反射光路组成精确调制脉冲激光相位的整形光路的两臂，整形光路两臂的距离和光学角相同；空间光调制器由BNC线连接到其控制器上。

     基于现有几种调制脉冲激光相位方法的优缺点，本申请提出了一种精确调制脉冲激光相位的装置。脉冲激光具有脉冲宽度窄、峰值功率高、重复频率范围宽、可靠性高、结构紧凑体积小等优点，可以根据作用对象的不同，选择不同的波形、脉冲频率等参数，对材料进行精细加工，从而得到最佳加工效果。脉冲激光精密加工有两大特点。一是冷加工。传统的激光加工术（包括纳米激光）往往会使金属、玻璃等加工原材料受热熔化。皮秒（一皮秒等于1000飞秒）和飞秒激光产生的局部高温可达6000摄氏度，高于太阳表面温度，受作用材料表面来不及产生热扩散就被直接汽化。二是超精细。超快激光能够聚焦到超细微空间区域，同时具有极高峰值功率和极短的激光脉冲，加工时切面整齐、无微裂纹、无材料损伤、无熔融区域。通过对脉冲激光相位的精密调制可以提高脉冲激光加工的精密性。

    利用空间光调制器整形脉冲激光不仅可以对脉冲激光进行频率调制、延迟脉冲、优化脉冲的功率和线宽并且可以对脉冲的相位进行整形。空间光调制器基于液晶体微显示技术，可以对激光的振幅和位相同时调制，可以作为动态的光学器件。需要加载到液晶面板上的图像可由Labview等软件设计，调制信息可以通过显卡DVI或者USB接口加载。空间光调制器是实现实时光学信息处理、脉冲激光相位调制的关键器件。结合光栅可以减小空间调制系统的空间啁啾，通过千分尺精细的调控凹面镜的焦点和空间光调制器的距离，即可获得相位精确调制的脉冲激光。

    光束的准直结构（三个全反射镜）用于将脉冲相位调制后的飞秒激光输出，在获得准直且光斑很小的脉冲的同时优化装置所占空间。

    进一步地，还包括一个外壳上开有第一通光孔和第二通光孔的腔体；所述第一全反射镜，第一隔离器，第一半波片，第一偏振分束棱镜，第二四分之一波片，第一光栅、第一四分之一波片，第一凹面反射镜，空间光调制器，第二半波片，第二偏振分束棱镜，第三四分之一波片，第二光栅，第四四分之一波片，第二凹面反射镜，第二隔离器，第二全反射镜，第三全反射镜、BNC线、控制器均位于腔体内；脉冲激光由第一通光孔进入，经相位调制后的脉冲激光由第二通光孔输出。

     工作时，腔体起到隔离保护的作用。各个部件可以在腔体内将位置固定后，做成一个集约化便于携带的装置，方便移动，同时免去了组装的复杂工序，节约了时间。

    本发明所述的一种精确调制脉冲激光相位的装置及方法是采用如下技术方案实现的：一种精确调制脉冲激光相位的方法，包括以下步骤：（a）脉冲激光由第一通光孔入射后经由第一全反射镜反射后透过第一半波片与第一偏振分束棱镜，第二四分之一波片与第一光栅位于第一偏振分束棱镜的透射光路上，第一光栅反射后的光经过第二四分之一波片后由第一偏振分束棱镜反射透过第一四分之一波片到达第一凹面反射镜，第一凹面反射镜反射后的脉冲激光经过第一四分之一波片透射过第一偏振分束棱镜到达空间光调制器；（b）空间光调制器反射后的光透射穿过第二半波片、第二偏振分束棱镜、第四四分之一波片到达第二凹面反射镜，第二凹面反射镜反射的激光透过第四四分之一波片后经第二偏振分束棱镜反射，反射光穿过第三四分之一波片后由第二光栅反射穿过第三四分之一波片，并在透射第二偏振分束棱镜后穿过第二隔离器，顺次由第二全反射镜与第三全反射镜反射准直；（c）将整形光路两臂的距离和光学角调到相同；（d）通过控制器调节空间光调制器的灰度,进而实现对入射脉冲激光相位的精确调制。

