CN101902009B - 调制被控激光光束相位的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调制被控激光光束相位的方法及其装置，属于光通信技术领域。该方法是利用飞秒激光脉冲与KTP晶体相互作用时，KTP晶体的非线性效应引起的灰迹现象使飞秒激光辐照区的折射率发生变化，通过控制折射率变化来调制被控激光光束的相位；所述装置包括飞秒激光器，分光镜，透镜，能量计，被控激光光束，KTP晶体，滤光片，同步控制器，路由器和计算机控制系统；及由透镜、分光镜、反射镜和CCD构成的环路径向剪切干涉装置进行在线监测被控激光光束相位变化，并将测得数据传给计算机控制系统实时处理，根据处理结果和用户实际需要控制飞秒激光器的峰值功率密度、重复频率及飞秒激光脉冲的开关，从而实现相位开关的目的。

Description

调制被控激光光束相位的方法及其装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种调制被控激光光束相位的方法及其装置。

背景技术

为了解决目前高速、大容量通信网络以及光网络中电子开关对网络容量的升级限制，光开关逐渐成为人们关注的对象。较早的电光开关、热光开关、磁光开关等开关速度较慢，不能满足全光网络的要求，故实现全光开关对未来光通信是必要的。而通过控制入射光的相位来实现光开关功能是制造全光开关的有效途径之一。

采用声光法对光束进行调制具有优良的温度稳定性和良好的光点质量以及低的价格，并且与机械调制方式相比，它具有更小的体积、重量和更好的输出波形，但是其转换效率很低，并且需要设计与驱动电路相匹配的声光相位调制器；体调制器虽然能够有效地对光束相位进行调制，但是需要在晶体两端施加相当高的电压来改变晶体的光学性质，这就使通过的光波受到了限制；光波导相位调制器虽然将光波导限制在微米量级的光波导中，并使其沿一定的方向传播，但是其两端同样需要施加相当高的电压，而且晶体本身的色散严重，故对系统本身的色散匹配提出了很高的要求。而利用KTP晶体在飞秒激光脉冲作用下的灰迹特性调制被控激光光束相位，可以使光交换和光路完全在光域范围内实现，可明显地缩短开关时间。

KTP晶体的灰迹现象使灰迹区域的折射率出现空间分布，从而使通过此区域的被控激光光束相位在空间发生变化。当照射在KTP晶体上的飞秒激光脉冲的功率密度和重复频率不同时，KTP晶体中飞秒激光辐照区激发的灰迹密度也不同，这就意味着KTP晶体中飞秒激光辐照区的折射率的空间变化不同，经过此区域的光束的相位变化也不同。同时KTP晶体灰迹具有可回复特性，这就使得利用KTP晶体的灰迹特性实现相位控制具有可重复操作性。故可以利用KTP晶体的这种特性实现快速全光相位控制。

当高强度激光与KTP晶体相互作用时，由于多光子电离、隧道电离、雪崩电离等非线性过程产生大量电子-空穴对，当电子或空穴被晶体本身缺陷捕获时形成色心，色心大量吸收入射光的能量，在光行进的路径上表现为一条灰色的暗迹，即灰迹，经长时间的放置或高温退火此灰迹可消失。灰迹的出现使KTP晶体中飞秒激光辐照区的折射率发生变化，从而使经过激光辐照区的被控激光光束相位发生变化。入射激光的峰值功率密度、重复频率，以及聚焦半径直接影响灰迹密度，灰迹密度直接决定了被控激光光束的相位变化。入射激光的功率密度、重复频率越高，灰迹密度越高，被控激光光束相位变化越大，而入射飞秒激光聚焦半径越小，灰迹密度越高，相位变化越大。因此，根据高强度激光与KTP晶体相互作用时的灰迹特性来调制被控激光光束的相位，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是在于克服现有技术中所存在的缺陷与不足，提供一种调制被控激光光束相位的方法；该方法就是利用高强度飞秒激光脉冲与KTP晶体相互作用时，非线性效应引起的灰迹现象使KTP晶体中飞秒激光辐照区域折射率发生变化，通过控制折射率的变化来调制被控激光光束的相位。

