CN104913853A - 用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统。所述方法包括：步骤1：将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；步骤2：利用时间延迟可调的探针光来探测由泵浦光经聚焦后在透明介质中成丝而产生的等离子体通道；以及步骤3：接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。所述系统包括：分束器，其用于将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；聚焦器件，其用于使泵浦光聚焦以在透明介质中产生等离子体通道；光路延迟装置，其用于在探针光到达泵浦光形成等离子体通道区域之前调节探针光相对于泵浦光的时间延迟；以及摄像装置，其用于接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。

Description

用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统

技术领域

本发明涉及超强超短激光参数测量领域，特别是涉及用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统。

背景技术

近年来，飞秒激光技术的产生和发展为强场物理领域提供了强有力的技术支持。尤其是啁啾脉冲放大技术（CPA）和宽谱段掺钛蓝宝石激光放大晶体的应用使激光系统可以产生更短的脉冲宽度，进而获得极高的激光脉冲峰值功率。目前，在实验室能够得到的超短激光脉冲的峰值功率已经达到了拍瓦（PW）量级，聚焦后的峰值功率密度也已经超过10²¹W/cm²。在这样的超强超短激光与物质相互作用的过程中，激光脉冲的时间特性，特别是飞秒激光的脉冲前沿的状态，对相互作用的过程和结果具有显著的影响，直接关系着参与相互作用的物理过程。虽然在一般情况下，激光系统中预脉冲的强度比主脉冲要小几个数量级，但经过多级放大之后，其聚焦后的功率密度也可能达到10¹⁴～10¹⁵W/cm²量级，这样强度的背景激光足以在主脉冲激光到来之前与物质发生相互作用，产生预等离子体，从而破坏最初设计的物理实验条件。同时，由于预等离子体的不确定性和不可控性，其对真正研究的物理过程的影响也存在着不确定的因素，阻碍了实际研究工作的进行。因此，如何标定超强超短激光的时间特性，了解激光脉冲前沿预脉冲的情况就成为当前强场物理技术领域急需解决的问题。

目前，对于不同时间量级的预脉冲，测量的方法也不同，其中测量超短激光预脉冲的相关文献如下：

1.Laser Pulse Contrast Ratio Cleaning in100TW Scale Ti:SapphireLaser Systems,Laser Systems for Applications,Dr.Krzysztof Jakubczak(Ed.),ISBN:978-953-307-429-0,InTech(2011)。书中描述了纳秒时间尺度和百皮秒内时间尺度的预脉冲的测量方法。

2.Temporal contrast in Ti:Sapphire lasers:characterization and control,Marc Nantel et al.IEEE journal of selected topics in quantum electronics,vol.4,no.2(1998)。

3.On the temporal contrast of high intensity femtosecond laser pulses,K.Osvay et al.Laser and particle beams,23,327(2005)。

对以上书目及文献中描述的预脉冲测量方法归纳如下：

（1）对于纳秒时间尺度的预脉冲，使用超快光电二极管结合示波器进行测量。光电二级管一般选用高速硅光电二级管，上升时间约为1ns，大于典型预脉冲的脉冲宽度，因此光电二极管测量的能量值是整个预脉冲能量的积分值，而不是预脉冲强度峰值。

（2）对于百皮秒以内的皮秒激光预脉冲，使用三阶相关方法进行测量。使用三阶相关方法测量激光预脉冲的过程实际上是激光三次谐波产生和时间测量的过程。具体方法为将待测的激光经过非线性晶体倍频后产生二次谐波，然后设法使产生的二次谐波与基波分开，并在两者之间引入一定的时间延迟之后，再组合并聚焦在另一非线性晶体中产生三次谐波。当改变基波与二次谐波之间的时间延迟时，记录下三阶相关信号随时间的变化，经过计算即可得到入射激光在时间上的分布情况。