进一步的，第一全反射镜与竖直方向的夹角和第一光栅与竖直方向的夹角之间有3~5度的偏差；第二全反射镜与竖直方向的夹角和第二光栅与竖直方向的夹角之间有3~5度的偏差；空间光调制器置于第一凹面反射镜与第二凹面反射镜的焦点上。

从原理上来说把整形光路两臂上每一臂的距离和光学角调到相同即可，实际上这个过程十分复杂，整形系统输出的激光通常都会有很大的空间啁啾和杂散光。因此，细致而巧妙的调节光路变得十分重要，利用第一全反镜与第一光栅有小的向下倾斜角，因此第一光栅反射光束和第一偏振分束棱镜有相同的夹角，防止产生啁啾。当空间光调制器置于第一凹面反射镜与第二凹面反射镜的焦点时，此时最多的脉冲模与空间光调制器的像素吻合，对脉冲光的调制最好。

本发明采用两臂光路来对脉冲激光的相位高效率整形，有如下优点：1；第一凹面反射镜的反射光路以及第二凹面反射镜的反射光路组成精确调制脉冲激光相位的整形光路的两臂，整形光路两臂的距离和光学角相同。通过反射缩短了一半光路，优化了整形系统的大小。并且使得调节光路之间的重合更加容易，简化了光路调节步骤。2；通过调节第一光栅的反射光路与第一凹面反射镜的反射光路高度有3-5度的夹角，可以消除因光路重合产生的啁啾对激光相位的不良影响。同理第二光栅的反射光路与第二凹面反射镜的反射光路高度也有3-5度的夹角。3. 凹面反射镜与光栅结合的垂直光路两臂系统，使得光路从x,z二维可调变为x,y,z三维可调，使得对脉冲光的相位调制变得更加精细。

    本发明提供了一种基于空间光调制器脉冲光整形的结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的实验装置以及方法，该装置以及方法基于空间光调制器消除色散的独特优点，有效地解决了现阶段内调制脉冲激光相位的精确性低、色散大、啁啾产生的误差大、效率低等问题。整个装置及方法具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。图中：1-腔体，2-第一全反射镜，3-第一通光孔,4-第一隔离器，5-第一半波片，6-第一凹面反射镜，7-第一四分之一波片，8-第一偏振分束棱镜，9-第二四分之一波片，10-第一光栅，11-空间光调制器，12-BNC线，13-控制器，14-第二半波片，15-第二光栅，16-第三四分之一波片，17-第二凹面反射镜，18-第四四分之一波片，19-第二偏振分束棱镜，20-第二隔离器，21-第二全反射镜，22-第三全反射镜，23-第二通光孔。

具体实施方案

一种精确调制脉冲激光相位的装置，包括顺次位于脉冲激光光路上的第一全反射镜2、顺次位于第一全反射镜2反射光路上的第一隔离器4、第一半波片5、第一偏振分束棱镜8；第一偏振分束棱镜8对应于第一全反射镜2反射光的出射光路上顺次设有第二四分之一波片9和第一光栅10；第一偏振分束棱镜8对应于第一光栅10的反射光的反射光路上顺次设有第一四分之一波片7和第一凹面反射镜6；第一偏振分束棱镜8对应于第一凹面反射镜6反射光的透射光路上设有空间光调制器11；空间光调制器11的反射光路上顺次设有第二半波片14和第二偏振分束棱镜19；第二偏振分束棱镜19对应于空间光调制器11反射光的透射光路上顺次设有第四四分之一波片18和第二凹面反射镜17，第二偏振分束棱镜19对应于第二凹面反射镜17反射光的反射光路上顺次设有第三四分之一波片16和第二光栅15，第二偏振分束棱镜19对应于第二光栅15反射光的透射光路上顺次设有第二隔离器20和第二全反射镜21，第二全反射镜21的反射光路上设有第三全反射镜22；第一凹面反射镜6的反射光路以及第二凹面反射镜17的反射光路组成精确调制脉冲激光相位的整形光路的两臂，整形光路两臂的距离和光学角相同；空间光调制器11由BNC线12连接到其控制器13上。

