CN103887693A - 超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法 - Google Patents

Abstract

一种超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法，本发明通过使用两束飞秒脉冲光由同源飞秒脉冲分束而成的方法，可有效解决飞秒脉冲间的时间抖动问题，同时运用频谱干涉方法可以在飞秒(fs)精度内控制测量并监控两同源飞秒脉冲间的延时。此方法可结合激光等离子尾波场电子加速机制，可有效解决当前传统射频X射线自由电子激光器(X-FEL)难以解决的注入信号与电子束时间同步的问题，此方法由于注入信号和电子束均由同源飞秒脉冲产生激发，因此只需控制被分束的飞秒脉冲间的延时，即可实现注入种子源的有效注入。

Description

超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲，特别是一种超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法。

技术背景

传统的可调光延时的实现方法主要有如下几种：光延时线加光开关(Yan L S,etal.,Opt.Networking6,13,2007)、自由空间型(Yang T T,et al.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.2912,2011)、光纤光栅型(Italia Vet al.,IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.11408,2005)等。这些方案存在系统复杂、稳定性差和精确度低等缺点，只能运用于光纤内低能长脉宽脉冲的光信号的延时调控，对于飞秒光脉冲的延时控制不适用。

作为实现高亮度飞秒级极紫外波段相干光源的主要技术路线，X射线自由电子激光器(X-FEL)是世界各国科学家一直关注和研究的热点。2009年，2011年美国和日本分别研制成功了基于传统射频电子加速器的波长达到埃量级的高亮度X-FEL装置——LCLS和SACLA装置（Fuchs,M.,et al.,Nature Physics5,826,2009;TadashiTogashi et al.,,Opt.Express19,317,2011）。X-FEL一般是采用自放大的自发辐射机制（SASE），输出激光信号空间上是完全相干的，但输出脉冲的时间结构不稳定，时间相干性差。为了解决这个问题，2008年，G.Lambert等将波长为800nm的超强飞秒激光的5次谐波(160nm)作为种子脉冲注入到SPring-8Compact SASE Source试验加速器中，获得了超过三个数量级的放大和完全相干的输出，并且消除了输出脉冲的时间抖动（G.Lambert et al.,Nature Physics4,296,2008）。最近，E.Takahashi等进一步将13次谐波（61.2nm）作为种子脉冲注入到FEL中，获得了650倍的放大效果，SASE过程产生的随机尖峰也被大大抑制。但是，仍存在难以解决的注入信号与电子束时间同步的问题。所以，T.Togashi等人的实验中仅获得1%的有效注入。

发明内容

本发明的目的在于解决上述传统延时运用飞秒激光脉冲间延时控制精度问题上的缺陷，提出一种超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法，该方法对两同源飞秒脉冲间的延时进行同步控制，可控制飞秒激光脉冲间延时达到在飞秒(fs)精度。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法，特征在于包括下列步骤：

①先用二阶自相关仪和定标好的光谱仪测出第一飞秒脉冲光的脉宽τ₀和谱宽W_FWHM及飞秒脉冲光的中心波长λ₀；

②建立监控光路：第一飞秒激光脉冲光经气池后通过反射镜反射到薄膜分束片上，然后被所述的薄膜分束片反射进入光栅光谱仪，第二飞秒激光脉冲光通过延时器，然后透过所述的薄膜分束片进入所述的光栅光谱仪与所述的第一飞秒激光脉冲光发生频谱干涉，所述的第二飞秒激光脉冲与第一飞秒家光脉冲具有相同的脉宽τ₀和相同的中心波长λ₀；

③确定脉冲光的前后：细调所述的延时器，使所述的光栅光谱仪出现多条频谱干涉条纹，开启所述的气池(1)喷嘴开始喷气，干涉条纹图样受气流影响区域条纹间距变小，则所述的第一飞秒激光脉冲在后，得到顺序因子A=-1，否则所述的第一飞秒激光脉冲在前，顺序因子A=1；设定期望延时τ′，由下列公式定义：

τ′=t_a-t_b

其中，t_a为所述的第一飞秒激光脉冲光到达所述的光栅光谱仪的时刻，t_b为所述的第二飞秒激光脉冲光到达所述的光栅光谱仪的时刻；

④用所述的光栅光谱仪记录所述的第一飞秒脉冲光和所述的第二飞秒脉冲光的频谱干涉图样；

⑤获得频谱干涉图样后取各条纹光强极大值处对应光谱波长，相邻光强主极大对应波长依次相减得到相同的条纹间距Δλ，通过下列公式计算所述的第一飞秒脉冲光和所述的第二飞秒脉冲光之间的延时：

$\mathrm{\τ}\≈A\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{c\Δ\λ}};$

⑥将测量延时τ与期望延时τ′进行比较；当测量延时τ小于期望延时τ′，则进入步骤⑦，当测量延时τ大于期望延时τ′，则进入步骤⑧，当测量延时τ等于期望延时τ′，则进入步骤⑨；

