CN101858789B - 测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置，该装置包括进气系统、真空腔、泵组和信号采集卡，真空腔与泵组相连，包括探测腔和反应腔，反应腔位于探测腔中心处，将光束聚焦到反应腔内，气体在光场的作用下被电离，光电离电子反向经反应腔两侧小孔射出，探测腔连有两个微通道板探测器，射出的光电离电子分别飞向各自的微通道板探测器，在微通道板探测器上形成脉冲电流，用信号采集卡记录上述脉冲电流信号，从而计算出超短激光脉冲的载波包络相位。本发明利用光电离的反方向对称性可测得载波包络相位，结构紧凑、灵敏度和精确度高。

Description

测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种测量超短激光脉冲的载波包络绝对相位的装置。

背景技术

锁模技术出现后，脉冲激光成为了激光器的一个主要种类。超短脉冲的潜在应用有化学反应控制，高速电子测量，光通信，生物医学，材料加工，时间计量。近年来，激光脉冲一直向光谱更宽，脉宽更短发展。对于超短脉冲，特别是少于两个光学周期的脉冲，光场的时间变化与光脉冲载波包络相位紧密相关，因此，在依赖于场强的强激光与物质相互作用，阿秒脉冲产生，等领域中，载波包络绝对相位的信息有利于研究电子运动的相位效应。目前，基频倍频自参考法利用红边带倍频与蓝边带差频，可以用来测量和锁定载波包络的频率偏差，信号反馈到控制振荡器抽运光功率后，可以稳定光脉冲的载波包络相位。此外，单脉冲非线性光谱干涉可以反映放大脉冲与脉冲之间的相位变化。用于测量短脉冲的自参考电场重建法可以给出频谱成分的相对相位。但是这些方法都没有给出光脉冲的载波包络绝对相位。而利用光电离电子的不对称性可以判断超短脉冲场的不对称性，从而确定其载波包络绝对相位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种装置，可利用光电离的反方向对称性测量载波包络相位。

本发明提供的装置包括进气系统、真空腔、泵组和信号采集卡，所述真空腔包括探测腔(3)和反应腔(4)，分别与泵组相连，反应腔(4)位于探测腔(3)中心处，将光束聚焦到反应腔(4)内，气体在光场的作用下被电离，光电离电子反向经反应腔(4)左右两侧(沿光的传播方向)小孔射出，探测腔(3)连有两个微通道板探测器(6)，射出的光电离电子分别飞向各自的微通道板探测器(6)，在微通道板探测器(6)上形成脉冲电流，用信号采集卡记录上述脉冲电流信号，从而计算出超短激光脉冲的载波包络相位。

进气系统包括微漏阀(11)和中空直线驱动器(5)。微漏阀(11)有一进气真空法兰，一旋钮可以控制进气量以及关闭进气通道，微漏阀(11)还连接着一根带微孔的进气长细管。中空直线驱动器(5)为可伸缩的直短管，两端是CF真空法兰接口，侧旁有一旋钮调节短管长度并带有标度。

探测腔(3)为立方体，六面各带有CF真空法兰接口。反应腔(4)是一块材料实体，其左面，右面，顶面各带一个小孔，中间穿插一根中空长细管，长细管中心与实体中心重合，中心处管壁有三个小孔与实体的三个小孔对应。另外反应腔(4)的材料实体左右两面各装有两片薄片形电极。

