CN105222889B - 一种强激光功率密度的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强激光功率密度的测量装置，依次包括激光器、聚焦透镜和真空腔，所述真空腔设有进气管和真空泵，所述进气管连接有储气瓶和喷嘴，所述喷嘴具有极性分子喷流，所述真空腔连接有软X射线摄像头，所述真空腔设有进光窗口和铝膜，所述进光窗口与铝膜相对，且所述进光窗口与聚焦透镜相邻，所述铝膜与软X射线摄像头相邻。本发明可应用于强激光功率密度的实时检测等领域，弥补了传统激光功率密度检测器无法检测强激光功率密度的空白。
Description
技术领域
本发明是一种强激光功率密度的测量装置及测量方法，适用于激光功率密度超过1×1013 W/cm2的强激光功率密度检测等领域，弥补了传统激光功率密度检测器无法检测激光功率密度超过1×1013 W/cm2的空白。
背景技术
目前市场上尚未有检测激光功率密度超过1×1013 W/cm2的强激光功率密度测量器，这是由于传统的测量器探头多为半导体或晶体等固态探头，该类固态探头无法承受功率密度超过1×1013 W/cm2的强激光，否则将造成探头的烧灼损坏。
有基于此，本发明提出了一种强激光功率密度的测量装置及其测量方法，利用气体分子的强场物理现象与强激光的功率密度的相关性，通过不同强激光功率密度下出现不同的分子取向、分子电离和高次谐波等现象，可有效判断出强激光的实时功率密度。
发明内容
针对现有技术的上述技术问题，本发明的目的是提供一种强激光功率密度的测量装置，并提供了该测量装置的测量方法，可应用于强激光功率密度的实时检测等领域，弥补了传统激光功率密度检测器无法检测强激光功率密度的空白。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种强激光功率密度的测量装置，依次包括激光器、聚焦透镜和真空腔，所述真空腔设有进气管和真空泵，所述进气管连接有储气瓶和喷嘴，所述喷嘴具有极性分子喷流，所述真空腔连接有软X射线摄像头，所述真空腔设有进光窗口和铝膜，所述进光窗口与铝膜相对，且所述进光窗口与聚焦透镜相邻，所述铝膜与软X射线摄像头相邻。
所述测量装置在使用时，所述软X射线摄像头通过电脑控制线与计算机连接。
一种强激光功率密度的测量方法，包括如下步骤：
（1）激光器输出的激光通过聚焦透镜汇聚于极性分子喷流上，用于极性分子的取向定位；
（2）待测激光束经由进光窗口与激光器发出的取向激光束交叠并共同作用于极性分子喷流上，故喷流处即为强激光功率密度的待测位置；
（3）待测激光束与极性分子喷流相互作用产生高次谐波，高次谐波通过铝膜过滤掉残余的基频激光后进入软X射线摄像头；
（4）高次谐波载有待测激光束的功率密度信息，通过软X射线摄像头检测并分析，即判断出待测激光束的实时功率密度。
本发明的有益效果如下：
本发明利用气体分子的强场物理现象与强激光的功率密度的相关性，通过不同强激光功率密度下出现的分子取向、分子电离和高次谐波等现象，可有效判断出强激光的实时功率密度。可应用于强激光功率密度的实时检测等领域，弥补了传统激光功率密度检测器无法检测强激光功率密度的空白。
附图说明
图1 为本发明的测量装置示意图；
图2 为本发明测量方法相关的测量原理图；
图3 为实施例1的测量装置示意图；
图4 为实施例1的激光功率密度定标图；
其中，1为激光器、2为聚焦透镜、3为真空腔、4为真空泵、5为进光窗口、6为储气瓶、7为进气管、8为喷嘴、9为极性分子喷流、10为软X射线摄像头、11为铝膜、12为待测激光束、13为高次谐波、14为电脑控制线、15为电脑。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明强激光功率密度的测量装置，依次包括激光器1、聚焦透镜2和真空腔3，真空腔3设有进气管7和真空泵4，真空泵4用于维持真空腔3的真空度；进气管7连接有储气瓶6和喷嘴8，储气瓶6储有极性分子气体，通过进气管7并经由喷嘴8形成极性分子喷流9；真空腔3连接有软X射线摄像头10，真空腔3设有进光窗口5和铝膜11，进光窗口5与铝膜11相对，且进光窗口5与聚焦透镜2相邻，铝膜11与软X射线摄像头10相邻。
本发明的强激光功率密度测量原理和方法如下：首先，利用待测强激光束与取向可控的极性分子气体相互作用产生强场物理现象；然后利用强场物理现象与待测强激光的功率密度的相关性来判断出强激光的实时功率密度。这个相关性表现为不同激光功率密度会产生不同的高次谐波辐射强度和不同的取向信号对比度。高次谐波信号与分子的电离程度密切相关，因此这种相关性可通过分子的强场电离模型来解释，如图2所示，为二氧化碳极性分子在激光场下的电离几率曲线，图中三条曲线分别是中性粒子数、一阶离子数、二阶离子数与激光功率密度之间的关系。可以发现，当激光功率密度低于8×1013 W/cm2时，二氧化碳分子无法电离，此时不会有高次谐波信号出现；当激光功率密度高于8×1013 W/cm2时，开始出现一阶离子数，说明此时有高次谐波信号出现；当激光功率密度达到3×1014 W/cm2时，一阶离子数达到最大值，说明此时高次谐波信号也将达到极值；当激光功率密度达到1×1015 W/cm2时，开始出现二阶离子数，说明此时高次谐波信号分别来源于一阶离子和二阶离子，将导致高次谐波的取向信号对比度变差；当激光功率密度达到3×1015 W/cm2时，二氧化碳极性分子将被过度电离，导致高次谐波信号强度急剧下降同时伴随取向信号的消失。因此，利用上述原理和方法，本发明可有效判断出1013-1015 W/cm2范围内的功率密度变化，再通过对高次谐波的强度定标和对比度定标，即可有效测量强激光的功率密度值。