⑦调节所述的延时器(3)，减小所述的第二飞秒激光脉冲的光程，返回步骤④；

⑧调节所述的延时器(3)，增大所述的第二飞秒激光脉冲的光程，返回步骤④；

⑨结束。

所述的气池为含有喷气嘴的开放、或半开放或封闭的毫米到厘米尺度的固体腔室结构，连接气瓶可提供0～50bar的气流。

所述的延时器由四面平面反射镜组成，通过平移台控制延时器，延时控制精度为0.4fs。

本发明的优点：

1、监控调整实施简单。为监控两脉冲的延时不需额外购置或搭建其他设备，只需用一般超快实验室都具备的光栅谱仪即可完成监控测量。

2、精度高。测量精度主要受飞秒脉冲的脉宽决定，一般条件可以达到43fs及更高分辨率。

附图说明

图1是本发明监控装置示意图

图2是飞秒脉冲光中心波长λ₀=800nm、脉宽τ₀=30fs条件下谱形因子与波长关系图像

图3是飞秒脉冲光中心波长λ₀=800nm、脉宽τ₀=30fs且两飞秒脉冲光延时τ=0～0.5ps条件下的各频谱干涉图样

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明监控装置图。第一飞秒激光脉冲光a经气池后通过反射镜反射到薄膜分束片上，然后被所述的薄膜分束片反射进入光栅光谱仪，第二飞秒激光脉冲光b通过延时器，然后透过薄膜分束片进入光栅光谱仪与第一飞秒激光脉冲光a发生频谱干涉。本发明方法的原理如下：

高斯分布的飞秒脉冲光场可以表示为：

E₁(t)=A₁ex_p(-a₀t²)exp(jω₀t)               （1）

其中

τ₀为fs脉冲宽度，ω₀为脉冲光光谱的中心波长。如果在进入光谱仪后两个脉冲光的延时为τ，则第二个同源飞秒脉冲光可表示为：

E₂(t-τ)=A₂ex_p[-a₀(t-τ)²]exp[jω₀(t-τ)]       （2）

两束光经过光谱仪后在频域的干涉图样为：

$I\left(\mathrm{\ω}\right)={|{\tilde{E}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)+{\tilde{E}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)|}^2---\left(3\right)$

其中

分别为E₁(t)和E₂(t)的傅立叶变换：

${\tilde{E}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)=A_1\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{a_0}}\exp (-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2}{{4a}_0})---\left(4\right)$

${\tilde{E}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)=A_2\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{a_0}}\exp (-\mathrm{i\ω\τ})\exp (-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2}{{4a}_0})---\left(5\right)$

将(4)、(5)代入(3)式可以得到：

由上式可得为了判断脉冲光的时间前后可在任意一路上对脉冲光局部光斑引入相移

由频谱干涉条纹的弯曲方向即可确定哪束光在前。

对于同强度同偏振的两个飞秒脉冲光，有A₁=A₂=A₀，且光传播过程中不发生相移即

则：

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{a_0}{A}_0^2\exp (-\frac{1}{{2a}_0}{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2)[1+\cos \left(\mathrm{\ω\τ}\right)]---\left(7\right)$

将ω转化为λ，由关系ω=2πcλ结合(8)可得：

$\begin{array}{c}I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{a_0}{A}_0^2\exp [-\frac{{2\mathrm{\π}}^2{c}^2}{a_0}{(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0})}^2][1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\πc\τ}}{\mathrm{\λ}}\right)]\\ =I_0{f}_1\left(\mathrm{\λ}\right)f_2\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}$

$---\left(8\right)$

其中，f₁(λ)=exp[(-2π²c²/a₀)(1/λ-1/λ₀)²]，f₂(λ)=1+cos(2πcτ/λ)。如图2为f₁(λ)在τ₀=30fs，λ₀=0.8μm时的图像，显然为频谱干涉图样的强度轮廓，加上干涉调制因子f₂(λ)，则有F(λ)=f₁(λ)f₂(λ)，取延时τ=0.2ps，则F(λ)图像如图3中τ=200fs时对应F-λ关系图像所示。可见频谱干涉条纹的间距由调制因子f₂(λ)确定，其周期为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{c\τ}}\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{c\τ}}---\left(9\right)$

