CN107727249A - 超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置和测量方法，装置包括：沿待测超强超短激光脉冲入射方向依次放置的凹面镜、凸面镜、柱面镜、第一反射镜、延迟线、第二反射镜、二阶自相关仪和示波器。待测超强超短激光脉冲首先被由凹面镜和凸面镜组成的缩束系统缩束，缩束后的光束再被柱面镜在竖直方向上一维聚焦，聚焦光束分别通过第一反射镜、延迟线、第二反射镜，最后垂直射入二阶自相关仪，然后通过调节延迟线的高精度平移台使得聚焦光束的一维焦线正好落于二阶自相关仪的倍频晶体上，最后通过示波器获得待测脉冲的远场脉宽。本发明首次实现了高峰值功率激光系统输出超强超短激光脉冲远场脉宽的单发直接测量，具有调节方便、灵活高效和实用性强的特点。

Description

超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及超强超短激光脉冲，特别是一种超强超短激光脉冲的远场脉宽的单发测量装置和测量方法。

背景技术

宽带激光介质、锁模技术以及啁啾脉冲放大技术的发明，大大地推动了超强超短激光脉冲的迅猛发展。钛宝石飞秒激光脉冲放大系统已经实现了数拍瓦峰值功率的超强超短激光脉冲输出，而十拍瓦乃至百拍瓦量级的超强超短激光脉冲也正在被全世界所追逐。目前世界范围内超强超短激光领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段，国际上也正在大力发展超强激光光源以及依托其的前沿科技创新平台。强激光技术及其应用研究已进入到生命科学、临床医学及纳米尺度成像研究新材料结构等领域并起到了不可替代的强大推动作用。

强激光与物质相互作用是一个强场作用过程，脉冲远场聚焦强度直接决定激光与物质相互作用效果。决定脉冲聚焦强度的因素包括：脉冲能量、脉冲宽度、焦斑尺寸。为了实现高能量输出，同时为了避免非线性效应以及光学损伤等影响，高峰值功率激光系统必然伴随着脉冲时域展宽-压缩、以及光束尺寸的扩束。目前大多数高峰值功率激光系统都采用光栅式的展宽压缩系统，以及利用透射式扩束系统来对激光脉冲进行扩束。然而此类光学元件都具有色差，当脉冲(尤其是超短脉冲)经过它们时，不同频率成分的脉冲将会产生不同的群速度，从而使脉冲前沿发生畸变。脉冲前沿畸变会使脉冲不同位置处脉冲宽度不一样，且在聚焦后不同位置处脉冲前沿到达焦点的时间不同。在这种情况下，脉冲聚焦后的有效脉宽也就是远场脉宽相对于近场局部脉冲宽度将大大展宽。

目前脉冲聚焦强度的计算都是基于近场局部脉冲宽度为依托，但其并不能直接对等于远场脉宽。近场局部脉冲宽度的测量普遍是在输出大口径光斑中取很小部分脉冲，利用自相关原理进行测量。然而此方法并不能把脉冲前沿畸变对脉宽的影响体现在测量结果上。尤其是当超强超短激光脉冲存在脉冲前沿畸变的时候，实际远场脉宽往往远大于近场局部脉冲宽度。更为重要的是，现在并没有一种公认的超强超短激光脉冲远场脉宽的测量标准。另外，对于超高峰值功率激光系统的低重复频率，单发测量显得尤为重要。因此，提出一种简单、准确的超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置及测量方法，具有重要意义。能够更为准确地判断出超强超短激光脉冲可获得的实际聚焦强度，从而为强激光与物质相互作用研究提供更好的指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够用于超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置和测量方法，为可获得的实际远场脉冲强度提供依据，从而能够更好地指导激光与物质相互作用的研究。该装置和测量方法首次提出并实现了超强超短激光脉冲远场脉宽的单发直接测量，突破了原来远场脉宽等于近场局部脉冲宽度的近似。该装置和测量方法具有操作简单、科学有效和实用性强的特点。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案如下：

一种超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置，其特点在于该装置包括：沿待测超强超短激光脉冲入射方向依次放置的凹面镜、凸面镜、柱面镜、第一反射镜、延迟线、第二反射镜、二阶自相关仪和示波器，所述的凹面镜和凸面镜组成反射式缩束系统，所述的柱面镜是在竖直方向上形成一维聚焦的凹圆柱面的长焦距的柱面镜，所述的延迟线置于一高精度平移台上，所述的待测超强超短激光脉冲首先由所述的反射式缩束系统缩束，再经所述的柱面镜在竖直方向上形成一维聚焦光束，该聚焦光束依次通过所述的第一反射镜、延迟线、第二反射镜，最后垂直射入所述的二阶自相关仪，所述的二阶自相关仪的输出端与所述的示波器的输入端相连。