本发明的另一目的是提供一种实现调制被控激光光束相位方法的装置；该装置中的环路径向剪切干涉装置为共路系统，它担负着在线监测被控激光光束相位的变化，其测量结果准确，并将测得数据传送给计算机控制系统，计算机控制系统对接收到的数据进行处理并实时输出被控激光光束的相位。

本发明的基本思想是：所述调制被控激光光束的相位方法是利用KTP晶体在高强度飞秒激光脉冲作用下产生的非线性现象-灰迹现象，通过灰迹区域折射率的变化来调制被控激光光束的相位。由于高强度飞秒激光与KTP晶体相互作用时，多光子电离、隧道电离和雪崩电离等非线性过程使电子从价带跃迁到导带，产生大量电子-空穴对，电子或空穴被晶体本身缺陷捕获形成色心，在光行进的路径上出现一灰色暗迹，即灰迹。灰迹的出现使晶体辐照区域的折射率发生变化，故使经过此区域的光的相位发生变化。晶体辐照区域折射率的变化与灰迹密度有关，而灰迹密度又是入射飞秒激光脉冲峰值功率密度和重复频率的函数，因此，通过改变入射飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率即可调制被控激光光束的相位。本发明还为实现调制被控激光光束相位方法提供一种被控激光光束的相位调制装置，该装置通过改变入射飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率调制被控激光光束的相位，并通过所述装置中的环路径向剪切干涉装置来实现计算机控制系统在线监测被控激光光束相位的变化，并将测得数据传送给计算机控制系统实时处理，根据处理结果和用户的实际需要控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度、重复频率以及飞秒激光脉冲开关，从而实现相位开关的目的。

本发明的目的是通过以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明的调制被控激光光束相位的方法，是利用KTP晶体与飞秒激光脉冲相互作用产生的灰迹现象使飞秒激光辐照区域的折射率发生变化，从而改变被控激光光束的相位，包括以下操作步骤：

(1)被控激光光束的相位变化由灰迹密度决定，而灰迹密度为飞秒激光脉冲峰值功率密度和重复频率的函数，根据被控激光光束相位的变化量计算出飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率，再根据计算结果设定飞秒激光脉冲对应的峰值功率密度和重复频率；

(2)打开飞秒激光脉冲，使其聚焦到KTP晶体中，并与KTP晶体相互作用产生灰迹，灰迹令飞秒激光辐照区域的折射率变化；

(3)打开被控激光光束，使其与飞秒激光共路通过KTP晶体中飞秒激光辐照区域，通过控制飞秒激光辐照区域折射率的变化来调制被控激光光束的相位；

(4)采用环路径向剪切干涉装置在线监测被控激光光束的相位变化，并将测得数据发送给计算机控制系统实时处理，计算机控制系统根据处理的数据和用户的实际需求控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度、重复频率以及飞秒激光脉冲的开关；

(5)透过KTP晶体的被控激光光束经分光镜分光后，一束被扩束，一束被缩束，扩束和缩束的光在环路径向剪切干涉装置中的CCD前干涉，用CCD记录此干涉条纹，再将干涉条纹送予计算机控制系统进行实时处理，即得出被控激光光束相位的变化量。

上述技术方案中，所述被控激光光束的干涉条纹通过计算机控制系统进行处理包括以下步骤：

①截取干涉条纹有效部分；

②对截取的干涉条纹作傅里叶变换，频谱滤波、移频后再作傅里叶反变换得到位相差；

③最后由位相差通过相位迭代算法复原真实的波前相位。

上述技术方案中，所述飞秒激光器的脉宽不得大于100fs。

为实现本发明所述调制被控激光光束相位的方法，提供一种调制被控激光光束相位的装置，该装置包括飞秒激光器，第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜，能量计，第一透镜，第二透镜和第三透镜，被控激光光束，KTP晶体，滤光片，第一全反射镜和第二全反射镜，CCD，同步控制器，路由器和计算机控制系统；其中，由所述第三分光镜，第一全反射镜和第二全反射镜，第二透镜和第三透镜及CCD构成环路径向剪切干涉装置用以在线监测被控激光光束相位的变化，并将测得数据送给计算机控制系统实时处理；从飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲经第一分光镜分光后，一束入射到能量计，一束经第一透镜聚焦进入KTP晶体，被控激光光束经第二分光镜后与飞秒激光共路进入KTP晶体，透过KTP晶体的光经滤光片后飞秒激光脉冲几乎被全部滤掉，透过的被控激光光束经第三分光镜分光后，一束经第二透镜和第一全反射镜被扩束，一束经第三透镜和第二全反射镜被缩束，扩束的光和缩束的光在重叠区域干涉，由CCD实时记录干涉条纹，将记录的数据送给计算机控制系统实时处理，计算机控制系统根据处理的数据和用户的实际需求控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度、重复频率以及飞秒激光脉冲的开关；

