(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211079889.8 (22)申请日 2022.09.05 (71)申请人 北京理工大 学长三角研究院 （嘉兴） 地址 314000 浙江省嘉兴 市秀洲区油车港 镇永越大厦18-19 楼 申请人 北京理工大 学 (72)发明人 姜澜　郭宝山　张天勇　姚环　 陶文攀　 (74)专利代理 机构 西安正华恒远知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61271 专利代理师 黄鑫 (51)Int.Cl. B23K 26/70(2014.01) B23K 26/00(2014.01) (54)发明名称 飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测 的系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种飞秒激光加工过程中多 时间尺度连续观测的系统及方法， 包括飞秒激光 光源、 激光加工系统、 脉冲整形系统、 多时间尺度 连续观测系统， 多时间尺度连续观测系统包括飞 秒超快连续成像系统、 皮秒 ‑纳秒超快泵浦探测 系统、 纳秒 ‑毫秒ICCD连续成像系 统、 微秒‑秒高 速摄像系统。 相较于其他超快成像系统， 本发明 可实现飞秒激光加工过程中跨多个时间尺度的 超快连续观测能力， 其观测时间范围可达百飞秒 至秒之间的13个数量级， 可覆 盖整个物理化学反 应过程， 对于深入理解和揭示飞秒 激光加工中一 系列非平衡、 非线性的超快现象具有重要的辅助 作用。 权利要求书2页 说明书7页 附图1页 CN 115401348 A 2022.11.29 CN 115401348 A 1.一种飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在于： 包括飞秒激光 光源； 所述飞秒激光光源发出一个高斯型飞秒脉冲， 所述高斯型飞秒脉冲经过激光加工系 统分为两个脉冲； 一个脉冲经过激光加工系统到达脉冲整形系统、 并通过合束镜I、 物镜或 者平凸透 镜聚焦在样品的表面； 另一个所述脉冲经过分束镜II被分为探测脉冲I和探测脉冲 II； 所述探测脉冲I依次经 过倍频晶体、 带通滤波片、 合束镜I后， 透过 所述样品， 被多时间尺度连续观测系统捕获； 所述探测脉冲II经过分束镜III被分为探测脉冲III和探测脉冲IV； 所述探测脉冲III 经过非线性晶体I II、 反射镜V后， 透过 所述样品， 被多时间尺度连续观测系统捕获； 所述探测脉冲 IV经过分束镜IV被分为探测脉冲V和探测脉冲VI； 所述探测脉冲V经过脉 冲序列发生器， 透过 所述样品， 被多时间尺度连续观测系统捕获； 所述探测脉冲VI经过所述反射镜VII、 非线性晶体IV、 反射镜VIII后， 透过所述样品后， 被多时间尺度连续观测系统捕获。 2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述飞秒激光光源通过计算机设置参数并传递给脉冲信号发生器， 控制所述飞秒激光 光源发出 单一脉冲。 3.根据权利要求2所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述激光加工系统包括配置于飞秒 激光光源与脉冲整 形系统之间的分束镜I、 反射镜I、 反射镜II、 反射镜I II和反射镜IV。 4.根据权利要求3所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述脉冲整形系统包括脉冲时间整形装置、 脉冲波长整形装置和脉冲空间整形装置 。 5.根据权利要求4所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述多时间尺度连续观测系统包括飞秒超快连续成像系统、 皮秒 ‑纳秒超快泵浦探测系 统、 纳秒‑毫秒ICCD连续成像系统和微秒 ‑秒高速摄 像系统。 6.根据权利要求5所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述皮秒 ‑纳秒超快泵浦探测系统包括用于放大探测脉冲I的成像物镜I和用于捕获探 测脉冲I的C CD I。 7.根据权利要求6所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述微秒 ‑秒高速摄像系统包括用于放大探测脉冲III的成像物镜II和用于捕获探测脉 冲III的高速摄 像机。 8.根据权利要求7所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述飞秒超快连续成像系统包括分束镜V、 分束镜VI、 分束镜VII、 反射镜VI、 CCD  II、 CCD  III、 CCD IV和CCD V； 所述探测脉冲V分别 被分束镜V、 分束镜VI、 分束镜VII分离， 分离后的 每个脉冲被对应的CCD  II、 CCD III和CCD  IV捕获； 所述探测脉冲V通过反射镜VI， 被CCD  V 捕获。 9.根据权利要求8所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系统， 其特征在 于， 所述纳秒 ‑毫秒ICCD连续成像系统包括用于捕获探测脉冲VI的IC CD和所述 光谱仪。 10.一种采用权利要求1～9任一所述的飞秒激光加工过程中多时间尺度连续观测的系 统的观测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 控制所述计算机开启所述飞秒激光光源， 所述飞秒激光光源发出一个高斯型飞秒脉权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115401348 A 2冲， 高斯型飞秒脉冲经过所述分束镜I， 分为两个脉冲； 其中一个作为泵浦脉冲， 依次经过所 述反射镜I、 反射镜II、 反射镜III、 反射镜IV， 到达所述脉冲整形系统， 整形后的泵浦脉冲经 过所述合束镜I， 再通过物镜或者平凸透 镜聚焦在所述样品的表面， 对其进行烧蚀加工； 另一脉冲作为探测脉冲， 首先经过分束镜II被分为探测脉冲 I和探测脉冲II； 所述探测 脉冲I经过所述倍频晶体改变激光波长， 再通过所述带通滤波片滤掉原有波长， 保留倍频后 的激光波长， 然后通过合束镜I改变传播方向， 继而透过所述样品， 携带样品信息的探测脉 冲I通过所述成像物镜I放大， 并最终被所述CCD  I捕获， 成像在所述计算机上， 通过调节光 路中探测脉冲I相对于所述泵浦脉冲的光 程， 实现皮秒 ‑纳秒量级的时间 间隔； 所述探测脉冲II经过所述分束镜III被分为探测脉冲III和探测脉冲IV， 其中， 所述探 测脉冲III经过所述 非线性晶体III后， 转变为连续谱的白光， 经过所述反射镜V改变方向后 透过所述样品， 携带样品信息的探测脉冲III被所述 成像物镜II放大， 并被所述高速摄像机 捕获， 采集照片的帧速率 为毫秒‑秒间隔； 所述探测脉冲IV通过所述分束镜IV被分为探测脉冲V和探测脉冲VI， 其中所述探测脉 冲V经过所述脉冲序列发生器产生具有 特定时间间隔、 不同激光波长的脉冲串， 透过所述样 品后， 携带样品不同时刻信息的脉冲串被具有特定截止波长的所述分束镜V、 分束镜VI、 分 束镜VII分离， 分离 出的每一个脉冲被对应所述CCD  II、 CCD III、 CCD IV和CCD V捕获， 每一 个脉冲的时间 间隔为百飞秒量级； 所述探测脉冲VI经过所述反射镜VII， 通过所述非线性晶体IV， 转变为连续谱的白光， 经过所述反射镜VIII， 透过所述样品后， 携带所述样 品信息的所述探测脉冲VI被所述ICCD 和所述光谱仪捕获， 采集图像和相对所述泵浦脉冲的时间间隔由所述ICCD自有门控控制， 时间范围为纳秒 ‑毫秒量级。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115401348 A 3