利用上述超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置进行超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量方法，该方法包括下列步骤：

①所述的超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置安装后，待测超强超短激光脉冲输入，调整所述的反射式缩束系统，使待测超强超短激光脉冲缩束后准直输出，且缩束后的光束口径小于二阶自相关仪中倍频晶体的有效尺寸；

②调整所述的柱面镜，使缩束后的光束在竖直方向上形成一维聚焦光束；

③调节第一反射镜，使所述的一维聚焦光束垂直射入所述的延迟线；

④调节第二反射镜，使从所述的延迟线出射的一维聚焦光束垂直射入所述的二阶自相关仪；

⑤调节所述的高精度平移台，使从所述的延迟线输出的一维聚焦光束的一维焦线正好落在所述的二阶自相关仪的倍频晶体上；

⑥利用所述的二阶自相关仪测量所述的一维焦线的脉宽，即待测脉冲的远场脉宽，并通过所述的示波器记录。

与先技术相比，本发明具有以下显著特点：

1、本发明缩束系统是由凹面镜和凸面镜共焦放置组成的反射式缩束系统。即避免了缩束过程中光束焦点的存在，又不会引入额外的脉冲前沿畸变，从而影响待测脉冲的远场脉宽；缩束比可调，能实现任意大口径光束的单发测量；

2、所述的缩束系统缩束后的光束口径需小于二阶自相关仪中倍频晶体的有效尺寸，从而实现单发测量；

3、本发明所述的柱面镜为长焦柱面镜，在竖直方向上对光束一维聚焦，且焦距满足能够使一维焦线到达二阶自相关仪倍频晶体的光程要求；另外柱面镜也不会引入脉冲前沿畸变而影响待测脉冲的远场脉宽；

4、所述的延迟线需置于高精度平移台上，从而通过调节高精度平移台，延迟线能够使聚焦光束的一维焦线正好落于二阶自相关仪的倍频晶体上。

5、本发明实现了超强超短激光脉冲远场脉宽的单发直接测量，突破了原来远场脉宽等于近场局部脉冲宽度的近似。且操作简单、科学有效，实用性强。

附图说明

图1是本发明超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置的结构示意图；

图2是200TW/1Hz钛宝石激光系统的结构示意图；

图3是脉冲远场的实际情况及相应脉宽示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，图1是本发明超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置的结构示意图，由图可见，本发明超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置，包括：沿待测超强超短激光脉冲入射方向依次放置的凹面镜1、凸面镜2、柱面镜3、第一反射镜4、延迟线5、第二反射镜6、二阶自相关仪7和示波器8，所述的凹面镜1和凸面镜2组成反射式缩束系统，所述的柱面镜3是在竖直方向上形成一维聚焦的凹圆柱面的长焦距的柱面镜，所述的延迟线5置于一高精度平移台上，所述的待测超强超短激光脉冲首先由所述的反射式缩束系统缩束，再经所述的柱面镜3在竖直方向上形成一维聚焦光束，该聚焦光束依次通过所述的第一反射镜4、延迟线5、第二反射镜6，最后垂直射入所述的二阶自相关仪7，所述的二阶自相关仪7的输出端与所述的示波器8的输入端相连。

利用上述超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置进行超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量方法，该方法包括下列步骤：

①所述的超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置安装后，待测超强超短激光脉冲输入，调整所述的反射式缩束系统，使待测超强超短激光脉冲缩束后准直输出，且缩束后的光束口径小于二阶自相关仪7中倍频晶体的有效尺寸；

②调整所述的柱面镜3，使缩束后的光束在竖直方向上形成一维聚焦光束；

③调节第一反射镜4，使所述的一维聚焦光束垂直射入所述的延迟线5；

④调节第二反射镜6，使从所述的延迟线5出射的一维聚焦光束垂直射入所述的二阶自相关仪7；

⑤调节所述的高精度平移台，使从所述的延迟线5输出的一维聚焦光束的一维焦线正好落在所述的二阶自相关仪7的倍频晶体上；

⑥利用所述的二阶自相关仪7测量所述的一维焦线的脉宽，即待测脉冲的远场脉宽，并通过所述的示波器8记录。

所述的一维焦线在倍频晶体上发生自相关，利用示波器8可获得其相应的有效脉宽，即待测脉冲的远场脉宽。

实施例的待测脉冲是由如图2所示的200TW/1Hz钛宝石激光系统输出的脉冲光束，由图可见，钛宝石激光系统包括振荡器9、展宽器10、再生放大器11、第一透镜扩束器12、前置放大器13、第二透镜扩束器14、功率放大器15、第三透镜扩束器16、终端放大器17、第四透镜扩束器18和压缩器19。最终输出的脉冲光束直径为80毫米，所测得的近场局部脉宽为27飞秒。一般近似认为近场局部脉宽即为远场脉宽。