其中λ₀=2πc/ω₀，为fs脉冲光的光谱中心波长。由(9)式可知，只要在光谱仪上测定频谱干涉条纹的间距Δλ，即可推算出两个脉冲光的延时

应特别注意两束光在进入光谱仪时应尽量平行进入，以保证频谱干涉条纹间距受两束光的夹角影响较小。

在本实施例中：

所述的气池1为含有喷气嘴的半开放2mm*2mm的方形硬铝腔室结构，前后壁相同位置开小孔保证激光通过，可购买，连接气瓶可提供0～50bar的气流。

所述的延时器3由四面平面反射镜组成，镀入射角45°中心波长800nm增反膜，通过平移台控制延时器可在0.4fs精度控制延时。

所述的薄膜分束片4为700-900nm镀膜、分光比为45:55，材料为硝酸纤维素，可购买。

所用钛宝石激光器的脉宽通过二阶自相关仪测定为30fs，用光谱仪测得频谱宽度为50nm，中心波长800nm。

所使用的光谱仪，其波长分辨率在0.6nm左右，对于中心波长为800nm的脉冲光，令Δλ_m=0.6nm，有：

${\mathrm{\τ}}_M\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{c\Δ}{\mathrm{\λ}}_m}=3.56\mathrm{ps}---\left(10\right)$

可见该条件下的有效控制延时在3.56ps内，且波长越大，可控延时越长。对于λ₀=800nm、τ₀=30fs条件下的可控延时下限，可通过Δλ与光谱图宽度W_FWHM比较获得，而W_FWHM可在实验室由光栅光谱仪测得，约为50nm，令W_FWHM=Δλ_M，可得：

${\mathrm{\τ}}_m\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{c\Δ}{\mathrm{\λ}}_M}=43\mathrm{fs}---\left(11\right)$

因此，对于中心波长和脉宽分别为λ₀=800nm、τ₀=30fs的延时有效调控范围为：43fs～3.56ps，在空间尺度为：13μm～1.068mm。且由于脉冲光脉宽越短W_FWHM越大，因此脉冲光脉宽越窄，τ_m越小，该方法适用范围越广，精度越高。

对于τ_m的取值可使用模拟进行进一步验证，由于条纹宽度接近光谱宽度，此时无法观察到很多条频谱干涉条纹，如图3所示，显然τ<43fs时光谱条纹已不可分辨。

Claims (3)

1.一种超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法，特征在于包括下列步骤：

①先用二阶自相关仪和定标好的光谱仪测出第一飞秒脉冲光(a)的脉宽τ₀和谱宽W_FWHM及飞秒脉冲光(a)的中心波长λ₀；

②建立监控光路：第一飞秒激光脉冲光(a)经气池(1)后通过反射镜(2)反射到薄膜分束片(4)上，然后被所述的薄膜分束片(4)反射进入光栅光谱仪(5)，第二飞秒激光脉冲光(b)通过延时器(3)，然后透过所述的薄膜分束片(4)进入所述的光栅光谱仪(5)与所述的第一飞秒激光脉冲光(a)发生频谱干涉，第二飞秒激光脉冲(b)与第一飞秒家光脉冲(a)具有相同的脉宽τ₀和相同的中心波长λ₀；

③确定脉冲光的前后：细调所述的延时器(3)，使所述的光栅光谱仪(5)出现多条频谱干涉条纹，开启所述的气池(1)喷嘴开始喷气，干涉条纹图样受气流影响区域条纹间距变小，则所述的第一飞秒激光脉冲(a)在后，得到顺序因子A=-1，否则所述的第一飞秒激光脉冲(a)在前，顺序因子A=1；设定期望延时τ′，由下列公式定义：

τ′=t_a-t_b

其中，t_a为所述的第一飞秒激光脉冲光(a)到达所述的光栅光谱仪(5)的时刻，t_b为所述的第二飞秒激光脉冲光(b)到达所述的光栅光谱仪(5)的时刻；

④用所述的光栅光谱仪(5)记录所述的第一飞秒脉冲光(a)和所述的第二飞秒脉冲光(b)的频谱干涉图样；

⑤获得频谱干涉图样后取各条纹光强极大值处对应光谱波长，相邻光强主极大对应波长依次相减得到相同的条纹间距Δλ，通过下列公式计算所述的第一飞秒脉冲光(a)和所述的第二飞秒脉冲光(b)之间的延时：

$\mathrm{\&tau;}\&ap;A\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0^2}{\mathrm{c\&Delta;\&lambda;}};$

⑥将测量延时τ与期望延时τ′进行比较；当测量延时τ小于期望延时τ′，则进入步骤⑦，当测量延时τ大于期望延时τ′，则进入步骤⑧，当测量延时τ等于期望延时τ′，则进入步骤⑨；

⑦调节所述的延时器(3)，减小所述的第二飞秒激光脉冲(b)的光程，返回步骤④；

⑧调节所述的延时器(3)，增大所述的第二飞秒激光脉冲(b)的光程，返回步骤④；

⑨结束。

2.根据权利要求1所述的超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法，其特征在于所述的气池(1)为含有喷气嘴的开放、或半开放或封闭的毫米到厘米尺度的固体腔室结构，连接气瓶可提供0～50bar的气流。

3.根据权利要求1所述的超短激光脉冲飞秒量级延时同步方法，其特征在于所述的延时器(3)由四面平面反射镜组成，通过平移台控制延时器，延时控制精度为0.4fs。

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