[发明专利]基于反馈迭代波前整形技术飞秒激光成丝调控装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于反馈迭代波前整形技术飞秒激光成丝调控装置与方法，其装置的构成是在飞秒激光器的输出端光路上依次设有可调小孔光阑、可变连续衰减器、空间光调制器、透镜、水、可调小孔光阑、透镜、低通滤波器及CCD相机。本发明采用反馈迭代技术，由CCD相机采集到的超连续谱计算反馈信号，并使用遗传算法控制空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调制，从而实现对成丝过程的控制。本发明可以实现飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的精确控制，包括形成单丝或者多丝阵列、成丝的位置，同时具有简单有效的特点。

技术领域

本发明属于强场激光物理领域，涉及一种控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的装置和控制方法。

背景技术

飞秒激光在透明介质中传播时，当其峰值功率超过一定数值，即临界功率时，这种超高峰值功率的飞秒激光脉冲会产生自聚焦效应，并在光学介质内形成等离子体；当等离子体的散焦效应与自聚焦效应达到动态平衡时，飞秒激光脉冲就会在传播方向上形成一条狭长的等离子体通道，称为飞秒激光光丝，这就是所谓的成丝现象。成丝现象一经发现就引起了人们的广泛地关注，在大气遥感、激光引雷、空气激光、硬脆材料无痕切割等领域得到了广泛的应用。

飞秒激光成丝过程涉及到一系列非线性效应，激光光强及其波前的轻微扰动，都可能影响其成丝过程，造成飞秒激光成丝过程中光丝的数目、成丝长度等不稳定。为了保证飞秒激光成丝的应用，人们发展了一系列实现飞秒激光成单丝的调控手段，例如改变初始激光脉冲的强度分布(比如椭圆分布)、调整系统数值孔径、使用相位掩模板或是空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调控等等。其中入射激光波前相位调控的方式对激光能量损失较少，是一种非常有前景的调控方式，然而目前这种方式大都利用固定相位模板对飞秒激光波前进行控制，进而实现对飞秒激光成丝过程的调控，该方法强烈依赖于入射激光的波前参数，在激光波前发生畸变后，适应性较差。基于反馈迭代的飞秒激光波前整形方法调控飞秒激光成丝过程具有调控精确，对激光参数要求少的优点，但目前文献报道的基于反馈迭代的飞秒激光波前整形方法调控飞秒激光成丝过程方法(Opt.Commun.259,(2006)；Opt.Express 24,(2016))，仍然存在迭代算法复杂，无法调控单丝尺寸，单丝对比度较差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的装置和方法，能够实现飞秒激光脉冲在透明介质中传播时形成多丝的精确控制，包括由多丝变为任意位置的单丝，具有简单有效的特点。

本发明的核心思想是利用空间光调制器等波前整形设备，采用反馈迭代方式来优化飞秒激光波前，从而调控飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于反馈迭代波前整形技术的飞秒激光成丝过程调控方法的装置，包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有光阑和连续衰减器，飞秒激光脉冲通过光阑和连续衰减器后照射在空间光调制器上，飞秒激光脉冲经过空间光调制器反射后光路上依次设有第一凸透镜、盛有蒸馏水的水池、光阑、第二凸透镜、低通滤波器、CCD相机(电荷耦合器件)，并使飞秒激光脉冲通过水之后产生的超连续谱被收集在CCD相机上，CCD相机和空间光调制器均连接在计算机(个人计算机)上。

一种基于反馈迭代波前整形技术的飞秒激光成丝过程调控方法，利用计算机来监测CCD相机上收集到的超连续谱的特定范围内的光强来计算反馈信号I_feedback，并使用遗传算法控制空间光调制器对初始激光脉冲的相位进行调制，从而达到控制飞秒激光脉冲在透明介质中传播时的成丝过程的目的。在所述的反馈信号在控制随机多丝变成单丝的过程中，其中为所选取的特定范围内超连续谱的平均强度，为所选取的特定范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度。在所述的反馈信号在控制随机多丝变成多丝阵列的过程中，其中为所选取的各个目标聚焦范围内超连续谱的平均强度，为所选取的所有目标聚焦范围外CCD相机收集到的其他超连续谱平均强度。