CN110987200B - 一种阿秒脉冲的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种阿秒脉冲的测量方法及装置，包括：通过一束弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程，以改变待测阿秒脉冲产生过程中被电离的自由电子在自由态累积的相位，以对待测阿秒脉冲频谱进行微扰；弱飞秒脉冲为强度在预设强度区间的飞秒脉冲；调节弱飞秒脉冲与产生所述待测阿秒脉冲所用的驱动场之间的相对时延，得到待测阿秒脉冲频谱随所述相对时延变化的二维形迹图；通过重构算法从二维形迹图中提取出待测阿秒脉冲的完整时域结构信息。本发明引入一束额外较弱的飞秒脉冲对单阿秒脉冲产生过程进行微扰，通过改变两束脉冲之间的相对延时，得到单阿秒频谱随延时变化的二维图，最终通过PCGPA算法从二维图中提取出单阿秒脉冲的时间结构信息。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，更具体地，涉及一种阿秒脉冲的测量方法及装置。
背景技术
基于高次谐波提取的单阿秒脉冲由于其极高的时间分辨率，一直以来都是探测原子分子超快动力学过程的重要手段，因此对阿秒脉冲的完全测量显得至关重要。然而其超短的时间尺度，使得我们在实验上直接测量带来了很大的难题。目前主流的测量方法是利用阿秒脉冲与原子相互作用发生单光子电离过程，从而将单阿秒脉冲的频域信息转化到光电子谱中。随后引入一束红外对光电子能谱进行条纹调制，改变单阿秒脉冲与红外光之间的延迟得到光电子谱二维行迹图，最后通过有效算法从行迹图中提取单阿秒脉冲完整结构信息。
目前对阿秒测量方法主要为离位测量；这种测量方法表示阿秒脉冲的产生和测量在不同位置，比较典型的方法是FROG-CRAB技术，然而这种方法用到了中心动量近似，在重构频谱中心能量较低或者频谱较宽的单阿秒脉冲存在较大的误差。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有阿秒脉冲的测量方法(FROG-CRAB技术)使用了中心动量近似导致测量阿秒脉冲结果存在误差的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种阿秒脉冲的测量方法，包括以下步骤：
通过一束弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程，以改变所述待测阿秒脉冲产生过程中被电离的自由电子在自由态累积的相位，以对所述待测阿秒脉冲频谱进行微扰；所述弱飞秒脉冲为强度在预设强度区间的飞秒脉冲；
调节所述弱飞秒脉冲与产生所述待测阿秒脉冲所用的驱动场之间的相对时延，得到待测阿秒脉冲频谱随所述相对时延变化的二维形迹图；
通过重构算法从所述二维形迹图中提取出所述待测阿秒脉冲的完整时域结构信息。
在一个可选的示例中，所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式为：
d(t,τ)＝d0(t)e-iσ(t,τ)+c.c.
其中，d0(t)表示仅在所述驱动场作用下产生的阿秒脉冲的偶极矩，σ(t,τ)表示所述弱飞秒脉冲引入的额外相位，τ代表所述相对延时，c.c.表示复共轭。
在一个可选的示例中，对所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式求偶极加速度后，做傅里叶变换将得到的阿秒脉冲频谱随延时τ变化的二维行迹图表达式为：
其中，ω表示频率，d0(ω)和H(ω,τ)分别代表d0(t)和e-iσ(t,τ)的傅里叶变换。
在一个可选的示例中，从所述二维行迹图S(ω,τ)中提取出d0(ω)，通过对d0(ω)逆傅里叶变换得到d0(t)，最终提取待测阿秒脉冲Exuv(t)为：
第二方面，本发明提供一种阿秒脉冲的测量装置，包括：
频谱微扰单元，用于通过一束弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程，以改变所述待测阿秒脉冲产生过程中被电离的自由电子在自由态累积的相位，以对所述待测阿秒脉冲频谱进行微扰；所述弱飞秒脉冲为强度在预设强度区间的飞秒脉冲；
形迹图确定单元，用于调节所述弱飞秒脉冲与产生所述待测阿秒脉冲所用的驱动场之间的相对时延，得到待测阿秒脉冲频谱随所述相对时延变化的二维形迹图；
阿秒脉冲提取单元，用于通过重构算法从所述二维形迹图中提取出所述待测阿秒脉冲的完整时域结构信息。
在一个可选的示例中，所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式为：
d(t,τ)＝d0(t)e-iσ(t,τ)+c.c.
