CN108519567A - 脉冲磁场测量方法以及相应的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种脉冲磁场测量方法，包括如下步骤：步骤一：将啁啾脉冲与待测脉冲磁场同步地施加在磁光晶体上；步骤二：将从所述磁光晶体出射的光分成偏振方向相互垂直的寻常光和异常光；步骤三：采集所述寻常光和所述异常光的光谱分布图；步骤四：将所述待测脉冲磁场关闭，重复所述步骤二和所述步骤三；以及步骤五：基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系、有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。本发明的脉冲磁场测量方法不受电磁干扰的影响，时间分辨率高。
Description
技术领域
本发明属于磁场测量领域，尤其涉及一种脉冲磁场测量方法以及相应的装置。
背景技术
利用强激光驱动产生的脉冲磁场已经广泛应用于惯性约束聚变、实验室天体物理、粒子加速等领域。该脉冲磁场强度较高且变化极快，时间演化dB/dt能达到109～1012T/s。准确地测量脉冲磁场的时间演化对激光驱动的脉冲磁场的研究具有十分重要的意义。目前，在激光等离子体实验中，测量磁场的方法主要有B-dot磁探针、质子成像、法拉第旋转等。虽然这几种方法都可以测量脉冲磁场的时间演化过程，但也都有局限和不足之处。
B-dot磁探针易受激光与物质相互作用产生的电磁干扰的影响，尤其是在相对论激光的实验中，测得信号的信噪比较低。B-dot磁探针的时间分辨率为几十皮秒。
质子成像需要额外的高功率激光器产生质子源，实现难度较大。最高时间分辨为皮秒量级，时间分辨率越高，所需质子能量也越高，对驱动质子源要求较高。
法拉第效应(又叫法拉第旋转，磁致旋光)是一种磁光效应(magneto-opticeffect)，是在介质内光波与磁场的一种相互作用。法拉第效应会造成偏振平面的旋转，这旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系。通常采用条纹相机探测脉冲磁场的时间演化。这种方法的时间分辨率受条纹相机分辨率的限制。尽管现在已经有商用的皮秒分辨率的条纹相机，但造价昂贵，同步精度要求高。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种脉冲磁场测量方法，包括如下步骤：
步骤一：将啁啾脉冲与待测脉冲磁场同步地施加在磁光晶体上；
步骤二：将从所述磁光晶体出射的光分成偏振方向相互垂直的寻常光和异常光；
步骤三：采集所述寻常光和所述异常光的光谱分布图；
步骤四：将所述待测脉冲磁场关闭，重复所述步骤二和所述步骤三；以及
步骤五：基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系、有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。
根据本发明的脉冲磁场测量方法，优选地，所述啁啾脉冲的中心波长为800nm。
根据本发明的脉冲磁场测量方法，优选地，所述步骤五包括如下子步骤：
子步骤1：基于有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，根据公式计算得到无脉冲磁场时啁啾脉冲的偏振角度θ1和有脉冲磁场时啁啾脉冲的偏振角度θ2的光谱分布信息，其中，Io为寻常光的光强，Ie为异常光的光强；
子步骤2：计算θ1和θ2的差值，得到在脉冲磁场的作用下啁啾脉冲的偏振方向的偏转角度Δθ；
子步骤3：根据公式Δθ＝BLV，得到磁场强度的光谱分布信息，其中，B为磁场强度，L为所述磁光晶体的长度，V为Verdet常数；以及
子步骤4：基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系以及所述磁场强度的光谱分布信息，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。
根据本发明的脉冲磁场测量方法，优选地，所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系为随着时间的增加波长减小。
本发明还提供了一种脉冲磁场测量装置，包括：
啁啾脉冲发生装置，用于产生啁啾脉冲；
脉冲磁场控制单元，用于控制所述待测脉冲磁场的打开和关闭；
磁光晶体，待测脉冲磁场沿着所述磁光晶体的晶轴与所述啁啾脉冲同步地施加在所述磁光晶体上；
双折射偏振器件,用于将从所述磁光晶体输出的光分成偏振方向相互垂直的寻常光和异常光；
光谱采集装置，用于采集有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、和没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图；以及
计算单元，其基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系、有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。
