[发明专利]延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及强场激光物理，特别是一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法，对激光远程大气检测、激光引雷、获得超短超强激光脉冲有重大应用。

背景技术

随着飞秒激光的出现，人们的研究在化学、物理、生物等各个学科都取得了很多重要的研究成果。然而，曾经很长一段时间人们都认为由于衍射、群速度色散等原因的影响，超强超短激光在空气中不适合于远距离传输，例如，束腰为5mm、脉宽为30fs的激光脉冲，在空气中传输1000米之后强度会衰减约5×10³。但在实际实验中人们发现，飞秒激光在空气中传输会形成弱的等离子体通道，而且等离子体通道的长度可以很长(几十米到几千米)，通道即光丝里面的光强也高达10¹³-10¹⁴W/cm²的量级。这就是超短超强激光的成丝现象，成丝现象的出现引起了很多人的关注，因为成丝对于远程大气检测、激光引雷、获得超短超强的少周期激光脉冲有很重要的应用前景(可参阅文献S.L.Chin，F.Théberge，and W.Liu，Appl.Phys.B.86，477，2007和A.Couairon，A.Mysyrowicz，Phys.Rep.441，47，2007)。所以一直以来，很多人都在关注如何延长等离子体通道长度而把更高的激光能量传送到更远的距离。

最简单和直接的延长光丝长度的方法是利用松聚焦来延长瑞利长度，进而延长丝的长度。然而，在松聚焦的情况下，光斑上的热点会很容易成丝，这样会出现多丝结构，特别是在入射光能量比较高的情况下，这对成丝的具体应用会有限制。此外，实验证明，在反常色散介质中丝的长度也会大大延长，然而现在常用的而且比较成熟的飞秒激光波长都在800nm附近，在空气中是正常色散。最近，P.Polynkin等人利用Bessel光束在空气中大大延长了丝的长度，并且通过优化激光的啁啾优化丝的长度(参见文献P.Polynkin，M.Kolesik，A.Roberts，D.Faccio，P.D.Trapani，and J.Moloney，Opt.Exp.16，15733，2008和P.Polynkin，M.Kolesik，J.Moloney，Opt.Exp.17，575，2009)。他们的试验中获得的是准Bessel光束，是将Gauss光束通过一个锥形镜而获得的，从而大大延长了聚焦区域的长度，最长可延长到2.5倍。

发明内容

本发明旨在提供一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置和方法，具有简单而且更有效的特点，而且本发明也提供了一种使超连续辐射集中在轴向上的方法，这对大气远程探测、激光引雷和利用成丝压缩方法获得周期量级的超短超强激光脉冲有重要的作用。

本发明的核心思想是通过改变入射光的波前位相来延长丝的长度，用透射式和反射式的位相调节方式均可，只要可以按照设计要求控制入射脉冲的波前位相。

本发明的技术解决方案如下：

一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的装置，其特征是在准直飞秒激光输出的光路上依次设置的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜构成。

所述的位相板为透射式位相板或反射式位相板。

一种延长飞秒激光在空气中成丝长度的方法，特征在于包括下列步骤：

①用菲涅尔衍射方法进行线性模拟求解获得所述的位相板的内部圆形区域半径r₀，内部圆形区域相对于外环的位相跃变量；利用湿法刻蚀方法或者利用离子束刻蚀或者其他刻蚀方法在K9玻璃表面刻蚀出一个半径为r₀的圆形区域，刻蚀深度所对应的位相跃变量为；

②在准直飞秒激光输出的光路上依次设置所述的的可调小孔光阑、位相板和聚焦透镜；

③开启准直飞秒激光，调整所述的可调小孔光阑，使所述的飞秒激光在空气中成丝长度达到最长。

实验表明：本发明装置和方法可以大大延长飞秒激光在空气中成丝的长度。跟普通的高斯光束聚焦相比，使超连续辐射集中在轴向，从而能将更多的能量输送到更远的地方，对激光远程大气检测、激光引雷、获得超短超强激光脉冲有重大应用。

附图说明

图1是透射式位相板的剖面图和俯视图，

图中：r₀为内部圆形区域半径，为内部圆形区域相对于外环的位相跃变量；

图2为延长激光脉冲在空气中成丝具体实施的光路图，

图中：1为入射超强超短脉冲激光，2为可调节小孔光阑，3为透射式位相板，4为聚焦透镜，5为超短超强激光聚焦后在空气中形成的光丝(弱等离子体通道)；