CN106918395A - 一种诊断超短脉冲聚焦场时空分布特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种诊断超短脉冲聚焦场时空分布特性的方法，属于超短激光技术领域，超短脉冲激光经半透半反镜分光后的透射光作为信号光，经半透半反镜反射后的光作为参考光，信号光和参考光分别通过各自光路成像得到干涉图案，根据干涉图案获得采样点处的信号脉冲相对于参考光的时间延迟，利用微位移平台的二维扫描获得对于水平和垂直方向上的采样，从而获得信号光聚焦场在水平和垂直两个方向上的时空分布；该方法是目前唯一可以进行聚焦场时空分布特性诊断的技术，从而对于相应物理实验的预先设计以及物理实验的图像的理解提供帮助。
Description
技术领域
本发明属于超短超强激光技术领域，具体涉及一种诊断超短脉冲聚焦场时空分布特性的方法。
背景技术
目前超强超短脉冲激光已经成为强场物理、高能量密度物理研究的重要工具，研究人员通过聚焦短脉冲激光可以获得极高的电场和功率密度。然而，由于超短、超强激光系统中大口径透镜（用于空间滤波、像传递）的存在，使得最终聚焦场的时空分布远远偏离理想情况，这将显著影响强场物理或高能量密度物理实验的结果，因此，获得超短脉冲激光装置的聚焦场的实际时空分布信息，对于相应物理实验的预先设计以及物理实验的图像的理解都无疑具有重要意义。
到目前为止，还没有任何一种技术可以用于诊断聚焦场的时空分布。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种诊断超短脉冲聚焦场时空分布特性的方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种诊断超短脉冲聚焦场时空分布特性的方法，包括以下步骤：
（1）信号光成像，其光路为：超短脉冲激光经第一半透半反镜分光后的透射光作为待测信号光，所述待测信号光经透镜组扩束后聚焦，然后通过单模光纤采样，耦合后的光再经第一准直透镜输出，最后经第三平面反射镜反射以及第二半透半反镜透射后，其透射光入射到成像光谱仪中进行成像；
（2）参考光成像，其光路为：超短脉冲激光经第一半透半反镜分光后的反射光作为参考光，所述参考光经第一反射镜反射后原路返回第一半透半反镜，再经第二反射镜反射后由消色差透镜聚焦到单模光纤，然后经第二准直透镜准直后由第二半透半反镜透射反射后，其反射光入射到成像光谱仪中进行成像，得到干涉图案；
（3）根据所述成像光谱仪采集到的干涉图案获得采样点处的待测信号光相对于参考光的时间延迟，利用微位移平台的二维扫描获得对于水平和垂直方向上的采样，从而获得信号光聚焦场在水平和垂直两个方向上的时空分布。
作为优选的技术方案：步骤（1）和（2）所述超短脉冲激光由钛宝石激光振荡器产生。
作为优选的技术方案：步骤（1）中的透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜位于第一透镜之后，并且直径大于第一透镜。
作为优选的技术方案：步骤（3）中，根据所述成像光谱仪采集到的干涉图案获得采样点处的待测信号光相对于参考光的时间延迟的方法为：预先利用光谱干涉技术测量第一准直透镜输出的信号光的剩余二阶色散，确定信号光中单位波长对应的时间延迟；根据成像光谱仪采集到的干涉图案，可以读出零相位延迟点（即完全时间同步点）的位置，进一步得到其相对于中心波长的偏移量，该偏移量乘以单位波长对应的时间延迟，即得到采样点相对于参考光的时间延迟。
作为优选的技术方案：步骤（3）中，获得信号光聚焦场在水平和垂直两个方向上的时空分布的方法为：将微位移平台沿水平或垂直方向移动，记录不同的空间位置处对应的时间延迟量，在坐标系内连接各有效数值点，即可得到信号光聚焦场在该方向上的时空分布信息。
作为优选的技术方案：步骤（1）的信号光光路与步骤（2）参考光光路的附加元件引入的附加色散一致。
作为优选的技术方案：所述单模光纤芯径为5.5-6.5μm；所述微位移平台的步长为0.8-1.2μm。二者结合可以满足对于百微米量级聚焦场的采样需求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用单模光纤结合微位移平台实现了超短脉冲聚焦场的二维采样，利用参考光与信号光的光谱干涉图案获得采样点的时间延迟信息，二者结合实现了聚焦场的时空分布的诊断功能。该方法是目前唯一可以进行聚焦场时空分布特性诊断的技术，考虑到目前所有的利用超强超短脉冲激光进行的强场物理和高能密度物理实验都依赖于远场的时空特性分布，因此本技术的发明意义重大。从而对相应物理实验的预先设计以及物理实验的图像的理解提供帮助。
附图说明
图1 为本发明实施例的光路排布示意图；
图2为本发明实施例的水平方向获得的干涉条纹和谱相位数据；
图2（a）为水平负方向移动60步（对应-60μm）后得到的干涉谱图；图2（b）为图2（a）对应的光谱位相分布；图2（c）为水平负方向移动110步（对应-110μm）后得到的干涉谱图；图2（d）为图2（c）对应的光谱位相分布；图2（e）水平方向正向移动30步（对应+30μm）后的谱位相图；图2（f）为图2（e）对应的光谱位相分布；
图3为本发明实施例的垂直方向获得的干涉条纹和谱相位数据；
图3（a）为垂直方向正向移动50步（对应+50μm）后得到的干涉图；图3（b）为图3（a）对应的光谱位相分布；图3（c）为垂直负向40步（对应-40μm）后获得的光谱干涉图；图3（d）为图3（c）对应的光谱位相分布；图3（e）为垂直负向70步（对应-70μm）后获得的光谱干涉图；图3（f）为图3（e）对应的光谱位相分布；
图4 为本发明实施例的脉冲远场焦斑的时空分布。
图中：1、第一平面反射镜；2、第二平面反射镜；3、第三平面反射镜；BS1、第一半透半反镜；BS2、第二半透半反镜；L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；L4、消色差透镜；L5、第一准直透镜；L6、第二准直透镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
