CN109100262A - 飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法 - Google Patents

飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法，该装置中飞秒激光经过两块分束片分成三束光，分别作为泵浦光，第一探测光P1，第二探测光P2。泵浦光在气腔中成丝形成等离子体通道，第一探测光P1经过等离子体通道作为等离子体引入变化量的载体，再由第二探测光P2通过互相关测量观测出变化量的数值从而反推出等离子体密度。其次通过侧向荧光分布解决等离子体纵向分布不均匀问题。本发明具有时间分辨能力高、调节方便和测量精确的特点。

Description

飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及强场激光等离子体，特别是一种飞秒激光成丝等离子密度的测量装置和测量方法。
背景技术
飞秒激光聚焦到气体介质中，随着聚焦光斑的减小，光密度逐渐增强会使气体发生电离产生等离子体，高密度等离子体又会引入等离子体散焦效应，这样克尔自聚焦与等离子体散焦达到动态平衡就会形成长丝(可参阅文献A.Braun,et al Opt.Lett.20,73,1995)。人们在研究飞秒激光与气体相互作用时，观测到了等离子体通道中的许多物理现象，如：多丝现象，超连续谱的产生，锥形辐射等等，因此对等离子体特性进行诊断可以获得更多的物理信息。但通常飞秒光诱导的等离子体“存活”的时间短，通道周围光强大，温度高，体积小，不稳定，空间分布不均匀，因此很难采用常规的方法进行测量。目前实验上对激光等离子体密度诊断主要采用激光探针干涉法，即通过分析等离子体调制后的相移信息，反推出等离子体密度信息，但通常这些测量方法忽略了等离子体空间分布的不均匀，且受限于激光的相干长度而造成低的时间分辨能力。
发明内容
本发明旨在提供一种飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法。该装置能更精确，具有更高的时间分辨率测量等离子体密度，解决了成丝中等离子体纵向分布不均匀性引入的测量误差问题。
本发明技术解决的基本思想是：
飞秒激光在气体中成丝后形成的等离子体通道的折射率与原气体的折射率不同，利用一束超快探测光经过待测的等离子体可以感应出其变化量，再利用另一束超快探测光结合互相关测量方法测出对应的改变量，从而根据公式反演出等离子体密度。其中通过侧向荧光分布观测来解决等离子体通道存在的纵向分布不均匀问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种飞秒激光成丝等离子体密度的测量装置，其特点是：飞秒激光经过第一分束片，将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光，在所述泵浦光路依次放置第一合束镜，聚焦透镜，气腔，准直透镜，第一滤波片，所述探测光经过第二分束片分为第一探测光和第二探测光，在所述第一探测光光路依次放置第一延时线，倍频晶体，第二滤波片，缩束系统，然后与所述泵浦光共线入射到所述气腔中，在所述第二探测光依次放置反射镜，第二延时线，然后与所述探测光经第二合束镜，和频晶体，光栅光谱仪进行互相关测量。其中所述缩束系统由一块凸透镜和一块凹透镜组合而成，所述两个延时线均是由两块反射镜90°放置并置于可移动平台上构成。等离子体通道的侧向荧光测量装置，在等离子体通道侧向放置成像透镜，光纤光谱仪系统，观测其侧向荧光分布，所述光纤光谱仪系统由光纤连接光纤光谱仪主机，将光纤装于光纤支架，并将光纤支架置于可移动平台上构成。
利用上述的装置进行等离子体密度测量，包括下列步骤：
①开启飞秒激光器，调整光路，使所述的飞秒激光在所述的气腔中成丝，形成等离子体通道；
②调节所述第一合束镜及移动所述的第一延时线，通过观察等离子体衍射效应判断所述泵浦光和第一探测光在空间和时间上重合；
③移动所述的第二延时线使输入第二合束镜的第一探测光和第二探测光在时间上重合，再优化所述的和频晶体，使所述第一探测光和第二探测光在和频晶体满足最佳相位匹配，此时和频信号最强，并记录所述的第二延时线的位置x1；