其中，d0(t)表示仅在所述驱动场作用下产生的阿秒脉冲的偶极矩，σ(t,τ)表示所述弱飞秒脉冲引入的额外相位，τ代表所述相对延时，c.c.表示复共轭。
在一个可选的示例中，所述形迹图确定单元对所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式求偶极加速度后，做傅里叶变换将得到的阿秒脉冲频谱随延时τ变化的二维行迹图表达式为：
其中，ω表示频率，d0(ω)和H(ω,τ)分别代表d0(t)和e-iσ(t,τ)的傅里叶变换。
在一个可选的示例中，所述阿秒脉冲提取单元从所述二维行迹图S(ω,τ)中提取出d0(ω)，通过对d0(ω)逆傅里叶变换得到d0(t)，最终提取待测阿秒脉冲Exuv(t)为：
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种阿秒脉冲的测量方法及装置，公开了一种全光的频率分辨光学门(A-FROG)测量单个阿秒脉冲的方法，我们利用一束周期量级的强飞秒脉冲，通过双光门技术产生单阿秒脉冲；随后我们引入一束额外较弱的飞秒脉冲对单阿秒脉冲产生过程进行微扰，通过改变两束脉冲之间的相对延时，我们得到单阿秒频谱随延时变化的二维图，最终我们通过PCGPA算法从行迹图中完整提取出单阿秒脉冲的时间结构信息。
本发明提供一种阿秒脉冲的测量方法及装置，由于该方法是一种全光的原位测量技术，因此其要求的实验装置简单；实验上通过对比FROG-CRAB方法，我们避免了中心动量近似引入的误差，得到了更复杂、准确的脉冲相位信息和更宽的脉宽，解决了FROG-CRAB技术的中心动量近似问题。因此我们的方案是一种简单、实用且高精度和准确度的新型测量单阿秒脉冲的手段。
附图说明
图1本发明提供的阿秒脉冲测量实验装置图以及实验测得单阿秒脉冲二维行迹图；
图2为本发明提供的阿秒脉冲测量原理示意图；
图3为本发明提供的理论计算的受微扰作用的单阿秒脉冲二维行迹图；
图4为本发明提供的理论二维行迹图中提取的单阿秒脉冲时域结构；
图5为本发明提供的实验上重构的单阿秒脉冲时域结构示意图；
图6为本发明提供的全光的频率分辨光学门(A-FROG)测量单个阿秒脉冲的方法与FROG-CRAB方法强度对比图；
图7为本发明提供的阿秒脉冲的测量装置架构图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为第一个20％反射分束镜，2为330微米石英片，3为延时系统，4为470微米石英片，5为第二个20％反射分束镜，6为光学聚焦透镜，7为倍频晶体(BBO)，8为气体池，9为铝膜，10为光栅。
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。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有原位测量方法的缺陷，本发明的目的在于提供一种更精确的原位测量单阿秒脉冲的方法，本方案实验装置简单且高效。
本发明提供一种更精确的原位测量单阿秒脉冲的方法，其具体步骤为：
(1)一束线性偏振少周期强飞秒脉冲(强度范围为：1～5×1014W/cm2)经通过双光门技术后，与靶气体相互作用，被电离的光电子由经典三步模型可知，在复合过程将伴随高次谐波辐射，产生单阿秒脉冲，如图2中条件B所示。
其中，上述强飞秒脉冲即为产生阿秒脉冲所用的驱动场。
(2)随后我们引入一束弱飞秒脉冲(强度范围为：<5×1012W/cm2)，对阿秒脉冲的产生过程进行微扰作用，这个微扰作用主要体现为改变由强驱动脉冲电离的自由电子在自由态累积的相位(如图2中条件A和条件C所示)，从而对单阿秒脉冲频谱进行微扰。
(3)改变驱动场和微扰场之间的相对延时τ，得到阿秒脉冲频谱随延时τ变化的二维行迹图。
(4)我们通过重构算法(PCGPA)从得到的二维行迹图中提取出单阿秒脉冲的完整时域结构。其具体提取原理为：引入微扰场后产生高次谐波的偶极矩表达式为：d(t,τ)＝d0(t)e-iσ(t,τ)+c.c.，其中d0(t)表示仅在强驱动光存在的条件下产生高次谐波的偶极矩，σ(t,τ)表示微扰场引入的额外相位，τ代表驱动场和微扰场之间的相对延时。对上述公式求偶极加速度后，做傅里叶变换将得到高次谐波频谱随延时τ变化的二维行迹图表达式为：