使用三阶相关方法可以准确地测得入射激光的预脉冲信息，但同时其也存在着应用上的限制：（a）测量过程中，待测激光需经过光学窗口和倍频晶体等透射光学元件，不可避免的在测量结果中引入光线经这些元件多次反射造成的虚假预脉冲；（b）典型的商用三阶相关仪可测量预脉冲的时间范围仅仅在主脉冲前数百皮秒，不能兼顾大于纳秒时间尺度的预脉冲测量；同时如果测量百皮秒量级的激光预脉冲，需要三阶相关仪对脉冲时间特性进行连续扫描，整个过程通常需要持续数个小时，因此对激光稳定性提出较高要求；（c）由于商用三阶相关仪光学元件损伤阈值的限制，在测量时通常关闭超强超短激光系统的多级泵浦放大装置，所测结果为种子激光或预放大的超短脉冲激光的预脉冲情况，并非实际物理实验所用超强超短激光的直接测量；（d）商用的三阶相关仪一般价格昂贵，而且三阶相关仪的使用，需要专业技术人员反复调节复杂的光路，使其工作在最佳状态，才能使测量结果准确，因此带来使用上的限制。

飞秒激光在介质中的传输是近年来超强超短激光领域研究的热点问题，代表性的文章如下：

1.The propagation of powerful femtosecond laser pulses in optical media:physics,applications,and new challenges,S.L.Chin et al.Can.J.Phys.83(9),863–905(2005)。

2.Ultrashort filaments of light in weakly ionized,optically transparentmedia,L.Berge et al.Rep.Prog.Phys.70(10),1633–1713(2007)。

3.Femtosecond filamentation in transparent media,A.Couairon et al.Phys.Rep.Rev.Sec.Phys.Lett.441,47–189(2007)。

发明内容

本发明的目的即是为了克服现有技术的不足，提供用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统。

在本发明的第一方面，提供了一种用于测量超强超短激光预脉冲的方法，包括：

步骤1：将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；

步骤2：利用时间延迟可调的探针光来探测由泵浦光经聚焦后在透明介质中产生的等离子体通道（成丝）；以及

步骤3：接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。

在一个实施例中，所述探针光可以为经非线性光学作用发生频率变换从而波长区别于泵浦光波长的探针光。

在一个实施例中，可以将激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离子体通道所需调节的时间延迟确定为预脉冲在激光脉冲中的时间位置。

在一个实施例中，可以将激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

在另一个实施例中，可以将激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

在本发明的另一方面，提供了一种用于测量超强超短激光预脉冲的系统，包括：

分束器，其用于将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光，

聚焦器件，其用于使泵浦光聚焦以在透明介质中产生等离子体通道；

光路延迟装置，其用于在探针光到达泵浦光形成的等离子体通道区域之前调节探针光相对于泵浦光的时间延迟；以及

摄像装置，其用于接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。

在一个实施例中，所述系统还可以包括非线性光学元件，其中探针光在经过光路延迟装置之前还经过所述非线性光学元件，发生频率变换，产生波长区别于泵浦光波长的探针光。

在一个实施例中，激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离子体通道所需调节的时间延迟可以被确定为预脉冲在激光脉冲中的时间位置。

在一个实施例中，激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比可以被确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

在另一个实施例中，激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比可以被确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

利用本发明的方法和系统，能够方便且精确地测量超强超短激光的预脉冲。

附图说明

以下参照附图对本发明的实施例进行进一步说明，其中：

图1示出了根据本发明实施例的用于测量超短激光预脉冲的方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的用于测量超强超短激光预脉冲的系统；

图3示出了根据本发明另一实施例的用于测量超强超短激光预脉冲的系统；

图4示出了利用图2所示的系统对激光预脉冲的测量结果，其中（a）示出了激光脉冲能量被调节到16.5mJ时的测量结果，（b）示出了激光脉冲能量被调节到38mJ时的测量结果；以及

图5示出了利用常规的三阶相关仪对激光预脉冲进行测量的结果。

具体实施方式

本发明利用超强超短激光在透明介质中形成等离子体通道的现象来测量超强超短激光的预脉冲状况（主要是预脉冲与主脉冲相对大小和时间间隔）。

当飞秒激光脉冲在介质中传播时，因自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡使激光束在介质中形成较长的等离子体细丝分布。理论研究表明，飞秒激光在介质中产生等离子体通道的先决条件是激光在介质中产生非线性效应，即飞秒激光的功率（代表了激光强度）大于介质中对应的自聚焦阈值功率。对于高斯光束来说，介质中自聚焦阈值功率的表达式如下：