根据本发明的脉冲磁场测量装置，优选地，所述啁啾脉冲发生装置包括飞秒掺钛蓝宝石激光器、展宽器和放大器。
根据本发明的脉冲磁场测量装置，优选地，所述双折射偏振器件是渥拉斯顿棱镜。
根据本发明的脉冲磁场测量装置，优选地，所述光谱采集装置包括光谱仪和CCD。
根据本发明的脉冲磁场测量装置，优选地，还包括反射镜，其设置在所述啁啾脉冲发生装置和所述磁光晶体之间，用于调节所述啁啾脉冲的光程。
根据本发明的脉冲磁场测量装置，优选地，所述反射镜为全反射镜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)不受激光与物质相互作用产生的电磁干扰的影响。
(2)时间分辨率高。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的正啁啾脉冲波形；
图2为根据本发明实施例的光路结构示意图；
图3为根据本发明实施例的探针光分别在有磁场作用和无磁场作用时的光谱分布图；
图4为根据本发明实施例的探针光分别在有磁场作用和无磁场作用时探针光的偏振角度的光谱分布图；
图5为根据本发明实施例的磁场强度的光谱分布图；
图6为根据本发明实施例的不同延时下，磁场强度的光谱分布图像；
图7为根据本发明实施例的不同延时下，磁场峰值对应的波长分布；以及
图8为根据本发明实施例测得的磁场强度随时间变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，高功率飞秒激光装置几乎都是采用啁啾脉冲放大技术。这种技术可以有效的降低放大晶体中脉冲的瞬时功率，有效的避免非线性效应的产生，保护光学元件。啁啾脉冲放大激光装置主要包括：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。振荡器提供待放大的飞秒量级的种子脉冲，然后经展宽器展宽到几百皮秒后再进行放大。脉冲经过放大后再通过压缩器被压缩回飞秒脉冲。在本发明中，采用展宽之后的啁啾脉冲作为法拉第旋转测量的探针光，由于不同波长的光色散能力不同，其在展宽器中所走的总光程也不同，因而展宽之后形成的啁啾脉冲中，光的波长变化方向实质也是时间的演化方向。如图1所示的根据本发明实施例的正啁啾脉冲波形，横轴是波长，纵轴是强度。在正啁啾脉冲的情况下，波长减小的方向即为时间演化的方向。因此，啁啾脉冲是具有时间分辨能力的，其时间分辨率取决于啁啾脉冲的带宽。当以啁啾脉冲作为探针光时，只需用光谱仪将不同波长的光分辨出来，便可以得到不同时刻的诊断信息。
图2示出根据本发明实施例的测量脉冲磁场的装置图。中心波长为800nm的飞秒钛宝石激光器1发出的飞秒激光经过展宽器2展宽，被反射镜3反射后进入放大器4，形成半高宽为630ps的啁啾脉冲作为探针光，探针光依次通过全反射镜5-8，与待测脉冲磁场9同步地施加在磁光晶体10上，待测脉冲磁场9沿着磁光晶体10的晶轴方向，反射镜5和6组成延时线，用于调节探针光的光程，反射镜8使探针光穿过磁光晶体10。探针光经过磁光晶体10之后，由于法拉第效应，偏振面会发生偏转，出射探针光的偏振方向相比入射探针光的偏振方向的偏转角度为Δθ，其正比于磁场强度B，
Δθ＝BLV (1)，
其中，L为晶体长度，V为Verdet常数。从磁光晶体10出射的探针光经过成像透镜11然后进入渥拉斯顿棱镜12。成像透镜11将磁光晶体10的后表面，即探针光的出射面，成像到CCD 14上。渥拉斯顿棱镜12放置在成像透镜11的焦点附近并且将探针光分成偏振方向相互垂直的寻常光(o光)和非常光(e光)，前后调节渥拉斯顿棱镜12的位置，使o光和e光在CCD14上完全分离。
用光谱仪13采集探针光的o光和e光的光谱信息，然后，将待测脉冲磁场关闭，采集无脉冲磁场作用时探针光的o光和e光的光谱信息，如图3所示的探针光的o光和e光分别在有磁场作用和无磁场作用时的光谱分布图。基于所采集的有脉冲磁场作用和没有脉冲磁场作用的o光和e光的光谱信息，再借助于啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系，就可以得到待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。具体来说：
基于图3的光谱分布图，针对每一个波长按照如下公式计算：
其中，Io为o光的光强，Ie为e光的光强，分别得到无脉冲磁场作用时的探针光的偏振角度θ1和有脉冲磁场作用时的探针光偏振角度θ2的光谱分布信息。如图4所示的探针光分别在有磁场作用和无磁场作用时探针光的偏振角度的光谱分布图。计算θ1和θ2的差值，可以得到探针光偏振方向的偏转角度Δθ。代入公式(1)，可以得到磁场强度的光谱分布信息。如图5所示的脉冲磁场强度的光谱分布图。