其中d0(ω)和H(ω,τ)分别代表d0(t)和e-iσ(t,τ)的傅里叶变换。随后我们通过PCGPA算法可以从二维行迹图S(ω,τ)中提取出d0(ω)，通过逆傅里叶变换得到d0(t)，最终提取单阿秒脉冲为对偶极矩求偶极加速度，其表达式为：
其中，偶极加速度即代表阿秒脉冲的辐射，即为待测阿秒脉冲。
基于上述方法，本发明提供了实验上测量单阿秒秒冲的实验装置图。如图1中(a)所示，包括第一个20％反射分束镜1，330微米石英片2，延时系统(位移台)3，470微米石英片4，第二个20％反射分束镜5，光学聚焦透镜6，倍频晶体(BBO)7，气体池8，铝膜9，光栅10。
如图2为我们测量单阿秒脉冲原理图。如图2中条件B所示，一束线性偏振少周期强飞秒脉冲经通过双光门技术后，与靶气体相互作用，被电离的光电子由经典三步模型可知，在复合过程将伴随高次谐波辐射(右边曲线为对应的高次谐波频谱)，产生单阿秒脉冲，随后我们引入一束弱飞秒脉冲,对阿秒脉冲的产生过程进行微扰作用，这个微扰作用主要体现为改变由强驱动脉冲电离的自由电子在自由态累积的相位(如图2中条件A和条件C所示)，从而对单阿秒脉冲频谱进行微扰(如图2右边曲线所示)。改变驱动场和微扰场之间的相对延时τ，得到阿秒脉冲频谱随延时τ变化的二维行迹图，利用PCGPA算法便可从二维行迹图中提取单阿秒脉冲完整波形。
在一个具体的实施例中，本发明模拟了在通过双光门技术后驱动场强度为3×1014W/cm2，中心频率750nm，与氩气相互作用产生单阿秒脉冲的条件，随后，我们引入一束额外微扰场，其强度为3×1011W/cm2，中心频率750nm，半高宽为两个光周期，对单阿秒脉冲产生过程进行微扰，扫描强驱动光与微扰场之间的延时，得到二维单阿秒脉冲光谱行迹图如图3所示。采用具体实施方式中的原理公式，利用该二维行迹图通过PCGPA算法重构单阿秒脉冲时间结构与原始单阿秒脉冲时间结构对照如图4所示，其重构脉冲强度误差在1％以内，相位也重构的较好，证明我们方法重构精度较高。
我们的实验装置如图1中(a)所示，具体实验步骤为：一束750nm少周期飞秒脉冲(强度约为3×1014W/cm2)经由20％反射分束镜1分为透射光(驱动场)和反射光(微扰场)，通过光阑调节微扰场与驱动场强度比约为1/1000；其中透射光经330微米石英片2、470微米石英片4和倍频晶体(BBO)7组成双光门，由光学聚焦透镜6聚焦与气体池8中的氩气相互作用产生单阿秒脉冲，残余近红外脉冲由铝膜9滤除，滤除残余近红外脉冲后得到的单阿秒脉冲由光栅10色散最后由CCD相机接收，图1中(a)的插图显示CCD上接收到的单阿秒脉冲频谱信息。另一束反射脉冲经由延时系统3后与驱动脉冲合束，共同打入气体池与氩气相互作用，对阿秒脉冲的产生过程起微扰作用，实验上，扫描两束脉冲的相对延时便在CCD相机上记录下单阿秒脉冲随延时变化的频谱二维行迹图，图1中(b)为本发明方案在实验上的二维行迹图，其实验参数与模拟参数大致相同，将图1中(b)的二维行迹图利用PCGPA算法重构，依据公式：
将得到d0(ω)，将d0(ω)作逆傅里叶变换得到d0(t)后，利用公式：
将提取出实验上产生的阿秒脉冲完整时间结构。
图5为从图1中(b)二维行迹图中依据上述算法与公式提取的实验上产生的单阿秒脉冲时域结构信息，实验上得到脉宽约为260as的单阿秒脉冲。以上结果表明，利用一束弱微扰场对阿秒脉冲产生过程进行微扰，扫描两束脉冲之间的相对延时得到的二维图，通过重构算法从二维行迹图中提取单阿秒脉冲完整时间结构信息是可行的。
图6为全光的频率分辨光学门(A-FROG)测量单个阿秒脉冲的方法(实线)与FROG-CRAB方法(虚线)精度对比图，我们的全光的频率分辨光学门测量出更宽的单阿秒脉冲脉宽以及更复杂的相位，一般而言，高阶色散引入更复杂的相位将使得脉冲脉宽变宽，而我们测得的脉冲的脉宽比FROG-CRAB技术更宽，表示我们的方法测得的相位更复杂、更准确，FROG-CRAB技术测量不准确是中心动量近似带来的误差，我们的实验方案避开了中心动量近似问题，因而测量结果更靠谱。表明我们的实验方案具有更高的准确度。