④使用第一光学挡板挡住所述泵浦光，重复步骤③，记录所述第二延时线的位置x2，得出等离子体引入的时间差
⑤使用第二光学挡板挡住所述探测光路，将等离子体通道成像于所述光纤光谱仪系统，移动光纤并采集等离子体通道不同位置荧光的强度，得到归一化的荧光强度分布G(l)；
⑥最后根据步骤④⑤记录的结果计算出等离子体的密度分布：
其中，n0为气体折射率，ω为所述第一探测光频率，l0为等离子体通道长度，c为光速，me，e分别为电子质量和电荷量。
本发明的技术效果如下：
①采用超快脉冲作为探针，可以较好地诊断出不同时刻等离子体的特性，具有较高的时间分辨能力。
②通过测量侧向荧光分布来解决等离子体通道纵向分布不均匀的问题，可以有效地减小测量误差。
③采用超快互相关测量，测量方法较为直接，便捷，操作简单，本发明具有时间分辨能力高、调节方便和测量精确的特点。
附图说明
图1是等离子体密度测量装置的光路示意图
其中：1为飞秒激光器，2为第一分束片，3为第一合束镜，4为聚焦透镜，5为气腔，6为等离子体通道，7为准直透镜，8为第一滤波片，9为第二分束片，10为第一延时线，11为倍频晶体，12为第二滤波片，13为缩束系统，14为反射镜，15为第二延时线，16为第二合束镜，17为和频晶体，18为光栅光谱仪，19为成像透镜，20为光纤光谱仪系统，21为第一光学挡板，22为第二光学挡板。
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，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明飞秒成丝等离子体密度测量装置的光路示意图。由图可见，本发明飞秒激光成丝等离子体密度测量装置，包括泵浦探测部分，互相关测量部分以及侧向荧光测量部分。
泵浦探测部分主要包括：所述飞秒激光器1产生的飞秒光经过所述的分束片2分成两束光路，其中一束分到90％的能量作为所述的泵浦光，另一束获得10％的能量再经过所述的第二分束片9分成两束，分到50％能量为所述第一探测光P1作为等离子体诊断的探针，另一束作为所述第二探测光P2测量出等离子体引入的变化量。第一探测光P1能量很弱，无法电离产生等离子体，其经过所述的第一延时线10调控与泵浦光的时域重合，再经过所述的倍频晶体11倍频至两倍光频率便于滤波，再经过所述第二滤波片12、缩束系统13、第一合束镜3、聚焦透镜4、与所述泵浦光共同聚焦到所述气腔5，然后通过所述的准直透镜7将光束准直，再经过所述的第一滤光片8将所述的泵浦光滤掉。由于泵浦光的高能量，窄脉宽使其会在气体中形成明亮的等离子体通道6，其中缩束系统13是为了减小倍频光入射光斑来增大其瑞利长度，使其聚焦光束可以更均匀地经过等离子体通道6提高测量精度。
互相关测量部分主要包括：所述第二探测光P2经所述的反射镜14、第二延时线15，经所述第二合束镜16与所述的第一探测光P1合束，经和频晶体17，光栅光谱仪18进行互相关测量。
侧向荧光测量部分主要用于解决等离子体纵向分布不均匀性问题，包括所述的成像透镜19和光纤光谱仪系统20。所述的成像透镜19放置于等离子体通道的一侧成像透镜19的两倍焦距处，所述的光纤光谱仪系统20置于所述的成像透镜19另一侧两倍焦距处，组成2f-2f系统，成等大倒立的像。
具体理论演算过程如下：
首先，飞秒激光聚焦到气体中形成的等离子体与原有气体相比折射率不同，其取决于等离子体密度Ne，公式如下：
其中，n0为气体的折射率，ω为第一探测光P1的光频率，为等离子体频率，e，me分别为电子的电荷量和质量。因为因此可将式(1)泰勒展开并取前两项。即代入ωp的表达式，算出等离子体与原有气体的折射率的变化量为：
如果不考虑等离子体纵向分布的不均匀，第一探测光P1经过等离子体会引入光程对应的时间为l0为等离子体通道的长度，c为光速。
移动所述第二延时线15，可以观测到第一探测光P1与第二探测光P2在所述和频晶体17作用的信号，为了减小两束光在晶体中的色散的影响，提高测量的精确度选择厚度为100μm的和频晶体。考虑等离子体的纵向分布不均匀，由于自发辐射荧光强度随着等离子体通道的长度变化会呈高斯分布，设归一化的高斯分布为G(l)。对比有无泵浦光作用时，互相关信号最强值对应的时间差Δτ，即为等离子体引入的时间差，所以，得出：
最后得出飞秒激光成丝中等离子体的密度分布：