分子泵(10)为涡轮分子泵，要求真空度达到10^-7torr以上。机械泵(9)抽速更大，真空度在10^-4torr以上。

微通道板探测器(6)增益为5E+7倍以上。

微漏阀(11)与中空直线驱动器(5)由真空法兰密闭相连。中空直线驱动器(5)与探测腔(3)顶面由真空法兰密闭连接。微漏阀(11)相接的带微孔进气长细管，穿过中空直线驱动器，延伸到探测腔(3)内中心处的反应腔(4)，管上微孔气体出口对准激光焦斑处，位于整个反应腔体的中心。由于气体密度直接影响到光电离电子数量，微漏阀(11)可用于精密控制气体的进入量，使得光电离电子数适合于信号探测与分析。中空直线驱动器(5)用于控制带微孔进气长细管的微孔位置。探测腔(3)后面中心处由真空法兰接玻璃窗口，前面中心处由真空法兰接三通转机械泵，左右两面中心处各由真空法兰接一个微通道板探测器(6)，上面接进气系统的中空直线驱动器(5)，下面接分子泵(10)。反应腔(4)位于探测腔中心处，反应腔(4)的中空长细管位于探测腔(3)中间，与入射光束平行。它顶侧一孔与进气长细管微孔相接，另外在左、右两侧各有一小孔用于光电离电子飞入探测腔(3)。反应腔(4)的中空长细管前端通过固定支架密闭接到探测腔(3)的后面窗口，前端再由固定支架密闭接到探测腔前面真空法兰接口，并通过三通与机械泵(9)相连通。反应腔(4)是一个分子密度相对较高的真空，适合于阈上电离。探测腔(3)是一个与反应腔(4)相隔离的高真空腔，有利于自由电子飞行。在探测腔(3)中，电子飞向微通道板探测器(6)时，经过低负电势，零电势两个反应腔侧面的电极。微通道板探测器(6)对光电离电子进行放大，输出电流信号。电流信号通过放大器(7)，由数据采集卡(8)采集到计算机分析。

本装置的运行过程如下：

机械泵和分子泵启动后将腔体空气抽出，形成真空。气体从微漏阀进入，通过长细管的微孔进入反应腔。调节中空直线驱动器使长细管微孔对应反应腔中心。调节凹面聚焦镜将光束通过反应腔中空长细管，聚焦到反应腔中心，与进入气体作用。气体在光场的作用下被电离，光电离电子从两边飞向微通道板探测器，微通道板探测器输出脉冲电流，用信号采集卡记录电流脉冲信号。本发明利用光电离的反方向对称性，对测得的电流信号计算得到光脉冲的载波包络相位信息。

信号采集同时记录电流脉冲的时间，可以实现测量电子飞行时间的功能，能得到电子能谱。

本发明结构紧凑，灵敏度和精度都高。可用于超快光脉冲表征，电子动力学分析。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

1--飞秒脉冲激光器；2--楔形镜；3--探测真空腔；4--反应真空腔；5--中空直线驱动器；6--微通道板探测器；7--电流放大器；8--信号采集及信号分析；9--机械泵；10--分子泵；11--微漏阀；12--凹面聚焦镜。

具体实施方式

下面用一个具体的实施例来对本发明做进一步的阐述。

测量中心波长为780nm的5fs激光脉冲载波包络相位.