还包括一个外壳上开有第一通光孔3和第二通光孔23的腔体1；所述第一全反射镜2，第一隔离器4，第一半波片5，第一偏振分束棱镜8，第二四分之一波片9，第一光栅10、第一四分之一波片7，第一凹面反射镜6，空间光调制器11，第二半波片14，第二偏振分束棱镜19，第三四分之一波片16，第二光栅15，第四四分之一波片18，第二凹面反射镜17，第二隔离器20，第二全反射镜21，第三全反射镜22、BNC线12、控制器13均位于腔体1内；脉冲激光由第一通光孔3进入，经相位调制后的脉冲激光由第二通光孔23输出。

一种精确调制脉冲激光相位的方法，包括以下步骤：（a）脉冲激光由第一通光孔3入射后经由第一全反射镜2反射后透过第一半波片5与第一偏振分束棱镜8，第二四分之一波片9与第一光栅10位于第一偏振分束棱镜8的透射光路上，第一光栅10反射后的光经过第二四分之一波片2后由第一偏振分束棱镜8反射透过第一四分之一波片7到达第一凹面反射镜6，第一凹面反射镜6反射后的脉冲激光经过第一四分之一波片7透射过第一偏振分束棱镜8到达空间光调制器11；（b）空间光调制器11反射后的光透射穿过第二半波片14、第二偏振分束棱镜19、第四四分之一波片18到达第二凹面反射镜17，第二凹面反射镜17反射的激光透过第四四分之一波片18后经第二偏振分束棱镜19反射，反射光穿过第三四分之一波片16后由第二光栅15反射穿过第三四分之一波片16，并在透射第二偏振分束棱镜19后穿过第二隔离器20，顺次由第二全反射镜21与第三全反射镜22反射准直；（c）将整形光路两臂的距离和光学角调到相同；（d）通过控制器13调节空间光调制器11的灰度,进而实现对入射脉冲激光相位的精确调制。

第一全反射镜2与竖直方向的夹角和第一光栅10与竖直方向的夹角之间有3~5度的偏差；第二全反射镜21与竖直方向的夹角和第二光栅15与竖直方向的夹角之间有3~5度的偏差；空间光调制器11置于第一凹面反射镜6与第二凹面反射镜17的焦点上。此时最多的脉冲模与空间光调制器11的像素吻合，对脉冲光的调制最好。

具体实施时。所述的第一全反射镜2、第二全反射镜21、第三全反射镜22均为镀高反膜的全反射镜。所述第一光栅10、第二光栅15为激光刻线1200/mm闪耀光栅。所述空间光调制器为Holoeye Photonics AG公司的SLM LCR 1080。

Claims (6)

1.一种精确调制脉冲激光相位的装置，其特征在于，包括顺次位于脉冲激光光路上的第一全反射镜（2）、顺次位于第一全反射镜（2）反射光路上的第一隔离器（4）、第一半波片(5)、第一偏振分束棱镜（8）；第一偏振分束棱镜（8）对应于第一全反射镜（2）反射光的出射光路上顺次设有第二四分之一波片（9）和第一光栅（10）；第一偏振分束棱镜（8）对应于第一光栅（10）的反射光的反射光路上顺次设有第一四分之一波片（7）和第一凹面反射镜（6）；第一偏振分束棱镜（8）对应于第一凹面反射镜（6）反射光的透射光路上设有空间光调制器（11）；空间光调制器（11）的反射光路上顺次设有第二半波片（14）和第二偏振分束棱镜（19）；第二偏振分束棱镜（19）对应于空间光调制器（11）反射光的透射光路上顺次设有第四四分之一波片（18）和第二凹面反射镜（17），第二偏振分束棱镜（19）对应于第二凹面反射镜（17）反射光的反射光路上顺次设有第三四分之一波片(16)和第二光栅（15），第二偏振分束棱镜（19）对应于第二光栅（15）反射光的透射光路上顺次设有第二隔离器（20）和第二全反射镜（21），第二全反射镜（21）的反射光路上设有第三全反射镜（22）；第一凹面反射镜（6）的反射光路以及第二凹面反射镜（17）的反射光路组成精确调制脉冲激光相位的整形光路的两臂，整形光路两臂的距离和光学角相同；空间光调制器（11）由BNC线（12）连接到其控制器（13）上。

