CN106989834A - 一种能同时诊断超短脉冲激光的啁啾特性与时空分布特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能同时诊断超短脉冲激光的啁啾特性与时空分布特性的方法，属于超短激光技术领域，本发明直接利用待测信号光与参考光同轴进行谱域和空域干涉，根据干涉图案的形状特点以及干涉条纹的横向和纵向分布规律可以获取短脉冲的时空分布特性以及剩余啁啾特性；本方法是目前唯一可以同时提供时空分布信息以及时域特性信息的短脉冲诊断技术；与用于时域诊断的自相关仪或FROG方法相比，本方法采用线性干涉测量技术，且采用的是理想的参考光源，因此可以工作在极低能量条件下，并且具有更高的测试精度。
Description
技术领域
本发明属于超短超强激光技术领域，具体涉及一种能同时诊断超短脉冲激光的啁啾特性与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，使得系统输出的短脉冲存在时空畸变，导致聚焦后的脉冲时域宽度会远大于非聚焦状态下的时域宽度，使得实际获得的聚焦电场和功率密度远低于理论预计的情况。因此，要获得理想的聚焦场，必须同时具备理想的啁啾特性(时域)和理想的时空分布特性。
而目前已有的成熟测试技术中，仅可以单独进行时域特性的测量，如条纹相机、自相关仪或者SPIDER、FROG等仪器可以用来进行脉宽的测量(啁啾特性)；对于时间-空间分布特性，则没有成熟的诊断技术，W.Amir等人于2006年《Optics Letters》杂志提出用一定时间延迟条件下获得的空间-光谱干涉条纹，通过傅里叶变换的方法可间接获得脉冲的时空分布。
到目前为止，并没有任何一种技术可以同时实现啁啾特性与时空分布特性的同时测量。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种能同时诊断超短脉冲激光的啁啾特性与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：一种能同时诊断超短脉冲激光的啁啾特性与时空分布特性的方法，包括以下步骤：
(1)信号光成像，信号光光路为：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，经第一反射镜反射后，传输通过短脉冲激光系统，然后由第二反射镜反射，再由第二半透半反镜透射后导入成像光谱仪；
(2)参考光成像，参考光光路为：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，经由第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜反射后，再由第二半透半反镜透射后导入成像光谱仪；
(3)根据所述成像光谱仪产生的空间-光谱干涉条纹图案的形状特点判断脉冲啁啾特性的符号与阶数；根据所述图案中标志性条纹的横向间距提取脉冲的定量啁啾特性信息；根据所述图案标志性条纹的纵向间距提取脉冲的时空分布特性信息。
作为优选的技术方案：所述超短脉冲激光是由飞秒脉冲振荡器产生。
作为进一步优选的技术方案：所述信号光光路与参考光光路的光程差为飞秒脉冲振荡器腔长的整数倍。
作为优选的技术方案：所述短脉冲激光系统光路排布依次包括飞秒脉冲振荡器，脉冲展宽器，多级能量放大器以及脉冲压缩器。
作为优选的技术方案：所述参考光光路中的附加元件与信号光光路中的附加元件引入的附加色散一致。
作为优选的技术方案：所述的判断脉冲啁啾特性的符号与阶数的方法为：若获得的干涉图案为标准的椭圆，则说明脉冲啁啾特性为负的二阶色散；若获得的干涉图案为标准的双曲线，则说明脉冲啁啾特性为正的二阶色散；若获得的干涉图案为半椭圆半双曲线，则说明脉冲啁啾特性为负的三阶色散；若获得的干涉图案为半椭圆半双曲线，则说明脉冲啁啾特性为正的三阶色散。
作为优选的技术方案：所述的提取脉冲的定量啁啾特性信息的方法为：读取空间中心位置由内向外第一个亮的椭圆环或双曲线对应的频率ω1，则此时信号光的二阶色散量大小为其中，ω0为椭圆或双曲线中心对应的频率。
作为优选的技术方案：所述的提取脉冲的时空特性信息的方法为：取干涉图案中心位置对应的时刻为t0＝0，由中心点沿纵向寻找对应的亮条纹的位置，分别是x＝x1，x2，x3…，则这些空间位置对应的时刻分别为t1＝2π/ω0，t2＝4π/ω0，t3＝6π/ω0…，由此获得不同空间位置对应的脉冲到达时刻分布。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明直接利用待测信号光与参考光同轴进行谱域和空域干涉，根据干涉图案的形状特点以及干涉条纹的横向和纵向分布规律可以获取短脉冲的时空分布特性以及剩余啁啾特性；本方法具有如下的一些特色：1)是目前唯一可以同时提供时空分布信息以及时域特性信息的短脉冲诊断技术；2)与用于时域诊断的自相关仪或FROG方法相比，本方法采用线性干涉测量技术，且采用的是理想的参考光源，因此可以工作在那焦级能量条件下，而自相关仪或者FROG则至少需要毫焦级能量。
附图说明
图1为本发明的光路排布示意图；
图2为本发明的负二阶色散条件下信号光与参考光的谱干涉图；
图3为本发明的正二阶色散条件下信号光与参考光的谱干涉图；
图4为本发明的负三阶色散条件下信号光与参考光的谱干涉图；
图5为本发明的正三阶色散条件下信号光与参考光的谱干涉图；
图6为本发明的由纵向干涉条纹信息提取的时空分布图。
图中：1、第一反射镜；2、第二反射镜；3、第三反射镜；4、第四反射镜；5、第五反射镜；6为第六反射镜；BS1、第一半透半反镜；BS2、第二半透半反镜；。
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：
如图1所示，