所述同步控制器分别与飞秒激光器、能量计、被控激光光束、CCD和计算机控制系统连接，路由器分别与能量计、CCD和计算机控制系统连接，并将测得的数据传给计算机控制系统，计算机控制系统对接收到的数据进行处理并实时输出被控激光光束的相位。

上述技术方案中，所述飞秒激光器脉宽不得大于100fs。

上述技术方案中，所述CCD为光电探测器。

本发明所述环路径向剪切干涉装置担负在线监测被控激光光束相位的变化。在该装置中，不同焦距的第二透镜和第三透镜和两个对被控激光光束高反的第一全反射镜和第二全反射镜组成环路开普勒望远镜系统，第三分光镜将被控激光光束分成两束，一束沿顺时针方向通过开普勒望远镜系统形成扩大光束，另一束沿逆时针方向反向通过开普勒望远镜系统形成缩小光束，扩大光束和缩小光束同时通过第三分光镜并在重叠的区域形成干涉条纹；由CCD记录此干涉条纹，并将记录的条纹信息传送给计算机控制系统；计算机控制系统对接收到的信息进行相应的处理并输出被调制的相位结果。由于所述环路径向剪切干涉装置是共路系统，排除了机械不稳定性和外部微扰带来的影响，测量结果准确，其测量结果反馈给飞秒激光器，为精确调制被控激光光束的相位提供了可靠保障。并根据处理结果和用户的实际需要控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度、重复频率以及飞秒激光脉冲的开关，从而实现相位开关的目的。

本发明的调制被控激光光束相位的方法及其装置具有以下有益技术效果：

1、本发明所述调制被控激光光束相位方法是利用KTP晶体的灰迹现象，能够快速改变被控激光光束的相位，同时也能快速的切断被控激光光束的相位改变，从而提高了被控激光光束相位调制速度，为全光网络相位调制提供了一种行之有效的方法。

2、本发明所述调制被控激光光束相位方法的装置中还利用环路径向剪切干涉装置在线监测被控激光光束的相位变化，并把测量结果反馈给计算机控制系统系统实时处理，根据处理的结果及用户的实际需要控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率，因而大大提高了控制精度，而且操作方便、简单。

3、本发明所述的环路径向剪切干涉装置由于为共路系统，排除了机械不稳定性和外部微扰带来的影响，其测量结果准确，将其测量结果反馈给飞秒激光器，为精确控制被控激光光束的相位提供了可靠保障，为实现全光网络奠定了基础。

4、本发明所述调制被控激光光束相位方法不仅能实时调制脉冲激光的相位，而且能实时调制连续光的相位。

附图说明

图1为实现本发明调制被控激光光束相位方法的装置的结构示意图；

图2是图1装置中在线监测被控激光光束相位变化的环路径向剪切干涉装置的结构示意图；

图3是本发明所用飞秒激光脉冲不同功率时，被控激光光束在飞秒激光脉冲打开、照射和断开过程中相位变化随时间的变化曲线；

图4是本发明所用飞秒激光脉冲不同重复频率时，被控激光光束在飞秒激光脉冲打开、照射和断开过程中相位变化随时间的变化曲线；

图5是本发明所用飞秒激光照射过程中被控激光光束相位变化的空间分布示意图。

图中，1-飞秒激光器，2-第一分光镜，3-能量计，4-第一透镜，5-第二分光镜，6-被控激光光束，7-KTP晶体，8-滤光片，9-第三分光镜，10-第二透镜，11-第一全反射镜，12-第二全反射镜，13-第三透镜，14-CCD，15-同步控制器，16-路由器，17-计算机控制系统。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本发明所述方法及其装置作进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的任何限定。