如图1所示，探测腔3是一个120mm×120mm×120mm立方体。正方体的六面中心加工有法兰接口。顶端法兰接口接进气系统。左、右两侧法兰接口接微通道板探测器6。前端接石英窗口。后端经过三通接石英窗口和机械泵9。底端法兰接分子泵10。为了使微通道板探测器6正常工作，探测腔的真空度要达到10^-6Torr。本装置使用了70升，1500转的分子泵10，真空度可达到10^-7Torr。顶端的进气系统装有微漏阀11，中空直线驱动器5和带微孔长细管，将气体导入反应腔4内。微漏阀11可精密控制进气量，使得反应腔内气压在10^-3Torr，从而可在300uJ的激光脉冲下产生高能电子。本装置采用氙气，由于其电离能较低，有利于发生光电离。反应腔4与探测腔3后端相连，并接到机械泵9，将多余的气体排出。探测腔3前端的石英窗口装有对中心波长780nm的光脉冲宽带透过镀膜窗片，作为光束进入口。飞秒激光器1输出中心波长780nm，300uJ，5fs的无啁啾脉冲，重复频率3kHz。光束经过楔形镜2，由凹面聚焦镜12聚焦后透过圆形石英玻璃窗片，平行进入带有直径6mm的长细管的真空反应腔4。聚焦后光束焦斑约为10μm，对应的场强达到6E14W/cm²。调节宽带高反镜和凹面聚焦镜使激光束焦点位于反应腔中心。反应腔4的长细管上面，左面，右面各有一个直径1mm大小的小孔。长细管中心与实体中心重合，中心处管壁有三个小孔与实体的三个小孔对应。反应腔4的顶孔用于进气。左、右两边小孔用于光电离电子飞出。反应腔4接地，在其左右两侧各装有两个薄板电极，分别接到-15V和零电势。光电离电子必须从薄板中间经过这两个电势到达微通道板探测器6。这两个电极可以选择要探测的电子能量。负电极的电压可调，以便于选择要观测的电子能量。左右两侧的微通道板探测器6是相同的。微通道板的前面安装有铜栅网，直径20mm，125μm微孔，并连接地。微通道板输入输出加有直流稳压高压2000V，增益放大倍数是10E6。两路微通道板交流耦合输出的弱信号经过电流放大器7进入信号采集卡8。电流放大器可选增益倍数为100/200/500/1000，将pA，mV量级的电信号放大到1V到5V。对于3KHz重复频率的激光脉冲，信号采集卡采样率采用1GS/s。信号采集卡8的数据由计算机收集和分析。在计算机上基于LabView编写程序处理控制信号采集卡读数，调节好信号的采样幅度，累计脉冲电流的数目(即光电离电子数目)，计算出载波包络的相位。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置，其特征在于，包括进气系统、真空腔、泵组和信号采集卡，真空腔与泵组相连，真空腔包括探测腔(3)和反应腔(4)，反应腔(4)位于探测腔(3)中心处，将光束聚焦到反应腔(4)内，气体在光场的作用下被电离，光电离电子反向经反应腔(4)两侧小孔射出，探测腔(3)连有两个微通道板探测器(6)，射出的光电离电子分别飞向各自的微通道板探测器(6)，在微通道板探测器(6)上形成脉冲电流，用信号采集卡(8)记录上述脉冲电流信号，从而计算出超短激光脉冲的载波包络相位。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进气系统包括微漏阀(11)和中空直线驱动器(5)，中空直线驱动器(5)为可伸缩的直短管，微漏阀(11)与中空直线驱动器(5)由真空法兰密闭相连，中空直线驱动器(5)与探测腔(3)顶面由真空法兰密闭连接，与微漏阀(11)相接的一带微孔进气长细管，穿过中空直线驱动器(5)，延伸到反应腔(4)，进气长细管上微孔气体出口对准激光焦斑处，位于整个反应腔(4)的中心。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，探测腔(3)为立方体，六面各带有CF真空法兰接口，顶端法兰接口接进气系统，左、右两侧法兰接口各接有微通道板探测器(6)，前端接石英窗口，后端经过三通接石英窗口和机械泵(9)，底端法兰接分子泵(10)。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，反应腔(4)是一块材料实体，其左面、右面、顶面各带一个小孔，中间穿插一根中空长细管，长细管中心与实体中心重合，中心处管壁有三个小孔与实体的三个小孔对应，反应腔(4)顶侧孔与进气长细管的微孔相接，另外在左、右两侧孔用于光电离电子射出，在反应腔(4)的材料实体左右两面各装有两片薄片形电极。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，分子泵(10)为涡轮分子泵，其真空度达到10^-7torr以上。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，机械泵(9)的真空度在10^-4torr以上。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，微通道板探测器(6)增益为5E+7倍以上。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两路微通道板探测器(6)输出的信号经过电流放大器(7)进入信号采集卡(8)。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由飞秒激光器(1)输出光束，该光束经过楔形镜(2)，由凹面聚焦镜(12)聚焦后进入反应腔(4)中心。

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