$P_{\mathrm{cr}}=3.77{{\mathrm{\λ}}_0}^2/8\mathrm{\π}{n}_0{n}_2$

其中，λ₀是激光波长，n₀是此激光波长对应的介质线性折射率，n₂是介质非线性折射率系数，与介质的三阶极化率相关。

因此只有激光功率大于介质中自聚焦阈值功率，才有可能产生激光等离子体细丝。这个功率阈值为标定主脉冲和预脉冲的相对强度提供了依据。

飞秒激光的脉冲宽度在百飞秒以内，激光脉冲本身即可作为超快测量的探针光。利用激光泵浦探测方法，结合精密控制平移台的控制，即可以探测探针光经历区域，不同时刻的变化，进而得到预脉冲相对主脉冲的时间间隔。

探针光的时间分辨率取决于探针光的脉冲宽度和光路延迟系统的控制精度两者中的较大者。脉冲宽度一般在百飞秒的飞秒激光经过倍频晶体产生探针光，造成探针光时域上的扩展，脉冲宽度也在亚皮秒量级；而光路延迟系统采用精密电控平移台，位移控制精度可达10μm，则对应的最小时间分辨为33fs。因此，此处探针光的时间分辨率由探针光的脉冲宽度所决定。

图1示出了根据本发明实施例的用于测量超短激光预脉冲的方法的流程图。

在步骤101中，将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；

在步骤102中，利用时间延迟可调的探针光来探测由泵浦光经聚焦后在透明介质中产生的等离子体通道；以及

在步骤103中，接收经等离子体通道之后的探针光以监测等离子体通道。

图2示出了根据本发明实施例的系统20。如图2所示，待测飞秒激光被导入系统20后，首先经过例如透反比为1/9的激光分束镜21分成两部分：反射光依次经过反射镜M1-M3后作为泵浦光，在经例如焦距为100mm的透镜22聚焦在空气中，在焦点附近形成等离子体通道；透射光通过光阑A选取均匀部分，在经过非线性光学元件（例如，图2所示的KDP晶体）后发生频率变换产生波长与泵浦光波长不同的探针光，对由泵浦光产生的等离子体通道进行探测。探针光与泵浦光之间的时间延迟由光路延迟装置23调节。探针光在经过等离子体通道之后由摄像装置24接收，通过拍摄到的阴影像来观察泵浦光成丝情况。能量计25位于反射镜M1之后，接收微弱的透射光以用于实时监测激光的能量。

图3示出了根据本发明实施例的用于测量超强超短激光预脉冲的系统30，与系统20相比，系统30不包括非线性光学元件。

如图3所示，待测的超强飞秒激光被导入系统30后，经分束器31分成两束：反射光经反射镜M后作为泵浦光，在经适当的聚焦器件例如透镜32聚焦后在透明介质中产生等离子体通道；透射光作为探针光对由泵浦光产生的等离子体通道进行探测。探针光与泵浦光之间的时间延迟由光路延迟装置33调节。探针光在经过等离子体通道之后由摄像装置34接收，获得清晰的阴影像。可选地，光路延迟装置例如为平移台，可以包括大动态范围平移台，其移动范围达到例如米级以上；以及精密控制平移台，其移动精度达到例如10μm。利用所述平移台，可以根据需要在纳秒时间尺度和亚皮秒时间尺度上调节探针光与泵浦光之间的时间延迟，从而监测在不同时刻泵浦光的成丝情况。

本发明人利用本发明的系统测量了中国科学院物理研究所光物理实验室的极光II号飞秒激光的预脉冲情况，其中，激光脉冲宽度约为60fs，中心波长约为800nm，重复频率为10Hz。图4示出了利用图2所示的系统对激光预脉冲的测量结果，其中（a）示出了激光脉冲能量被调节到16.5mJ时的测量结果，（b）示出了激光脉冲能量被调节到38mJ时的测量结果。