2.如权利要求1所述一种精确调制脉冲激光相位的装置，其特征在于，还包括一个外壳上开有第一通光孔（3）和第二通光孔（23）的腔体（1）；所述第一全反射镜（2），第一隔离器（4），第一半波片（5），第一偏振分束棱镜（8），第二四分之一波片（9），第一光栅（10）、第一四分之一波片（7），第一凹面反射镜（6），空间光调制器（11），第二半波片（14），第二偏振分束棱镜（19），第三四分之一波片（16），第二光栅（15），第四四分之一波片（18），第二凹面反射镜（17），第二隔离器（20），第二全反射镜（21），第三全反射镜（22）、BNC线（12）、控制器（13）均位于腔体（1）内；脉冲激光由第一通光孔（3）进入，经相位调制后的脉冲激光由第二通光孔（23）输出。

3.如权利要求1 或2 所述的一种精确调制脉冲激光相位的装置，其特征在于，所述的第一全反射镜（2）、第二全反射镜（21）、第三全反射镜（22）均为镀高反膜的全反射镜；所述第一光栅（10）、第二光栅（15）为激光刻线1200/mm闪耀光栅；所述空间光调制器（11）为Holoeye Photonics AG公司的SLM LCR 1080。

4.一种采用如权利要求2 所述装置精确调制脉冲激光相位的方法，其特征在于，包括以下步骤：（a）脉冲激光由第一通光孔（3）入射后经由第一全反射镜（2）反射后透过第一半波片（5）与第一偏振分束棱镜（8），第二四分之一波片(9)与第一光栅(10)位于第一偏振分束棱镜(8)的透射光路上，第一光栅(10)反射后的光经过第二四分之一波片(2)后由第一偏振分束棱镜(8)反射透过第一四分之一波片（7）到达第一凹面反射镜（6），第一凹面反射镜（6）反射后的脉冲激光经过第一四分之一波片（7）透射过第一偏振分束棱镜（8）到达空间光调制器（11）；（b）空间光调制器（11）反射后的光透射穿过第二半波片（14）、第二偏振分束棱镜（19）、第四四分之一波片（18）到达第二凹面反射镜（17），第二凹面反射镜（17）反射的激光透过第四四分之一波片(18)后经第二偏振分束棱镜(19)反射，反射光穿过第三四分之一波片(16)后由第二光栅(15)反射穿过第三四分之一波片(16)，并在透射第二偏振分束棱镜（19）后穿过第二隔离器（20），顺次由第二全反射镜（21）与第三全反射镜（22）反射准直；（c）将整形光路两臂的距离和光学角调到相同；（d）通过控制器(13)调节空间光调制器(11)的反射面板的灰度,进而实现对入射脉冲激光相位的精确调制。

5.如权利要求4所述的一种精确调制脉冲激光相位的方法，其特征在于，第一全反射镜（2）与竖直方向的夹角和第一光栅（10）与竖直方向的夹角之间有3~5度的偏差；第二全反射镜（21）与竖直方向的夹角和第二光栅（15）与竖直方向的夹角之间有3~5度的偏差；空间光调制器(11)置于第一凹面反射镜(6)与第二凹面反射镜(17)的焦点上。

6.如权利要求4或5所述的一种精确调制脉冲激光相位的方法，其特征在于，所述的第一全反射镜（2）、第二全反射镜（21）、第三全反射镜（22）均为镀高反膜的全反射镜；所述第一光栅（10）、第二光栅（15）为激光刻线1200/mm闪耀光栅；所述空间光调制器（11）为Holoeye Photonics AG公司的SLM LCR 1080。