本发明实现调制被控激光光束相位的方法的装置如图1所示，图1中，从飞秒激光器1出射的飞秒激光脉冲经第一分光镜2分光后，一束入射到能量计3，一束经第一透镜4聚焦进入KTP晶体7，被控激光光束6经第二分光镜5后与飞秒激光共路进入KTP晶体7，透过KTP晶体7的光经滤光片8后飞秒激光脉冲几乎被全部滤掉，透过的被控激光光束6经第三分光镜9分光后，一束经第二透镜10和第一全反射镜11被扩束，一束经第三透镜13和第二全反射镜12被缩束，扩束的光和缩束的光在重叠区域干涉，由CCD14实时记录干涉条纹，将记录的数据送给计算机控制系统17实时处理，计算机控制系统17再根据处理的数据和用户的实际需求控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度、重复频率以及飞秒激光脉冲的开关。

图1中同步控制器15分别与飞秒激光器1、能量计3、被控激光光束6、CCD 14和计算机控制系统17连接，当给飞秒激光器1触发信号使其工作时，KTP晶体7中飞秒激光脉冲辐照区域的折射率在空间上发生变化，打开飞秒激光器1的同时触发打开被控激光光束6和CCD 14。路由器16分别与能量计3、CCD 14和计算机控制系统17连接，并将测得的数据传送给计算机控制系统17，计算机控制系统17对接收到的数据进行处理并实时输出被控激光光束6的相位。

图2中，由第三分光镜9，第一全反射镜11和第二全反射镜12，第二透镜10和第三透镜13及CCD 14构成环路径向剪切干涉装置，采用该环路径向剪切干涉装置在线监测被控激光光束相位的变化，并将测得数据信息送给计算机控制系统实时处理。该环路径向剪切干涉装置具有高机械稳定性、抗干扰能力、高精度测量以及在线实时监测能力。

本发明调制被控激光光束相位的方法，其特点是利用KTP晶体在高强度激光脉冲作用下产生的非线性现象-灰迹现象，通过灰迹调制被控激光光束的相位。而灰迹引起的KTP晶体的折射率变化为：

$\mathrm{\Δ}{\tilde{n}}_{\mathrm{Drude}}=-\frac{e^2}{2n_0{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ω}}^2{m}_e}\frac{1}{(1+i/\mathrm{\ω}{\mathrm{\τ}}_c)}\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{m^{*}}\right)---\left(1\right)$

其中e为电子电量，ω为激发光频率，m_e为电子质量，τ_c为碰撞时间，

为灰迹密度同电子有效质量的比值，n₀为初始导带电子密度，ε₀为真空介电常数。

假设KTP晶体在光的传播方向被均匀激发，所以可以用折射率变化的实部表示被控激光光束的相位变化：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{LRe}\left\{\mathrm{\Δ}{\tilde{n}}_{\mathrm{Drude}}\right\}---\left(2\right)$

其中λ为被控激光光束波长，L为KTP晶体厚度。

根据(2)式即可通过改变灰迹密度来控制KTP晶体激光辐照区域的折射率，从而调制经过此区域的被控激光光束的相位变化。

高强度激光与KTP晶体相互作用时，非线性过程使电子从价带跃迁到导带，产生大量电子-空穴对，电子或空穴被晶体本身缺陷捕获形成色心，在光行进的路径上出现一灰色暗迹，即灰迹，灰迹的出现使晶体辐照区域的折射率发生变化。任意激光脉冲激发的色心数量可以表示为：

ΔN＝DF^mk_BTexp[-(U₀-γσ)/k_BT]    (3)

其中D为比例常数，F^m为入射光峰值光子通量密度，m为多光子吸收阶数，k_B为波尔兹曼常数，T为温度，U₀为初始激活能，γ为材料参数，σ为色心膨胀产生的应力。[R.Thmas CASPER，Scott C.JONES，Peter BRAUNLICH.F-center accumulation as amechanism of multiple-pulse laser-induced bulk damage in KBr and KI at 355 nm.Nuclearinstruments and methods in physics research B，46(1990)：231-234]

当飞秒激光脉冲聚焦在KTP晶体中时，产生大量色心，同时有一部分色心将驰豫，所以第一个脉冲照射后，KTP晶体中飞秒激光辐照区域的灰迹密度为：

${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}V+{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r[1-\exp (-\mathrm{rt})]}{V}---\left(4\right)$