然后，基于啁啾脉冲的波长变化与时间演化的关系，通过调节由反射镜5和6组成的延时线，测量不同延时下磁场强度的光谱分布，测量结果如图6所示，为了简单起见，图6仅示出延时0ps、-267ps、-400ps和-533ps的情况下的磁场强度的光谱分布，可以看出，对于正啁啾脉冲，减小探针光的延时，磁场信号向波长增加的方向移动。图7示出不同延时下，磁场强度最大值对应的波长。通过计算图7曲线的斜率，可以得到波长变化与时间演化的具体关系，本实施例中曲线的斜率为18.85ps/nm。将波长与时间的对应关系代入图5中磁场光谱曲线中，可以得到图8所示的脉冲磁场随时间的演化关系。
本发明的时间分辨率是由啁啾脉冲的带宽Λ，光谱仪的狭缝宽度w，光谱仪的分辨率l共同决定的，时间分辨率
τ＝l·Λ·w/m (3)
其中m为成像光谱仪的放大倍数。比如，采用12ps/nm的啁啾脉冲，狭缝宽度设置为20μm，光谱仪放大倍数为1，光栅常数为2400g/mm，谱仪的焦距为750mm，则光谱仪的线分辨率为0.16nm/mm，代入式(3)，可以推出此系统的最高时间分辨率为0.037ps，相比现有技术的皮秒量级分辨率提高了两个数量级。
在本发明中，图2中的1、2、3和4构成产生啁啾脉冲的装置，可以用本领域公知的啁啾脉冲产生装置来替换。
根据本发明的其他实施例，图2中的5、6、7和8并非全反射镜，而是公知的普通反射镜，利用全反射镜的目的是为了提高反射率。
根据本发明的其他实施例，图2中的渥拉斯顿棱镜12用任意其他的双折射偏光器件来替换。
根据本发明的其他实施例，光谱采集装置根据啁啾脉冲的中心波长来选择。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种脉冲磁场测量方法，包括如下步骤：
步骤一：将啁啾脉冲与待测脉冲磁场同步地施加在磁光晶体上；
步骤二：将从所述磁光晶体出射的光分成偏振方向相互垂直的寻常光和异常光；
步骤三：采集所述寻常光和所述异常光的光谱分布图；
步骤四：将所述待测脉冲磁场关闭，重复所述步骤二和所述步骤三；以及
步骤五：基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系、有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。
2.根据权利要求1所述的脉冲磁场测量方法，其中，所述啁啾脉冲的中心波长为800nm。
3.根据权利要求1所述的脉冲磁场测量方法，其中，所述步骤五包括如下子步骤：
子步骤1：基于有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，根据公式计算得到无脉冲磁场时啁啾脉冲的偏振角度θ1和有脉冲磁场时啁啾脉冲的偏振角度θ2的光谱分布信息，其中，Io为寻常光的光强，Ie为异常光的光强；
子步骤2：计算θ1和θ2的差值，得到在脉冲磁场的作用下啁啾脉冲的偏振方向的偏转角度Δθ；
子步骤3：根据公式Δθ＝BLV，得到磁场强度的光谱分布信息，其中，B为磁场强度，L为所述磁光晶体的长度，V为Verdet常数；以及
子步骤4：基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系以及所述磁场强度的光谱分布信息，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。
4.根据权利要求1所述的脉冲磁场测量方法，其中，所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系为随着时间的增加波长减小。
5.一种脉冲磁场测量装置，包括：
啁啾脉冲发生装置，用于产生啁啾脉冲；
脉冲磁场控制单元，用于控制所述待测脉冲磁场的打开和关闭；
磁光晶体，待测脉冲磁场沿着所述磁光晶体的晶轴与所述啁啾脉冲同步地施加在所述磁光晶体上；
双折射偏振器件,用于将从所述磁光晶体输出的光分成偏振方向相互垂直的寻常光和异常光；
光谱采集装置，用于采集有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、和没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图；以及
计算单元，其基于所述啁啾脉冲的波长变化和时间演化之间的关系、有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图、以及没有脉冲磁场作用的寻常光和异常光的光谱分布图，计算得到所述待测脉冲磁场的强度随时间的变化关系。
6.根据权利要求5所述的脉冲磁场测量装置，其中，所述啁啾脉冲发生装置包括飞秒蓝宝石激光器、展宽器和放大器。
7.根据权利要求5所述的脉冲磁场测量装置，其中，所述双折射偏振器件是渥拉斯顿棱镜。
8.根据权利要求5所述的脉冲磁场测量装置，其中，所述光谱采集装置包括光谱仪和CCD。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的脉冲磁场测量装置，还包括反射镜，其设置在所述啁啾脉冲发生装置和所述磁光晶体之间，用于调节所述啁啾脉冲的光程。
10.根据权利要求9所述的脉冲磁场测量装置，其中，所述反射镜为全反射镜。
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