CN107044885A - 一种测量激光聚焦强度的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种测量激光聚焦强度的装置及使用方法，属于激光技术领域。本发明利用激光与气体分子相互作用的现象与激光聚焦强度的相关性，通过不同激光聚焦强度下出现的分子极化、分子电离和高阶辐射等现象，可有效判断出激光的聚焦强度，弥补了传统激光强度检测器无法检测激光强度超过1×10¹³W/cm²的空白。

Description

一种测量激光聚焦强度的装置及使用方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体是涉及一种测量激光聚焦强度的装置及使用方法。

背景技术

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。

目前市场上很少有检测激光强度超过1×10¹³W/cm²的激光聚焦强度测量器，这是由于传统的测量探头多为半导体或晶体等固态探头，这种固态探头无法承受激光强度超过1×10¹³W/cm²的聚焦强度，很容易造成探头的烧灼损坏。因此，急需一种可以测量激光强度超过1×10¹³W/cm²的激光聚焦强度测量器。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种测量激光聚焦强度的装置及使用方法，利用激光与气体分子相互作用的现象与激光聚焦强度的相关性，通过不同激光聚焦强度下出现的分子极化、分子电离和高阶辐射等现象，有效判断出激光的聚焦强度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种测量激光聚焦强度的装置，包括具有容纳腔的壳体、聚焦透镜和极紫外CCD，聚焦透镜外置于壳体的左端，极紫外CCD外置于壳体的右端，所述壳体的一端设有抽气接口，所述抽气接口连有真空泵，所述壳体的左端设有待测激光入射窗口，待测激光束通过待测激光入射窗口进入壳体，所述壳体的下端设有辅助激光入射窗口，辅助激光束通过辅助激光入射窗口进入壳体，所述壳体内设有抛物镜和气体盒，所述抛物镜的中心处设有小孔，所述气体盒内部装有极性分子气体，所述壳体的右端设有激光出口，所述激光出口与所述极紫外CCD相连，所述激光出口与极紫外CCD之间设有铝膜。

作为优先，所述气体盒连有进气管，所述进气管的另一端连有储气瓶，储气瓶内装有极性分子气体，所述进气管上设有微调阀门。

作为优选，所述气体盒的两端设有薄钢片。

使用测量激光聚焦强度的装置的方法为：

步骤(1)，气体盒通过进气管与储气瓶相连，储气瓶内装有极性分子气体，打开微调阀门，使气体盒内充满极性分子气体；

步骤(2)，抽气接口与真空泵相连，启动真空泵，将壳体内抽成真空，并维持壳体内的真空度；

步骤(3)，将待测激光束从待测激光入射窗口射入，依次穿过聚焦透镜、待测激光入射窗口和抛物镜中心处的小孔，并在抛物镜的作用下，将待测激光束汇聚，射向气体盒，与此同时，辅助激光束穿过辅助激光入射窗口，射入到抛物镜上，在抛物镜的作用下，与待测激光束合束，射向气体盒；

步骤(4)，合束后的待测激光束将气体盒两端的薄钢片击穿，形成小小的击穿孔，击穿孔泄露出部分极性分子气体，但通过微调阀门调节极性分子气体的气流大小，使气体盒内始终保持一定的静态气压，辅助激光束用于将极性分子极化排列，待测激光束与极化后的极化分子相互作用产生高阶辐射；

步骤(5)，高阶辐射穿过激光出口，通过铝膜将残余的待测激光束和辅助激光束进行过滤，过滤后的高阶辐射进入极紫外CCD，通过极紫外CCD的检测即可分析出待测激光束的聚焦强度。

使用测量激光聚焦强度的装置的原理为：利用待测激光束与极化排列的极性分子气体相互作用产生高阶辐射现象，然后利用高阶辐射现象与待测激光聚焦强度的相关性来判断处激光的聚焦强度。这个相关性表现为不同激光强度会产生不同的高阶辐射强度，并与极化排列产生关联。同时高阶辐射信号与分子的电离程度密切相关，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，图中三条曲线分别为中性粒子数、一阶离子数、二阶离子数与激光强度之间的关系。当激光强度低于8×10¹³W/cm²时，二氧化碳分子无法电离，此时不会有高阶辐射信号出现；当激光强度高于8×10¹³W/cm²时，开始出现一阶离子数，说明此时有高阶辐射信号出现；当激光强度达到3×10¹⁴W/cm²时，一阶离子数达到最大值，说明此时高阶辐射信号也达到极值；当激光强度达到1×10¹⁵W/cm²时，开始出现二阶离子数，说明此时高阶辐射信号分别来源于一阶离子和二阶离子，二阶离子的出现，导致高阶辐射的极化对比度变差；当激光强度达到3×10¹⁵W/cm²时，二氧化碳极性分子被过度电路，导致高阶辐射信号急剧下降，同时伴随极化效果的失效。