其中ρ为灰迹密度，ρ₀为初始灰迹密度，V为聚焦区体积，ΔN_r为经过足够长的时间后色心的改变，r为驰豫常数，t为时间。

同样地，第2、3…(n-1)个脉冲照射后，KTP晶体中飞秒激光辐照区域的灰迹密度为：

${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}V+{\mathrm{DF}}_0^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-{\mathrm{\ΔN}}_r[1-\exp (-\mathrm{rt})]}{V}$

$+\frac{{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r\{1-\exp [-r(t-\frac{1}{f})\left]\right\}}{V}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ρ}}_3=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}V+{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-{\mathrm{\ΔN}}_r[1-\exp (-\mathrm{rt})]}{V}$

$+\frac{{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r\{1-\exp [-r(t-\frac{1}{f})\left]\right\}}{V}---\left(6\right)$

$+\frac{{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r\{1-\exp [-r(t-\frac{2}{f})\left]\right\}}{V}$

${\mathrm{\ρ}}_{n-1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}V+{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-{\mathrm{\ΔN}}_r[1-\exp (-\mathrm{rt})]}{V}$

$+\frac{{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r\{1-\exp [-r(t-\frac{1}{f})\left]\right\}}{V}$

$+\frac{{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r\{1-\exp [-r(t-\frac{2}{f})\left]\right\}}{V}---\left(7\right)$

$+\·\·\·+\frac{{\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-\mathrm{\Δ}{N}_r\{1-\exp [-r(t-\frac{n-2}{f})\left]\right\}}{V}$

所以第n个脉冲照射后，KTP晶体中飞秒激光辐照区域的灰迹密度为：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}V+{n\×\mathrm{DF}}^m{k}_B\mathrm{Texp}[-(U_0-\mathrm{\γ\σ})/k_{B}T]-{\mathrm{\ΔN}}_r\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{1-\exp [-r(t-\frac{i-1}{f})]\}}{V}---\left(8\right)$

其中f为飞秒激光脉冲重复频率，t为作用时间。

当飞秒激光脉冲停止照射时，灰迹产生也将停止，此时灰迹驰豫起主导作用，于是关断飞秒激光脉冲后灰迹密度随时间的变化关系式为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{0}V+{\mathrm{\η}}_{n}V-{\mathrm{\ΔN}}_r\×[1-\exp (-\mathrm{rt})]}{V}---\left(9\right)$

综合(8)式和(9)式，灰迹密度为：

将(10)式代入(2)式即可得到飞秒激光脉冲作用下经飞秒激光辐照区域的被控激光光束的相位变化。

实施例

本实施例中，飞秒激光器1采用相干公司的LEGEND ELITE USP-HE飞秒激光器，激光器脉宽为40飞秒，波长为800纳米；第一分光镜2对800纳米激光透射与反射比为1∶9；能量计3采用Coherent公司的PM10探头和LabMax_Top表头；第一透镜4焦距为400毫米；第二分光镜5对800纳米激光全透，而对632.8纳米激光全反；被控激光光束6采用He-Ne激光器；滤光片8对800纳米飞秒激光高反而对632.8纳米He-Ne激光高透，从而排除飞秒激光对后续光路的影响；第三分光镜9对He-Ne激光透射与反射比为7∶3；第二透镜10选用焦距为200毫米的透镜；第一全反射镜11和第二全反射镜12对632.8纳米激光高反；第三透镜13焦距为300毫米；CCD 14为北京微视新纪元科技有限公司公司生产的MVC-II1M型CCD，像素为1280×1024；同步控制器15内部采用12位A/D、D/A转换，分辨率可达0.1％；路由器16为一般以太网使用的通用路由器，至少具有12个接口；计算机控制系统17为一般的PC机。

按照图1装置所示的结构连接好各元件，打开计算机控制系统中的调制被控激光光束相位的控制软件，本控制软件基于WINDOWS操作系统，采用C++语言自行编制的控制软件，用于控制和协调图1的光路中各光学元件的运行、实验数据的处理以及输出等。

