CN1140830C - 一种监控激光聚焦的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光与物质相互作用领域。本发明的监控激光聚焦的方法，首先，通过激光器的输出光束经扩束器扩束后，光束通过真空窗口进入真空靶室；然后，利用聚焦光学元件将该光束聚焦到金属固体靶上，激光与固体靶相互作用产生的靶电位由靶定位系统测量；最后，与靶定位系统直接连接的示波器实时给出由靶电位产生的电流信号，用计算机系统或X-Y记录仪给出示波器输出的电流信号的时间关系曲线。本发明具有操作简便、直观，可实时快速测定激光最佳聚焦位置的特点，为利用中、低能量输出的激光器进行强场物理研究提供了一种可实施的方法。
Description
本发明涉及激光与物质相互作用领域。
传统物理学研究的主要内容是物质中的电子在原子内部电场(～109V/cm)作用下表现出来的行为和性质。近年来随着超短脉冲激光放大技术的重大突破，目前的超短脉冲强激光已经可以产生比原子内场大得多的电场，从而出现了一门新兴学科-强场物理。其应用前景涉及“快点火”惯性约束核聚变，超短、超强脉冲X射线光源，高能电子源等许多重要前沿课题(文献1：张杰，物理26，(1997)643)。
精确定位激光的焦点于靶面上是激光与物质相互作用研究的关键技术之一。由于高能量输出的长脉冲激光器的价格是非常昂贵的，通过将激光束最佳聚焦到靶面上，可以使一些中、小输出能量的超短脉冲激光器用于强场物理的研究。我们通过精确聚焦激光，应用输出能量仅5mJ，脉宽120飞秒的小能量超短脉冲激光，已经在超短脉冲激光与固体靶相互作用方面取得了一些很好的物理结果，如：高能γ射线的产生(文献2：P.Zhang，and J Zhang etc.，Phys.Rev.E57，(1998)R3746)，首次观察到高能超热电子的定向发射并测量其角分布(文献3：T.J.Liang，and J.Zhang etc.，to be submitted to Phys.Rev.Lett.)，首次测量到超强超短激光与等离子体相互作用产生的轴向磁场(文献4：Y.T.Li，and J.Zhang，to be submitted to Phys.Rev.Lett.)等等。传统监测激光聚焦的手段有：1)用与超短脉冲共线的连续He-Ne激光器输出光束模拟聚焦，并用显微镜监测其焦斑尺寸，寻找最小焦斑时的靶位置。2)用针孔相机测定真实焦斑尺寸，寻找最小焦斑位置。或3)通过实时监测γ射线的产额，确定焦点位置。用He-Ne激光器输出光束模拟聚焦的方法，由于模拟激光与实际超短脉冲激光的波长及光束质量的差异，使得所测焦点位置往往并非最佳的聚焦位置，只能作为寻找焦点的第一步。用针孔相机测定的焦点位置，技术复杂，一般不能实时显示，且测量的动态范围较窄，故实用上并不方便。而通过实时监测γ射线的产额来确定焦点位置的方法，由于其动态范围较窄，不易快速测定焦点位置。
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种实时监控激光聚焦的方法。该方法操作简便，测量动态范围大，快速，直观。
本发明的目的是这样实现的：
以图1为例说明：激光器1的输出光束经扩束器2扩束，光学升降器3调整光的偏振方向、光束传播方向和高度，第一光阑4、第二光阑5定位光束方向，光束通过真空窗口6进入真空靶室7，聚焦光学元件8将光束聚焦到金属固体靶9上，靶定位系统10调整靶与聚焦光学元件间的距离，同轴电缆芯做的靶电位探针11直接连接靶和示波器12，示波器12实时给出由靶电位产生的电流信号。用计算机系统或X-Y记录仪给出电流信号的时间关系曲线。图2为用上述的监控装置测得的示波器电流强度信号。本发明根据第一个峰的幅度判定聚焦好坏。峰值越高，聚焦越好。
监控激光对固体靶的聚焦也可用放在靶上方约4毫米，平行或垂直于靶的环形线圈取代同轴电缆芯作为靶电位探针，通过同轴电缆将线圈与示波器连接。示波器实时监测在环形线圈中产生的感应电流信号。该监控聚焦的方法还可用于非金属靶。