因此，利用这个原理，本发明可有效判断出10¹³～10¹⁵W/cm²范围内的激光聚焦强度变化信息，再通过对高阶辐射的强度定标和极化效果定标，即可有效测量激光的聚焦强度。

发明具有的有益效果：本发明利用激光与气体分子相互作用的现象与激光聚焦强度的相关性，通过不同激光聚焦强度下出现的分子极化、分子电离和高阶辐射等现象，可有效判断出激光的聚焦强度，弥补了传统激光强度检测器无法检测激光强度超过1×10¹³W/cm²的空白。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明测量原理示意图；

图3是本发明具体实施事例的激光强度定标图。

图中：1、聚焦透镜；2、壳体；3、待测激光入射窗口；4、辅助激光入射窗口；5、真空泵；6、抽气接口；7、储气瓶；8、微调阀门；9、进气管；10、气体盒；11、极紫外CCD；12、铝膜；13、抛物镜；14、待测激光束；15、辅助激光束；16、高阶辐射；17、电脑；18、控制线；19、激光出口。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种测量激光聚焦强度的装置，如图1所示，包括具有容纳腔的壳体、聚焦透镜和极紫外CCD，聚焦透镜外置于壳体的左端，极紫外CCD外置于壳体的右端，所述壳体的一端设有抽气接口，所述抽气接口连有真空泵，所述壳体的左端设有待测激光入射窗口，待测激光束通过待测激光入射窗口进入壳体，所述壳体的下端设有辅助激光入射窗口，辅助激光束通过辅助激光入射窗口进入壳体，所述壳体内设有抛物镜和气体盒，所述抛物镜的中心处设有小孔，所述气体盒内部装有极性分子气体，所述壳体的右端设有激光出口，所述激光出口与所述极紫外CCD相连，所述激光出口与极紫外CCD之间设有铝膜，所述气体盒连有进气管，所述进气管的另一端连有储气瓶，储气瓶内装有极性分子气体，所述进气管上设有微调阀门，所述气体盒的两端设有薄钢片。

使用测量激光聚焦强度的装置的方法为：步骤(1)，气体盒通过进气管与储气瓶相连，储气瓶内装有极性分子气体，打开微调阀门，使气体盒内充满极性分子气体；步骤(2)，抽气接口与真空泵相连，启动真空泵，将壳体内抽成真空，并维持壳体内的真空度；步骤(3)，将待测激光束从待测激光入射窗口射入，依次穿过聚焦透镜、待测激光入射窗口和抛物镜中心处的小孔，并在抛物镜的作用下，将待测激光束汇聚，射向气体盒，与此同时，辅助激光束穿过辅助激光入射窗口，射入到抛物镜上，在抛物镜的作用下，与待测激光束合束，射向气体盒；步骤(4)，合束后的待测激光束将气体盒两端的薄钢片击穿，形成小小的击穿孔，击穿孔泄露出部分极性分子气体，但通过微调阀门调节极性分子气体的气流大小，使气体盒内始终保持一定的静态气压，辅助激光束用于将极性分子极化排列，待测激光束与极化后的极化分子相互作用产生高阶辐射；步骤(5)，高阶辐射穿过激光出口，通过铝膜将残余的待测激光束和辅助激光束进行过滤，过滤后的高阶辐射进入极紫外CCD，通过极紫外CCD的检测即可分析出待测激光束的聚焦强度。