在调制被控激光光束相位的控制软件界面中被控激光光束6的相位变化量一栏输入被控激光光束6的相位变化量，该相位变化量是根据用户的实际需求而输入，计算机控制系统17将输入的相位变化量代入公式(2)计算，得出改变此相位变化量所需的灰迹密度，并将计算得出的灰迹密度代入公式(10)，从而计算出飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率，同时计算机控制系统17根据计算结果选定飞秒激光器1需设定的电流和重复频率，并向飞秒激光器1输出一触发信号，打开飞秒激光器1。KTP晶体7中飞秒激光辐照区域由于非线性效应迅速产生灰迹，灰迹区折射率迅速发生变化，从而改变被控激光光束6的相位变化。打开飞秒激光脉冲的同时，计算机控制系统17通过调制被控激光光束相位的控制软件调整CCD 14的曝光时间，CCD将记录的干涉条纹实时传送给计算机控制系统17，计算机控制系统17接收数据后，截取干涉条纹有效部分，并对条纹进行如下处理：

①缩小光束和扩大光束在重叠的区域发生干涉，其干涉光强分布可以写为：

其中，f_0x、f_0y分别表示x，y方向的空间载频；a(x，y)和b(x，y)分别表示背景光强和条纹调制函数；表示波前位相差分布；

②对截取的干涉条纹作傅里叶变换，频谱滤波、移频后再作傅里叶反变换得到位相差；

这里只讨论X方向上的空间载频分量，公式(11)可以写为：

$g(x,y)=a(x,y)+c(x,y)\exp \left(i2\mathrm{\π}{f}_{0}x\right)+c^{*}(x,y)(-i2\mathrm{\π}{f}_{0}x)---12$

其中f₀表示X方向上的空间线性载频，“*”表示共轭；

对(12)式两边作傅里叶变换得：

G(f，y)＝A(f，y)+C(f-f₀，y)+C^*(f+f₀，y)    (14)

其中，G(f，y)、A(f，y)、C(f-f₀，y)、C^*(f+f₀，y)分别为(12)式各项的傅里叶变换；在频域中通过一个滤波窗函数将包含剪切波前信息的基频C(f-f₀，y)提取出来，并将它移动到零频的位置，得到C(f，y)，则有：

c(x，y)＝F^-1{C(f，y)}    (15)

因此，根据公式(13)可以求得位相差为：

③由位相差通过相位迭代算法复原真实的波前相位。根据径向剪切干涉原理，真实的波前位相信息可以由波前迭代算法公式求得：

最后计算机控制系统17将处理的相位变化和输入的相位变化进行比较，根据比较结果调整飞秒激光脉冲的峰值功率密度及重复频率。任务结束时，计算机控制系统17输出触发信号将所有装置关闭。

所述飞秒激光脉冲一打开，被控激光光束6相位立即发生变化，随着作用时间的增加迅速增加，在一很短的时间内趋于一稳定值，如图3和图4所示，这主要是由于在飞秒激光脉冲作用初期，灰迹的产生起主导作用，随着作用时间的增加灰迹的产生和回复达到一个动态的平衡。由于灰迹具有可回复性，当关闭飞秒激光脉冲时，灰迹产生停止，此时灰迹的回复起主导作用，KTP晶体中飞秒激光脉冲辐照区的折射率变化迅速驰豫，故被控激光光束6相位立即回到最初相位。从图3中可以看出，入射飞秒激光脉冲的功率从310mW到690mW之间变化时，被控激光光束6相位从1.7弧度变化到3.9弧度。从图4中可以看出，入射飞秒激光脉冲的重复频率从333Hz到1kHz之间变化时，被控激光光束相位从1弧度变化到3弧度。入射飞秒激光脉冲的峰值功率密度越高，激发的电子空穴对越多，即灰迹密度越高，灰迹引起的KTP晶体7的折射率变化越大，折射率变化引起的被控激光光束6的相位变化也越大，被控激光光束6相位变化量同入射飞秒激光脉冲的峰值功率密度是一一对应的，如图3所示。同理入射飞秒激光脉冲的重复频率越高，灰迹密度越高，被控激光光束6的相位变化也越大，被控激光光束6相位变化量同入射飞秒激光脉冲的重复频率也是一一对应的，如图4所示。被控激光光束6在飞秒激光脉冲辐照中心处的相位变化呈高斯型，如图5所示，这主要与入射飞秒激光脉冲的强度分布有关。故通过改变入射飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率来调制被控激光光束6的相位变化的同时，还可以通过改变被控激光光束6在KTP晶体7中的位置来改变被控激光光束6相位。