参见图1，
由钛宝石激光振荡器产生的超短脉冲激光经第一半透半反镜BS1分光后的透射光作为信号光，经透镜组即第一透镜L1、第二透镜L2扩束后利用第三透镜L3聚焦，聚焦场通过安装在微位移平台上的单模光纤采样后，经第一准直透镜L5输出，最后经第三平米反射镜3的反射以及第二半透半反镜BS2的透射后，入射到成像光谱仪中；
由钛宝石激光振荡器产生的超短脉冲激光经第一半透半反镜BS1分光后的反射光作为参考光，经由第一平面反射镜1反射后原路返回第一半透半反镜BS1，再经第二平面反射镜2反射后由消色差透镜L4聚焦到单模光纤，输出光经第二准直透镜L6准直后由第二半透半反镜BS2反射到成像光谱仪中，得到干涉图案；
根据成像光谱仪采集到的干涉图案可以获得采样点处的信号脉冲相对于参考光的时间延迟，利用微位移平台的二维扫描获得对于水平和垂直两个坐标方向上的采样（如图2，图3所示），从而可获得信号光聚焦场在水平和垂直两个方向上的时空分布（如图4所示）；
本实施例中，为了消除附加元件自身的色散对系统色散测量的影响，参考光光路中的附加元件（包括半透半反镜与单模采样光纤）与信号光光路中的附加元件引入的附加色散是一致的；
单模光纤口径为6μm，微位移平台步长为1μm，二者结合满足对于百微米量级聚焦场的采样需求。
上述的根据干涉图案获得采样点处信号脉冲相对于参考光的时间延迟的方法为：预先利用光谱干涉技术测量光纤准直透镜输出的信号光的剩余二阶色散，（本实施例中为3300fs2）确定信号光中单位波长对应的时间延迟（本实施例为9.7fs/nm）；根据光谱仪采集到的干涉图案，可以读出零相位延迟点（即完全时间同步点）的位置（如图3（d）中为814nm），进一步得到其相对于中心波长的偏移量（3（d）对应为14nm），该偏移量乘以单位波长对应的时间延迟可得到采样点相对于参考光的时间延迟（本实施例中为9.7fs/nm×14nm=135.8fs）。
上述的获得信号光聚焦场在两个方向（水平和垂直）上的时空分布的方法为：将微位移平台沿某一方向（水平或垂直）移动，记录下不同的空间位置处对应的时间延迟量（如图2，图3所示），在坐标系内连接各有效数值点可得信号光聚焦场在该方向上的时空分布信息（如图4所示）。
本发明实施例中的振荡器为钛宝石飞秒振荡器，产生的超短脉冲激光重复频率为77MHz、脉宽20fs、中心波长800nm，经第一半透半反镜透射后产生的信号光先后经透镜组扩束及单模光纤与相应的准直透镜后，经半透半反镜BS2导入光栅光谱仪（（Acton SP2750,测谱精度<0.02nm）。
第一平面反射镜1置于移动导轨之上，可以平移，不影响参考光的指向，可以调整参考光路的长度使参考光和主激光光路的长度满足等光程。
本实施例中的第一半透半反镜BS1与第二半透半反镜BS2的厚度均为8mm、材料为熔石英材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种诊断超短脉冲聚焦场时空分布特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）信号光成像，其光路为：超短脉冲激光经第一半透半反镜分光后的透射光作为信号光，所述信号光经透镜组扩束后聚焦，然后通过单模光纤采样，耦合后的光再经第一准直透镜输出，最后经第三平面反射镜反射以及第二半透半反镜透射后，其透射光入射到成像光谱仪中进行成像；
（2）参考光成像，其光路为：超短脉冲激光经第一半透半反镜分光后的反射光作为参考光，所述参考光经第一反射镜反射后原路返回第一半透半反镜，再经第二反射镜反射后由消色差透镜聚焦到单模光纤，然后经第二准直透镜准直后由第二半透半反镜透射反射后，其反射光入射到成像光谱仪中进行成像，得到干涉图案；
（3）根据所述成像光谱仪采集到的干涉图案获得采样点处的待测信号光相对于参考光的时间延迟，利用微位移平台的二维扫描获得对于水平和垂直方向上的采样，从而获得信号光聚焦场在水平和垂直两个方向上的时空分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）和（2）所述超短脉冲激光由钛宝石激光振荡器产生。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中的透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜位于第一透镜之后，并且直径大于第一透镜。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，根据所述成像光谱仪采集到的干涉图案获得采样点处的待测信号光相对于参考光的时间延迟的方法为：预先利用光谱干涉技术测量第一准直透镜输出的信号光的剩余二阶色散，确定信号光中单位波长对应的时间延迟；根据成像光谱仪采集到的干涉图案，可以读出零相位延迟点的位置，进一步得到其相对于中心波长的偏移量，该偏移量乘以单位波长对应的时间延迟，即得到采样点相对于参考光的时间延迟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，获得信号光聚焦场在水平和垂直两个方向上的时空分布的方法为：将微位移平台沿水平或垂直方向移动，记录不同的空间位置处对应的时间延迟量，在坐标系内连接各有效数值点，即可得到信号光聚焦场在该方向上的时空分布信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）的信号光光路与步骤（2）参考光光路的附加元件引入的附加色散一致。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述单模光纤芯径为5.5-6.5μm；所述微位移平台的步长为0.8-1.2μm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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