图7为本发明提供的阿秒脉冲的测量装置架构图，如图7所示，包括：频谱微扰单元210、形迹图确定单元220以及阿秒脉冲提取单元230。
频谱微扰单元210，用于通过一束弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程，以改变所述待测阿秒脉冲产生过程中被电离的自由电子在自由态累积的相位，以对所述待测阿秒脉冲频谱进行微扰；所述弱飞秒脉冲为强度在预设强度区间的飞秒脉冲；
形迹图确定单元220，用于调节所述弱飞秒脉冲与产生所述待测阿秒脉冲所用的驱动场之间的相对时延，得到待测阿秒脉冲频谱随所述相对时延变化的二维形迹图；
阿秒脉冲提取单元230，用于通过重构算法从所述二维形迹图中提取出所述待测阿秒脉冲的完整时域结构信息。
在一个可选的示例中，所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式为：
d(t,τ)＝d0(t)e-iσ(t,τ)+c.c.
其中，d0(t)表示仅在所述驱动场作用下产生的阿秒脉冲的偶极矩，σ(t,τ)表示所述弱飞秒脉冲引入的额外相位，τ代表所述相对延时，c.c.表示复共轭。
在一个可选的示例中，所述形迹图确定单元220对所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式求偶极加速度后，做傅里叶变换将得到的阿秒脉冲频谱随延时τ变化的二维行迹图表达式为：
其中，ω表示频率，d0(ω)和H(ω,τ)分别代表d0(t)和e-iσ(t,τ)的傅里叶变换。
在一个可选的示例中，所述阿秒脉冲提取单元230从所述二维行迹图S(ω,τ)中提取出d0(ω)，通过对d0(ω)逆傅里叶变换得到d0(t)，最终提取待测阿秒脉冲Exuv(t)为：
需要说明的是，图7中各个单元的具体功能可参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。
本发明公开了一种全光的频率分辨光学门(A-FROG)测量单个阿秒脉冲的方法，我们利用一束周期量级的强飞秒脉冲(1～5×1014W/cm2)，通过双光门技术产生单阿秒脉冲；随后我们引入一束额外较弱的飞秒脉冲(<5×1012W/cm2)对单阿秒脉冲产生过程进行微扰，通过改变两束脉冲之间的相对延时，我们得到单阿秒频谱随延时变化的二维图，最终我们通过PCGPA算法从行迹图中完整提取出单阿秒脉冲的时间结构信息。由于该方法是一种全光的原位测量技术，因此其要求的实验装置简单；实验上通过对比FROG-CRAB方法，我们避免了中心动量近似引入的误差，得到了更复杂、准确的脉冲相位信息和更宽的脉宽，解决了FROG-CRAB技术的中心动量近似问题。因此我们的方案是一种简单、实用且高精度和准确度的新型测量单阿秒脉冲的手段。
本领域的技术人员容易理解，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)
1.一种阿秒脉冲的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过一束飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程，以改变所述待测阿秒脉冲产生过程中被电离的自由电子在自由态累积的相位，以对所述待测阿秒脉冲频谱进行微扰；所述飞秒脉冲的强度小于5×1012W/cm2；
调节所述飞秒脉冲与产生所述待测阿秒脉冲所用的驱动场之间的相对时延，得到待测阿秒脉冲频谱随所述相对时延变化的二维形迹图；
通过重构算法从所述二维形迹图中提取出所述待测阿秒脉冲的完整时域结构信息。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述弱飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式为：
d(t,τ)＝d0(t)e-iσ(t,τ)+c.c.