本发明还可以省去扩束器。
本发明还可以省去光学升降器。
本发明还可以省去光阑。
本发明的激光聚焦监控方法既可在真空环境下进行，也可在非真空环境下进行。
本发明所用的聚焦光学元件是一到多块透镜、球面或非球面反射聚焦镜。
本发明还可用控制聚焦光学元件的定位系统代替靶定位系统。
本发明还可用信号平均器代替示波器测量靶电流信号。
本发明的激光聚焦监控技术的操作极其简单，测量的动态范围很大，能实时定量给出聚焦状态，因此是一种简便、快速、直观地决定激光焦点位置的方法，为利用低能量输出的激光器进行强场物理的研究，提供了一种可实施的方法。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是本发明的一种实施例组成示意图，
图2是用本发明探测到的由靶电位产生的电流信号，
其中：1-激光器； 2-扩束器； 3-光学升降器；
4-第一光阑； 6-靶室窗口； 7-真空靶室；
8-聚焦光学元件； 9-固体靶； 10-靶定位系统；
11-靶电位探针 ； 12-电流测量系统 5-第二光阑。
实施例1
按图1所示监控激光对铝靶的聚焦。激光器1的输出光束经扩束器2扩束，光学升降器3调整光的偏振方向、光束传播方向和高度，第一光阑4、第二光阑5定位光束方向，光束通过真空窗口6进入真空靶室7，一块聚焦透镜8将光束聚焦到金属固体靶9上，靶定位系统10调整靶与聚焦透镜间的距离，同轴电缆芯做的靶电位探针11直接连接靶和示波器12，示波器实时给出由靶电位产生的电流信号。由计算机系统给出电流信号的时间关系曲线。图2为用上述的监控装置测得的示波器电流强度信号。根据第一个峰的幅度判定聚焦很好。
实施例2
按实施例1制作，用放在铝靶上方约4毫米处，平行于靶的环形线圈探针取代同轴电缆芯作为靶电位探针，测在环形线圈中产生的感应电流。以X-Y记录仪替代计算机系统给出电流信号的时间关系曲线。
实施例3
按实施例2制作，以一块球面反射聚焦镜替代聚焦透镜，并用放在铝靶上方约4毫米处，垂直于靶的环形线圈探针取代同轴电缆芯作为靶电位探针，测在环形线圈中产生的感应电流。
实施例4
按实施例3制作，以玻璃靶替代铝靶，用非球面反射聚焦镜替代聚焦透镜，除去扩束器、光学升降器及光阑，并用信号平均器Boxcar代替示波器测量靶电流信号。
实施例5
按实施例2制作，以两块聚焦透镜替代一块聚焦透镜，用非金属靶代替金属靶监控激光聚焦，并用控制聚焦光学元件的定位系统替代靶定位系统。
Claims (7)
1，一种监控激光聚焦的方法，其特征在于：通过以下步骤实现：激光器(1)的输出光束经扩束器(2)扩束，第一光阑(4)、第二光阑(5)定位光束方向，光束通过真空窗口(6)进入真空靶室(7)，聚焦光学元件(8)将光束聚焦到金属固体靶(9)上，靶定位系统(10)调整靶与聚焦光学元件间的距离，同轴电缆芯做的靶电位探针(11)直接连接靶和示波器(12)，示波器(12)实时给出由靶电位产生的电流信号，用计算机系统或X-Y记录仪给出示波器输出的电流信号的时间关系曲线。
2，按权利要求1所述的监控激光聚焦的方法，其特征在于：还可用放在靶上方约4毫米，平行或垂直于靶的环形线圈取代同轴电缆芯作为靶电位探针，通过同轴电缆将线圈与示波器连接；此时还可用非金属固体靶替代金属固体靶。
3，按权利要求1所述的监控激光聚焦的方法，其特征在于：还可以省去扩束器。
4，按权利要求1所述的监控激光聚焦的方法，其特征在于：还可以省去光阑。
5，按权利要求1所述的监控激光聚焦的方法，其特征在于：所用的聚焦光学元件是一块或多块聚焦透镜、球面反射聚焦镜或非球面反射聚焦镜。
6，按权利要求1所述的监控激光聚焦的方法，其特征在于：还可用控制聚焦光学元件的定位系统代替靶定位系统。
7，按权利要求1所述的监控激光聚焦的方法，其特征在于：还可用信号平均器代替示波器测量靶电流信号。
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