信号光成像，其信号光光路为：由飞秒脉冲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，经第一反射镜1反射后，传输通过整个短脉冲激光系统(包括产生时空畸变的透镜、以及展宽压缩等色散控制部分)，后然后由第二反射镜2及半透半反镜BS2导入成像光谱仪；
参考光成像，其参考光光路为：由飞秒脉冲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，经由第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜反射后，再由第二半透半反镜透射后导入成像光谱仪；
本发明的核心是利用待测信号光与源于同一飞秒振荡器的理想参考光同轴入射到成像光谱仪，根据产生的空间-光谱干涉条纹图案的形状特点以及条纹间距信息，可以同时获得待测信号光的时空分布特性信息以及啁啾特性信息。
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与信号光光路中的附加元件引入的附加色散是一致的，采用相同材料、相同厚度的元件进行分光及取样可以实现这一点。
飞秒脉冲振荡器输出的高重频的脉冲序列中的子脉冲是相干的，不同子脉冲之间可以产生干涉，因此参考光与信号光的光路长度只要满足″光程差为振荡器腔长的整数倍″即可。
判断脉冲啁啾特性的符号与阶数的方法为：若获得的干涉图案为标准的椭圆(如图2所示)，则说明脉冲啁啾特性为负的二阶色散；若获得的干涉图案为标准的双曲线(如图3所示)，则说明脉冲啁啾特性为正的二阶色散；若获得的干涉图案为半椭圆半双曲线(左半边为椭圆，右半为双曲线)(如图4所示)，则说明脉冲啁啾特性为负的三阶色散；若获得的干涉图案为半椭圆半双曲线(左半边为双曲线，右半为椭圆)(如图5所示)，则说明脉冲啁啾特性为正的三阶色散；
提取脉冲的定量啁啾特性信息的方法为：读取空间中心位置(×＝0)由内向外第一个亮的椭圆环(或双曲线)对应的频率ω1(如图3所示)，则此时信号光的二阶色散量大小为其中，ω0为椭圆(或双曲线)中心对应的频率；
提取脉冲的时空特性信息的方法为：取干涉图案中心位置对应的时刻为t0＝0，由中心点沿纵向寻找对应的亮条纹的位置，分别是x＝x1，x2，x3…，(如图3所示)则这些空间位置对应的时刻分别为t1＝2π/ω0，t2＝4π/ω0，t3＝6π/ω0…，由此便获得了不同空间位置对应的脉冲到达时刻分布，如图6所示。
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 (8)
1.一种能同时诊断超短脉冲激光的啁啾特性与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，信号光光路为：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，经第一反射镜反射后，传输通过短脉冲激光系统，然后由第二反射镜反射，再由第二半透半反镜透射后导入成像光谱仪；
(2)参考光成像，参考光光路为：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，经由第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜反射后，再由第二半透半反镜透射后导入成像光谱仪；
(3)根据所述成像光谱仪产生的空间-光谱干涉条纹图案的形状特点判断脉冲啁啾特性的符号与阶数；根据所述图案中标志性条纹的横向间距提取脉冲的定量啁啾特性信息；根据所述图案标志性条纹的纵向间距提取脉冲的时空分布特性信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光是由飞秒脉冲振荡器产生。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述信号光光路与参考光光路的光程差为飞秒脉冲振荡器腔长的整数倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述短脉冲激光系统包括产生时空畸变的透镜以及色散控制部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述参考光光路中的附加元件与信号光光路中的附加元件引入的附加色散一致。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的判断脉冲啁啾特性的符号与阶数的方法为：若获得的干涉图案为标准的椭圆，则说明脉冲啁啾特性为负的二阶色散；若获得的干涉图案为标准的双曲线，则说明脉冲啁啾特性为正的二阶色散；若获得的干涉图案为半椭圆半双曲线，则说明脉冲啁啾特性为负的三阶色散；若获得的干涉图案为半椭圆半双曲线，则说明脉冲啁啾特性为正的三阶色散。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的提取脉冲的定量啁啾特性信息的方法为：读取空间中心位置由内向外第一个亮的椭圆环或双曲线对应的频率ω1，则此时信号光的二阶色散量大小为其中，ω0为椭圆或双曲线中心对应的频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的提取脉冲的时空特性信息的方法为：取干涉图案中心位置对应的时刻为t0＝0，由中心点沿纵向寻找对应的亮条纹的位置，分别是x＝x1，x2，x3…，则这些空间位置对应的时刻分别为t1＝2π/ω0，t2＝4π/ω0，t3＝6π/ω0…，由此获得不同空间位置对应的脉冲到达时刻分布。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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