实施例1
本实施例1所使用的测试装置如图3所示，即在图1的装置上，将软X射线摄像头10通过电脑控制线14与计算机15连接。
本实施例1应用于800nm飞秒激光（8mJ/45fs/1kHz）在焦斑处的激光功率密度实时测量：激光器1为普通的高功率激光器，产生的激光用于极性分子的取向定位，所需的功率密度在焦斑处约为1013 W/cm2；聚焦透镜2为石英平凸透镜，焦距为500mm；高真空腔3为高真空腔，由不锈钢板和密封圈组装而成；真空泵4所需维持的真空度在1×10-3 Pa以上；进光窗口5是石英窗片，密封在真空腔开孔处，作为进光窗口，厚度在3mm左右；储气瓶6是不锈钢储气瓶，储有二氧化碳气体；进气管7是不锈钢进气管，内径约为6mm；气体喷嘴8连续喷流模式，喷嘴孔径为0.25mm；极性分子喷流9是二氧化碳极性分子喷流；软X射线摄像头10所选品牌和型号为Princeton Instruments, SX400；铝膜11厚度为500nm，由铝膜支架作为支撑；待测激光束12选择Coherent公司生产的钛宝石飞秒激光系统，输出波长为800nm，输出脉宽为45fs，单脉冲能量为8mJ，输出频率为1kHz，由焦距为400mm的聚焦透镜汇聚到气体喷流上，其中输出能量通过能量控制器连续可调，用于实时改变焦斑处的激光功率密度；高次谐波13是待测飞秒激光与气体喷流相互作用产生的高次谐波。
本实施例1中，存储在储气瓶6的极性分子气体通过进气管7并经由喷嘴8形成极性分子喷流9，激光器1输出的激光和待测激光束12分别通过各自的聚焦透镜汇聚到极性分子喷流9上，待测激光束12与极性分子喷流9相互作用产生高次谐波13，而产生的高次谐波13再通过铝膜11过滤掉残余的基频激光后进入软X射线摄像头10。高次谐波13载有待测激光束12的功率密度信息，因此，通过软X射线摄像头10检测并分析即可有效判断出待测激光束12的实时功率密度。
应用如图3所示的装置，本发明人测量并绘制了高次谐波信号与功率密度之间的关系图，如图4所示：测量了高次谐波辐射强度随着激光功率密度变化的函数关系图，黑线是平行取向（极性分子轴与待测激光的偏振方向保持平行，可通过取向激光操控，即取向激光和待测激光的偏振方向保持平行）时的高次谐波信号，绿线是无取向激光时的高次谐波信号，红线是垂直取向（极性分子轴与待测激光的偏振方向保持垂直，即取向激光和待测激光的偏振方向保持垂直）时的高次谐波信号。
从图4可以看出，当激光功率密度达到3×1014 W/cm2时，高次谐波辐射强度达到最大值；当激光功率密度达到1×1015 W/cm2时，由于二阶离子数的出现，导致高次谐波的辐射强度和取向对比度变差，大小约为极值的一半；当激光功率密度达到3×1015 W/cm2时，由于二氧化碳极性分子被过度电离，导致高次谐波辐射强度下降同时伴随取向信号消失（即黑线、绿线和红线重叠在一起）。图4的实验测量结果与图2的原理模拟结果基本一致，因此，利用本发明的原理和方法可有效判断出1013-1015 W/cm2范围内的功率密度变化，再通过对高次谐波的强度和对比度的数值定标，即可有效测量强激光的功率密度值。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种强激光功率密度的测量装置，其特征在于：依次包括激光器、聚焦透镜和真空腔，所述真空腔设有进气管和真空泵，所述进气管连接有储气瓶和喷嘴，所述喷嘴具有极性分子喷流，所述真空腔连接有软X射线摄像头，所述真空腔设有进光窗口和铝膜，所述进光窗口与铝膜相对，且所述进光窗口与聚焦透镜相邻，所述铝膜与软X射线摄像头相邻；
所述强激光功率密度的测量装置的测量方法包括如下步骤：
（1）激光器输出的激光通过聚焦透镜汇聚于极性分子喷流上，用于极性分子的取向定位；
（2）待测激光束经由进光窗口与激光器发出的取向激光束交叠并共同作用于极性分子喷流上，故喷流处即为强激光功率密度的待测位置；
（3）待测激光束与极性分子喷流相互作用产生高次谐波，高次谐波通过铝膜过滤掉残余的基频激光后进入软X射线摄像头；
（4）高次谐波载有待测激光束的功率密度信息，通过软X射线摄像头检测并分析，即判断出待测激光束的实时功率密度。
2.如权利要求1所述强激光功率密度的测量装置，其特征在于：所述测量装置在使用时，所述软X射线摄像头通过电脑控制线与计算机连接。
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