其中，壳体采用不锈钢材料，通过密封圈组装密封；真空泵将壳体内的真空度维持在1×10^-3Pa以上；聚焦透镜采用石英石透镜，焦距为500mm；待测激光入射窗口和辅助激光入射窗口均采用紫外石英窗片，窗片厚度在3mm左右；储气瓶内储有二氧化碳气体；进气管采用不锈钢材质；气体盒采用薄钢片密封组装而成，薄钢片的厚度为0.2mm；极紫外CCD的品牌为Princeton Instruments，型号为SX400，通过控制线与电脑连接；铝膜采用厚度为500nm的铝膜，由铜支架为其支撑；抛物镜的中心开孔直径为2mm，抛物镜的焦距为200mm；待测激光束采用Coherent公司生产的800nm钛宝石飞秒激光系统，输出脉宽为45fs，单脉冲能量为8mJ，输出频率为1kHz，其输出能量可通过能量控制器连续可变，用于实时改变焦斑处的激光强度；辅助激光采用普通的高功率皮秒激光器输出的激光，其波长为532nm，用于极性分子的极化，其在气体盒内的聚焦强度约为10¹³W/cm²。

使用本发明后，测量并绘制了高阶辐射信号与激光聚焦强度之间的关系，如图3所示，高阶辐射强度随着激光强度变化的变化而变化，点线是平行极化(即辅助激光和待测激光的偏振方向一致)时的高阶辐射信号，实线是无辅助激光时的高阶辐射信号，段线是垂直极化(即辅助激光和待测激光的偏振方向相互垂直)时的高阶辐射信号。

从图3可看出，当激光强度达3×10¹⁴W/cm²时，高阶辐射强度达到最大值；当激光强度达到1×10¹⁵W/cm²时，由于二阶离子数的出现，导致高阶辐射的辐射强度和极化效果变差，大小约为极值的一半；当激光强度达到3×10¹⁵W/cm²时，由于二氧化碳极性分子被过度电离，导致高阶辐射强度下降同时伴随极化效果的失效(即点线、实线和段线重叠在一起)。图3的实验测试结果与图2的原理计算结果基本一致，因此，利用本发明的原理和方法可有效判断10¹³～10¹⁵W/cm²范围内的激光聚焦强度变化。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种测量激光聚焦强度的装置，包括具有容纳腔的壳体、聚焦透镜和极紫外CCD，聚焦透镜外置于壳体的左端，极紫外CCD外置于壳体的右端，其特征在于所述壳体的一端设有抽气接口，所述抽气接口连有真空泵，所述壳体的左端设有待测激光入射窗口，待测激光束通过待测激光入射窗口进入壳体，所述壳体的下端设有辅助激光入射窗口，辅助激光束通过辅助激光入射窗口进入壳体，所述壳体内设有抛物镜和气体盒，所述抛物镜的中心处设有小孔，所述气体盒内部装有极性分子气体，所述壳体的右端设有激光出口，所述激光出口与所述极紫外CCD相连，所述激光出口与极紫外CCD之间设有铝膜。

2.根据权利要求1所述一种测量激光聚焦强度的装置，其特征在于所述气体盒连有进气管，所述进气管的另一端连有储气瓶，储气瓶内装有极性分子气体，所述进气管上设有微调阀门。

3.根据权利要求1所述一种测量激光聚焦强度的装置，其特征在于所述气体盒的两端设有薄钢片。

4.根据权利要求1所述一种测量激光聚焦强度的装置，其特征在于测量激光聚焦强度的装置的使用方法为：

步骤(1)，气体盒通过进气管与储气瓶相连，储气瓶内装有极性分子气体，打开微调阀门，使气体盒内充满极性分子气体；

步骤(2)，抽气接口与真空泵相连，启动真空泵，将壳体内抽成真空，并维持壳体内的真空度；

步骤(3)，将待测激光束从待测激光入射窗口射入，依次穿过聚焦透镜、待测激光入射窗口和抛物镜中心处的小孔，并在抛物镜的作用下，将待测激光束汇聚，射向气体盒，与此同时，辅助激光束穿过辅助激光入射窗口，射入到抛物镜上，在抛物镜的作用下，与待测激光束合束，射向气体盒；

步骤(4)，合束后的待测激光束将气体盒两端的薄钢片击穿，形成小小的击穿孔，击穿孔泄露出部分极性分子气体，但通过微调阀门调节极性分子气体的气流大小，使气体盒内始终保持一定的静态气压，辅助激光束用于将极性分子极化排列，待测激光束与极化后的极化分子相互作用产生高阶辐射；

步骤(5)，高阶辐射穿过激光出口，通过铝膜将残余的待测激光束和辅助激光束进行过滤，过滤后的高阶辐射进入极紫外CCD，通过极紫外CCD的检测即可分析出待测激光束的聚焦强度。