CN111934165A - 一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法 - Google Patents

一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，属于激光技术领域，利用长脉冲泵浦光的飞行焦点在等离子体中的背向拉曼放大，调节飞行焦点强度和飞行速度，使得只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散噪声被放大，放大后的种子光产生时间剪切效果，从而获得脉宽远小于泵浦光超短脉冲；本发明通过飞行焦点技术来产生飞秒量级拉曼散射噪声和种子光用于背向拉曼放大，从而解决系统的同步抖动问题。

Description

一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生 方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光产生方法。
背景技术
目前获得高能、超短（一般是指脉冲时间宽度在10-12-10-15s之间，即1ps-1fs之间）、超强脉冲激光的主要技术途径是啁啾脉冲放大技术，其基本工作原理是：利用展宽器（通常由棱镜、光栅等色散元件组成）将一束短脉冲激光在时域上进行展宽(由于每一时刻的瞬时频率不同，展宽后的脉冲被称为啁啾脉冲)，展宽后的激光脉冲在放大器中进行放大，提取足够的能量，最后再通过压缩器将脉宽压窄，从而获得极高的脉冲峰值功率。
然而，随着脉冲功率密度不断提高，压缩光栅的损伤正在成为激光功率密度进一步提高的瓶颈。如现有的PW激光装置（1PW=1015 W）需要的光栅口径达到1m左右，几乎已经达到现有制造工艺的极限。因此，寻找新型高损伤阈值的材料来压缩超短脉冲成为未来高峰值激光发展的一个重要的方向。
等离子体作为一种不存在损伤阈值的介质而受到广泛关注。其主要原理为相对较长的泵浦光（皮秒量级）和较短的种子光（亚皮秒）在等离子体中对射，两者通过等离子体中有质动力产生高强度的电子朗缪尔波，该电子波将泵浦光的能量散射到种子光中，从而使种子光得到放大；在非线性放大阶段，种子光能耗尽泵浦光的能量，不仅能得到放大而且能得到压缩。通过理论计算和数值模拟发现，以现有的激光作为光源，种子光能被压缩到数十飞秒，在厘米口径的等离子体里面可以实现数百PW甚至EW（1PW=1018 W）的激光功率输出。
然而，这项技术面临着实验转换效率远低于理论预测的问题。其中一个比较重要的问题为泵浦脉冲与种子脉冲的同步问题：等离子体背向拉曼放大要求泵浦光与种子光的同步抖动精确到皮秒量级，而通常情况下激光系统的同步抖动达到几个皮秒，因而对放大过程有着很大的影响。如果直接采用拉曼散射噪声或者长脉冲种子光，则同步控制将变得十分简单，因为无论系统怎么抖动，拉曼散射噪声总会和泵浦光同时出现，或者长脉冲种子光总有一部分与泵浦光重合。然而，等离子体背向拉曼放大要求种子光的脉宽为亚皮秒量级。这一点与拉曼散射噪声（脉宽约为泵浦光脉宽）和长脉冲种子光是相矛盾的。因此，寻找新型方法产生亚皮秒量级的拉曼散射，或者把长脉冲种子光先压缩到亚皮秒然后再放大显得尤其重要。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所示：一种超短脉冲激光产生方法，利用长脉冲泵浦光的飞行焦点在等离子体中的背向拉曼散射，调节飞行焦点强度和飞行速度，使得只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散噪声被放大，放大后的种子光产生时间剪切效果，从而获得脉宽远小于泵浦光超短脉冲。
本发明涉及的一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，利用飞行焦点在等离子体中的背向拉曼放大效应来实现。具体而言，本发明的超短脉冲激光产生方法，包括如下内容：优选利用色差聚焦系统产生飞行焦点，调节飞行焦点速度使之与种子光的群速度相等，因此，有一部分拉曼散射噪声或者种子光始终与飞行焦点重合，其余部分拉曼散射噪声或者种子光则始终处于泵浦光的焦点外。然后，调节飞行焦点的强度，使得只有焦点处足以产生等离子体而进行背向拉曼放大。由于飞行焦点瑞利距离内对应的脉宽很短，放大后的种子光产生时间剪切效果，产生脉宽远小于初始种子光和泵浦光的超短脉冲。