所述的200TW/1Hz钛宝石激光系统输出脉冲光束的前沿畸变主要来自于第一透镜扩束器12、第二透镜扩束器14、第三透镜扩束器16和第四透镜扩束器18，所引入的最大脉冲前沿畸变为55飞秒。也就是说此光束聚焦后，到达聚焦远场的第一个脉冲和最后一个脉冲之间的时间间隔为55飞秒。在输出脉冲光强分布均匀的基础上，在55飞秒脉冲前沿畸变的影响下，直径80毫米的超强超短激光脉冲在远场处的实际情况如图3所示。根据理论计算，上述超强超短激光脉冲对应的有效脉冲宽度即远场脉宽为38飞秒，要远大于所认为的近场局部脉宽27飞秒，实际所获得的聚焦强度也只有所认为的70％。

本发明实施例的参数如下：

首先利用凹面镜1(直径120毫米、焦距1600毫米)和凸面镜2(直径30毫米、焦距160毫米)共焦放置组成的反射式缩束系统把待测脉冲缩到8毫米口径，此时，待测脉冲口径小于所述的二阶自相关仪7中倍频晶体的尺寸(有效口径大概为12毫米)，从而可实现单发测量。然后，缩束后的光束被所述的柱面镜3(直径30毫米、焦距2000毫米)在竖直方向上形成一维聚焦，并依此通过第一反射镜4、延迟线5、第二反射镜6，再垂直射入所述的二阶自相关仪7。最后调节高精度平移台使通过延迟线5的聚焦光束的一维焦线正好落于所述的二阶自相关仪7的倍频晶体上，从而实现一维焦线有效脉冲宽度的测量，并通过示波器8记录测量结果，大概为40飞秒。所测得的结果即为待测超强超短激光脉冲的远场脉宽。

本发明的测量结果与理论计算基本一致，微小的差距可能来自于光栅式展宽-压缩系统以及测量误差。

Claims (2)

1.一种超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置，其特征在于该装置包括：沿待测超强超短激光脉冲入射方向依次放置的凹面镜(1)、凸面镜(2)、柱面镜(3)、第一反射镜(4)、延迟线(5)、第二反射镜(6)、二阶自相关仪(7)和示波器(8)，所述的凹面镜(1)和凸面镜(2)组成反射式缩束系统，所述的柱面镜(3)是在竖直方向上形成一维聚焦的凹圆柱面的长焦距的柱面镜，所述的延迟线(5)置于一高精度平移台上，所述的待测超强超短激光脉冲首先由所述的反射式缩束系统缩束，再经所述的柱面镜(3)在竖直方向上形成一维聚焦光束，该聚焦光束依次通过所述的第一反射镜(4)、延迟线(5)、第二反射镜(6)，最后垂直射入所述的二阶自相关仪(7)，所述的二阶自相关仪(7)的输出端与所述的示波器(8)的输入端相连。

2.利用权利要求1所述的超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置进行超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

①所述的超强超短激光脉冲远场脉宽的单发测量装置安装后，待测超强超短激光脉冲输入，调节所述的反射式缩束系统，使待测超强超短激光脉冲缩束后准直输出，且缩束后的光束口径小于二阶自相关仪(7)中倍频晶体的有效尺寸；

②调整所述的柱面镜(3)，使缩束后的光束在竖直方向上形成一维聚焦光束；

③调节第一反射镜(4)，使所述的一维聚焦光束垂直射入所述的延迟线(5)；

④调节第二反射镜(6)，使从所述的延迟线(5)出射的一维聚焦光束垂直射入所述的二阶自相关仪(7)；

⑤调节所述的高精度平移台，使从所述的延迟线(5)输出的一维聚焦光束的一维焦线正好落在所述的二阶自相关仪(7)的倍频晶体上；

⑥利用所述的二阶自相关仪(7)测量所述的一维焦线的脉宽，即待测脉冲的远场脉宽，并通过所述的示波器(8)记录。