Claims (2)

1.一种飞秒激光成丝等离子体密度测量装置，其特征在于该装置包括：飞秒激光(1)经过第一分束片(2)，将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光，在所述的泵浦光方向依次是第一合束镜(3)、聚焦透镜(4)、气腔(5)、准直透镜(7)、第一滤波片(8)、第二合束镜(16)、和频晶体(17)和光栅光谱仪(18)，
所述的探测光经过第二分束片(9)分为第一探测光(P1)和第二探测光(P2)，在所述的第一探测光(P1)方向依次是第一延时线(10)、倍频晶体(11)、第二滤波片(12)、缩束系统(13)、第一合束镜(3)，第一探测光(P1)在第一合束镜(3)与所述的泵浦光合束后共线入射到所述气腔(5)中，所述的第一探测光(P1)经所述的准直透镜(7)、第一滤波片(8)进入第二合束镜(16)；
沿所述的第二探测光(P2)方向依次是反射镜(14)、第二延时线(15)、第二合束镜(16)，所述第二探测光(P2)经所述第二合束镜(16)与所述的第一探测光(P1)合束后经所述的和频晶体(17)、光栅光谱仪(18)进行互相关测量；
所述缩束系统(13)由一块凸透镜和一块凹透镜组合而成，所述第一延时线(10)和第二延时线(15)均是由两块反射镜90°放置并置于可移动平台上构成；
所述的等离子体通道(6)的侧向荧光测量装置由在等离子体通道侧向放置的成像透镜(19)和光纤光谱仪系统(20)构成，所述的成像透镜(19)置于所述的等离子体通道(6)的一侧成像透镜(19)的两倍焦距处，所述的光纤光谱仪系统(20)置于成像透镜(19)另一侧两倍焦距处，组成2f-2f系统，观测其侧向荧光分布，所述光纤光谱仪系统(20)由光纤连接光纤光谱仪主机，将光纤装于光纤支架，并将光纤支架置于可移动平台上构成。
2.利用权利要求1所述的飞秒激光成丝等离子体密度测量装置测量等离子体密度的方法，特征在于该方法包括下列步骤：
①开启飞秒激光器(1)，调整光路，使所述的飞秒激光(1)在所述的气腔(5)中成丝，形成等离子体通道(6)；
②调节所述第一合束镜(3)及移动所述的第一延时线(10)，通过观察等离子体衍射效应判断所述泵浦光和第一探测光在空间和时间上重合；
③移动所述的第二延时线(15)使输入第二合束镜(16)的第一探测光(P1)和第二探测光(P2)在时间上重合，再优化所述的和频晶体(17)，使所述的第一探测光(P1)和第二探测光(P2)在和频晶体(17)满足最佳相位匹配，此时和频信号最强，并记录所述的第二延时线的位置x1；
④使用第一光学挡板(21)挡住所述泵浦光，重复步骤③，记录所述的第二延时线的位置x2，得出等离子体引入的时间差
⑤使用第二光学挡板(22)挡住所述探测光路，将等离子体通道(6)成像于所述光纤光谱仪系统(20)，移动光纤并采集等离子体通道(6)不同位置荧光的强度，得到归一化的荧光强度分布G(l)；
⑥最后根据步骤④⑤记录的结果按下式计算出等离子体的密度分布：
其中，n0为气体折射率，ω为所述第一探测光(P1)频率，l0为等离子体通道长度，c为光速，me，e分别为电子的质量和电荷量。
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