Claims (4)

1.一种调制被控激光光束相位的方法，其特征在于利用KTP晶体与飞秒激光脉冲相互作用产生的灰迹现象使在飞秒激光辐照区域的折射率发生变化，通过控制折射率变化来调制被控激光光束的相位，包括以下步骤：

(1)被控激光光束的相位变化由灰迹密度决定，而灰迹密度为飞秒激光脉冲峰值功率密度和重复频率的函数，根据被控激光光束相位的变化量计算出飞秒激光脉冲的峰值功率密度和重复频率，再根据计算结果设定飞秒激光脉冲对应的峰值功率密度和重复频率；

(2)打开飞秒激光脉冲，使其聚焦到KTP晶体中，并与KTP晶体相互作用产生灰迹，灰迹令飞秒激光辐照区域的折射率变化；

(3)打开被控激光光束，使其与飞秒激光脉冲共路通过KTP晶体中飞秒激光辐照区域，通过控制飞秒激光脉冲辐照区域折射率的变化来调制被控激光光束的相位；

(4)采用环路径向剪切干涉装置在线监测被控激光光束的相位变化，并将测得数据发送给计算机控制系统实时处理，计算机控制系统根据处理的数据和用户的实际需求控制飞秒激光脉冲的峰值功率密度、重复频率以及飞秒激光脉冲的开关；

(5)透过KTP晶体的被控激光光束经分光镜分光后，一束被扩束，一束被缩束，扩束和缩束的光在环路径向剪切干涉装置中的CCD前干涉，用CCD记录此干涉条纹，再将干涉条纹送予计算机控制系统进行实时处理，即得出被控激光光束相位的变化量；

所述飞秒激光脉冲的脉宽不得大于100fs。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述被控激光光束的干涉条纹通过计算机控制系统实时处理，包括以下步骤：

①截取条纹有效部分；

②对截取干涉条纹作傅里叶变换，频谱滤波、移频后再作傅里叶反变换得到位相差；

③最后由位相差通过相位迭代算法复原真实的波前相位。

3.一种实现调制被控激光光束相位的方法的装置，其特征在于该装置包括飞秒激光器(1)，第一分光镜(2)、第二分光镜(5)和第三分光镜(9)，能量计(3)，第一透镜(4)，第二透镜(10)和第三透镜(13)，被控激光光束(6)，KTP晶体(7)，滤光片(8)，第一全反射镜(11)和第二全反射镜(12)，CCD(14)，同步控制器(15)，路由器(16)和计算机控制系统(17)；其中，由所述第三分光镜(9)，第一全反射镜(11)和第二全反射镜(12)，第二透镜(10)和第三透镜(13)及CCD(14)构成环路径向剪切干涉装置用以在线监测被控激光光束相位的变化，并将测得数据送给计算机控制系统实时处理；从飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲经第一分光镜分光后，一束入射到能量计，一束经第一透镜聚焦进入KTP晶体，并与KTP晶体相互作用产生灰迹，灰迹令飞秒激光辐照区域的折射率变化，飞秒激光器的脉宽不得大于100fs，被控激光光束经第二分光镜后与飞秒激光共路进入KTP晶体，通过控制飞秒激光脉冲辐照区域折射率的变化来调制被控激光光束的相位，透过KTP晶体的光经滤光片后飞秒激光脉冲被全部滤掉，透过的被控激光光束经第三分光镜分光后，一束经第二透镜和第一全反射镜被扩束，一束经第三透镜和第二全反射镜被缩束，扩束的光和缩束的光在重叠区域干涉，由CCD实时记录干涉条纹，将记录的干涉条纹数据送给计算机控制系统实时处理；

所述同步控制器(15)分别与飞秒激光器(1)、能量计(3)、被控激光光束(6)、CCD(14)和计算机控制系统(17)连接，路由器(16)分别与能量计(3)、CCD(14)和计算机控制系统(17)连接，并将测得的数据传给计算机控制系统，计算机控制系统对接收到的数据进行处理并实时输出被控激光光束的相位。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述CCD(14)为光电探测器。

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