其中，d0(t)表示仅在所述驱动场作用下产生的阿秒脉冲的偶极矩，σ(t,τ)表示所述飞秒脉冲引入的额外相位，τ代表所述相对时延 ，c.c.表示复共轭。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，对所述飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式求偶极加速度后，做傅里叶变换将得到的阿秒脉冲频谱随时延 τ变化的二维行迹图表达式为：
其中，ω表示频率，d0(ω)和H(ω,τ)分别代表d0(t)和e-iσ(t,τ)的傅里叶变换。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，从所述二维行迹图S(ω,τ)中提取出d0(ω)，通过对d0(ω)逆傅里叶变换得到d0(t)，最终提取待测阿秒脉冲Exuv(t)为：
5.一种阿秒脉冲的测量装置，其特征在于，包括：
频谱微扰单元，用于通过一束飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程，以改变所述待测阿秒脉冲产生过程中被电离的自由电子在自由态累积的相位，以对所述待测阿秒脉冲频谱进行微扰；所述飞秒脉冲的强度小于5×1012W/cm2；
形迹图确定单元，用于调节所述飞秒脉冲与产生所述待测阿秒脉冲所用的驱动场之间的相对时延，得到待测阿秒脉冲频谱随所述相对时延变化的二维形迹图；
阿秒脉冲提取单元，用于通过重构算法从所述二维形迹图中提取出所述待测阿秒脉冲的完整时域结构信息。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式为：
d(t,τ)＝d0(t)e-iσ(t,τ)+c.c.
其中，d0(t)表示仅在所述驱动场作用下产生的阿秒脉冲的偶极矩，σ(t,τ)表示所述飞秒脉冲引入的额外相位，τ代表所述相对时延 ，c.c.表示复共轭。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述形迹图确定单元对所述飞秒脉冲作用于待测阿秒脉冲的产生过程的表达式求偶极加速度后，做傅里叶变换将得到的阿秒脉冲频谱随时延 τ变化的二维行迹图表达式为：
其中，ω表示频率，d0(ω)和H(ω,τ)分别代表d0(t)和e-iσ(t,τ)的傅里叶变换。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述阿秒脉冲提取单元从所述二维行迹图S(ω,τ)中提取出d0(ω)，通过对d0(ω)逆傅里叶变换得到d0(t)，最终提取待测阿秒脉冲Exuv(t)为：
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| CN115979438B (zh) * | 2022-12-26 | 2023-09-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 单个阿秒脉冲的互相关测量方法和系统 |
Citations (4)
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| CN201173826Y (zh) * | 2008-02-01 | 2008-12-31 | 北京工业大学 | 超短脉冲宽度测试仪 |
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-
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Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Isolated attosecond pulse generation using multicycle pulses directly from a laser amplifier;Steve Gilbertson;《Physical Review》;20101231;全文 * |
| 利用43飞秒的强激光脉冲实现单个阿秒;曹伟;《物理学报》;20070331;第56卷(第3期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110987200A (zh) | 2020-04-10 |
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