本发明提供了一种新型的由长脉冲泵浦光产生短脉冲种子光的方法，对于超短脉冲技术和激光物理具有重要意义：一方面，可以把长脉冲转化为短脉冲，从而用于高速摄像、超快过程测量等飞秒脉冲应用领域；另一方面，本发明产生的种子光可以直接用于等离子体背向拉曼放大，简化现有的等离子体压缩技术，从而突破现有超高峰值超短脉冲技术的瓶颈，如峰值功率PW到EW（1EW=1018 W），光栅口径由m2到cm2。
本发明的超短脉冲激光产生方法的原理图如图1所示：图中
Figure 625649DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 416888DEST_PATH_IMAGE002
分别为相向传播的泵浦光和种子光，其中泵浦光初始长波长（浅色）为聚焦状态，其余部分为发散状态，则只有与长波长（浅色）焦点重合处的种子光得到放大；
Figure 558019DEST_PATH_IMAGE003
显示泵浦光中波长（中色）为聚焦状态，通过控制焦点移动速度与种子光传播速度相等，则
Figure 915051DEST_PATH_IMAGE002
中与长波长（浅色）焦点重合的种子光此时又与中波长（中色）的焦点重合；
Figure 749015DEST_PATH_IMAGE004
Figure 761970DEST_PATH_IMAGE005
则表示
Figure 706792DEST_PATH_IMAGE006
中与中波长（中色）焦点重合的种子光此时又与短波长（深色）的焦点重合。如图1所示，只有种子光的中心附近部分得到放大，则放大后的种子光产生时间剪切效应，从而由长脉冲变成短脉冲。
本发明的超短脉冲激光产生方法的核心在于：只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散射噪声能得到放大，因而产生脉宽远小于泵浦光的超短脉冲。
通常情况下，采用拉曼放大等方式不能产生比自身脉宽更短的激光脉冲。如固定焦点，长脉冲泵浦光产生拉曼散射的焦点空间位置相同，但是时间不一致，因此产生的拉曼散射为长脉冲。采用移动速度与拉曼散射光群速度相等的飞行焦点，则长脉冲泵浦光产生拉曼散射的焦点的空间位置不同，但时间上是叠加的。因此，通过背向拉曼放大后的种子光时间上产生时间压缩效应。
本发明的飞行焦点优选通过调节脉冲啁啾和系统色差聚焦系统产生。其中，所述色差聚焦系统优选由带有色差材料的开普勒透镜组组成。所述色差聚焦系统的具体表现形式为不同波长的光聚焦在不同位置，同一光束通过多个色差聚焦系统后色差会积累，即表现为某一波长的焦点偏离中心波长焦点越远，光束产生的传播方向的线聚焦越长。通过调节色差聚焦系统的色差大小和脉冲啁啾（通过光栅调节），使得飞行焦点在传播方向的飞行速度可调。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.相对于压缩光栅产生段脉冲技术，本发明的短脉冲产生过程在等离子体中进行，由于等离子体不会被激光损伤，可以大幅度提升产生短脉冲的峰值功率[由PW到EW（1018 W）]和缩小反应口径(m2到cm2)；
2.本发明产生的短脉冲可以实现频移，而目前的光栅压缩技术无法改变产生短脉冲波长；
3.相对于现有的等离子体背向拉曼放大技术，本发明无需采用短脉冲种子光，简化了压缩装置，同时解决了不同激光之间的同步抖动问题。
附图说明
图1为本发明的原理示意图：
图1中，
Figure 121593DEST_PATH_IMAGE001
长波长（浅色）聚焦泵浦光；
Figure 326791DEST_PATH_IMAGE002
长脉冲初始种子光；
Figure 827042DEST_PATH_IMAGE003
中波长（中色）聚焦泵浦光；
Figure 309976DEST_PATH_IMAGE006