在操作中，调节光路延迟装置，使探针光在泵浦光之前到达泵浦光将聚焦成丝的区域，并扫描泵浦光到来之前焦点附近等离子体细丝的情况；然后通过光路延迟装置来控制探针光与泵浦光之间的时间延迟，并记录激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离子体通道所需调节的时间延迟，即为预脉冲与主脉冲的时间间隔。测量结果如图4所示，在合适的激光脉冲能量下，此飞秒激光装置在主激光到来前约1.4ps处总有一个预脉冲。

然后，在此时间点由小到大改变入射激光的能量，记录要研究的预脉冲形成等离子体通道对应的最小激光脉冲能量。如图4（a）所示，当激光脉冲能量被调节到16.5mJ时，预脉冲刚刚能够在焦点附近成丝，并且大于此能量均能够看到清晰的预脉冲成丝现象，例如图4（b）示出了激光脉冲能量被调节到38mJ时的成丝情况。计算激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比，即为激光预脉冲与主脉冲的大小之比，此处约为10^-2。

图5示出了利用常规的三阶相关仪对激光预脉冲进行测量的结果。利用三阶相关仪对激光预脉冲进行扫描，如图5所示，在主脉冲到来之前1.4ps左右确实也有一个明显的预脉冲，且预脉冲与主脉冲的大小之比也在10^-2量级。

由此可见，利用本发明的方法所测的预脉冲的位置和大小与使用三阶相关仪测得的结果基本一致。

在一个实施例中，预脉冲与主脉冲的大小之比也可以通过计算激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比来确定。以这种方式，能够提高实际测量的预脉冲与主脉冲大小之比与三阶相关仪测得数据的契合度。

在一个实施例中，泵浦光成丝介质可以为水或者石英等凝聚态物质，这时飞秒激光在这些介质中的自聚焦阈值发生变化，可使用更小的激光能量进行测量。

在一个实施例中，可以在泵浦光光路上添加能量连续可调的元件。如用两个线偏振片组合，可以实现激光能量的连续可调。

在一个实施例中，可以针对物理实验要求实现激光对比度即主脉冲与预脉冲之比的快速判定测量。在操作中，针对物理实验对激光对比度的要求，设置主脉冲的激光能量为激光在介质中的自聚焦阈值与预定激光对比度的乘积，然后对激光脉冲的前沿进行时间扫描，如果在扫描时间范围内未出现激光成丝现象，则表明激光条件满足预定对比度的要求，而如果在扫描时间范围内发现激光成丝现象，则表明激光条件不满足预定对比度的要求。以此，即可在实验前对具体的激光对比度条件进行快速判定。

利用本发明的方法和系统，实现了对超强超短激光预脉冲方便且精确的测量。

最后所应说明的是，以上实施例及典型参数仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于测量超强超短激光预脉冲的方法，包括：

步骤1：将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；

步骤2：利用时间延迟可调的探针光来探测由泵浦光经聚焦后在透明介质中产生的等离子体通道；以及

步骤3：接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探针光为经非线性光学作用发生频率变换从而波长区别于泵浦光波长的探针光。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离子体通道所需调节的时间延迟确定为预脉冲在激光脉冲中的时间位置。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

6.一种用于测量超强超短激光预脉冲的系统，包括：

分束器，其用于将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；

聚焦器件，其用于使泵浦光聚焦以在透明介质中产生等离子体通道；

光路延迟装置，其用于在探针光到达泵浦光形成等离子体通道区域之前调节探针光相对于泵浦光的时间延迟；以及

摄像装置，其用于接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括非线性光学元件，其中探针光在经过光路延迟装置之前还经过所述非线性光学元件，发生频率变换，产生波长区别于泵浦光波长的探针光。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离子体通道所需调节的时间延迟被确定为预脉冲在激光脉冲中的时间位置。

9.根据权利要求6或7所述的系统，其中，激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比被确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。

10.根据权利要求6或7所述的系统，其中，激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比被确定为预脉冲与主脉冲的大小之比。