剪切放大长脉冲初始种子光；
Figure 844863DEST_PATH_IMAGE004
短波长（深色）聚焦泵浦光；
Figure 20629DEST_PATH_IMAGE005
剪切放大后长脉冲初始种子光；
图2为本发明实施例的光路图：
图2中，1、初始啁啾脉冲；2、开普勒透镜组；3、双色镜（泵浦光高透，种子光高反）；4、泵浦光聚焦透镜；5、泵浦光线聚焦；6、等离子体，7、自相关仪；8、光谱仪；9、能量计；
图3为粒子模拟的拉曼散射功率密度演化二维图；
图3中x坐标为反应等离子体长度，y坐标表征激光焦斑大小，z坐标表示散射激光功率密度。图中给出了散射激光随着反应长度的增长情况；
图4为粒子模拟的散射激光脉宽演化过程图：
图4中横坐标为反应长度，纵坐标为散射激光半高全宽。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
一种超短脉冲激光产生方法，利用长脉冲泵浦光的飞行焦点在等离子体中的背向拉曼放大，调节飞行焦点强度和飞行速度，使得只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散噪声被放大，放大后的种子光产生时间剪切效果，从而获得脉宽远小于泵浦光超短脉冲；
以拉曼散射噪声产生短脉冲为例，具体实施方式见图2的光路图：
初始啁啾脉冲作为泵浦光，泵浦光通过色差材料（如ZF7）的开普勒透镜组2积累色差，随后通过双色镜3，由泵浦光聚焦透镜4产生泵浦光线聚焦5，并在气体中产生等离子体6,通过调节初始啁啾脉冲1的啁啾量可以调节泵浦光线聚焦5的焦点飞行速度；
最后，当飞行焦点的飞行速度等于种子光的群速度时，飞行焦点产生的等离子体背向拉曼散射通过透镜4准直后导出到测量系统，如自相关仪7（测量脉宽），的光谱仪8（测量光谱），能量计9（测量放大脉冲能量）进行测量。
为验证本发明方法，我们用粒子模拟程序进行了数值模拟仿真。
采用的泵浦光功率密度为2×1014 W/cm2，脉宽为26ps，聚焦焦斑为10微米，飞行焦点移动速度为0.96倍光速。激光聚焦到密度为1019/cm3的等离子体上。
结果如图3所示：模拟计算中没有采用种子光，当反应到1.5mm的时候开始产生出短脉冲种子光，经过4mm的等离子体背向拉曼散射和放大获得了2×1016 W/cm2的功率密度，高于泵浦功率密度100倍以上。
由于采用了飞行焦点，初始产生的中子光即为100fs左右，在放大过程中脉宽略有所增加，但是随后降低到50fs以下，如图4所示。粒子模拟显示：通过26ps的泵浦光产生了效应50fs的拉曼散射光，转换效率约为30%。
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 (5)

1.一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，其特征在于，利用长脉冲泵浦光的飞行焦点在等离子体中的背向拉曼放大，调节飞行焦点强度和飞行速度，使得只有与飞行焦点重合的种子光或者拉曼散噪声被放大，放大后的种子光产生时间剪切效果，从而获得脉宽远小于泵浦光超短脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，其特征在于：所述飞行焦点通过调节脉冲啁啾和色差聚焦系统产生。
3.根据权利要求2所述的一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，其特征在于：所述调节飞行焦点的飞行速度的方法为：调节所述色差聚焦系统的色差大小和脉冲啁啾。
4.根据权利要求3所述的一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，其特征在于：调节所述脉冲啁啾的方法为调节光栅。
5.根据权利要求2所述的一种基于飞行焦点和等离子体背向拉曼散射的超短脉冲产生方法，其特征在于：所述色差聚焦系统由带有色差材料的开普勒透镜组组成。
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