CN114725756A - 一种高效的超强超短中红外脉冲系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效的超强超短中红外脉冲系统，包括：真空室，用于提供真空环境；啁啾光脉冲发生器，设在真空室外，用于向真空室输出啁啾系数可连续调节的光脉冲；等离子体通道靶，设在真空室内，其内具有沿轴向密度梯形分布的等离子体；光束聚焦装置，设在真空室内且位于光脉冲的入射光路上，用于使光脉冲聚焦后沿等离子体通道靶的轴线入射至等离子体通道靶。本发明应用于激光器领域，使用负啁啾脉冲作为驱动激光与等离子体相互作用，负啁啾光脉冲在等离子体中的快速压缩可以有效减小所使用的等离子体通道靶的长度，加快中红外光脉冲的产生速度和能量转换效率，还可以通过调节负啁啾光脉冲的啁啾系数控制中红外脉冲的参量。

Description

一种高效的超强超短中红外脉冲系统

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体是一种高效的超强超短中红外脉冲系统。

背景技术

自1960年激光器诞生以来，激光技术得到了迅猛的发展，现在已经广泛应用于科学研究，材料加工，医疗等领域。早期的激光器是在时间上连续输出的，人们通过使用调Q(Q-switch)的方式将激光器改为脉冲输出，得到脉宽在纳秒量级、峰值功率在兆瓦量级的激光脉冲。随后，通过锁模技术使激光脉宽进一步达到皮秒量级。在此基础上，随着钛蓝宝石和克尔透镜锁模技术的出现，已经可以得到数十飞秒脉宽的超短激光脉冲。1985年，Strickland和Mourou提出啁啾脉冲放大(CPA)技术使得激光器的输出功率和输出强度得到极大提高。CPA技术使激光强度达到10¹⁴-10¹⁵W/cm²，激光电场强度已经与原子的库伦场(Coulomb Field)达到同一量级，此时激光电场可以轻易改变原子中电子的运动轨迹。当激光强度继续增大到10¹⁸W/cm²时，激光电场已经远大于原子内库伦场，激光场会瞬间将物质电离成等离子体态，而后与等离子体相互作用。此时，激光与等离子体相互作用已经进入相对论范畴，激光电场可以在一个周期之内将电子加速到相对论速度。

近年来，基于激光与等离子体相互作用的新型辐射源研究在国际上引起了广泛关注。目前常见的超强激光器均是基于钛蓝宝石(Ti:sapphire)或钕玻璃(Nd:glass)作为激光工作物质。由于工作物质能级结构的限制，这两种激光器只能直接输出波长为0.8μm和1μm的激光，这两种都属于近红外波段。随着科学研究的不断深入，研究者们已经不满足于0.8μm和1μm波长的脉冲，人们期望得到其他波段的相对论强度脉冲来为科学研究提供新的方法和思路。尤其是在高频的X射线和γ射线部分以及低频的太赫兹波和中红外波等，这些电磁波的产生为光与物质之间的相互作用打开了新的大门。

中红外波在光谱中位于太赫兹波与近红外波之间，波长范围在2μm-20μm，刚好对应于许多生物或化学分子的吸收谱。同样的，对于二维红外振动光谱学、分子结构的时间分辨成像、提高太赫兹辐射效率等研究，中红外脉冲也都是非常理想的工具。当中红外脉冲提高至相对论强度时，将会对激光与等离子体相互作用领域带来新的思路和方法，例如，超亮相干X射线高次谐波产生和带电粒子加速等研究。因此，超强超短中红外脉冲在物理、化学、医疗、半导体和军事应用等前沿科学领域中都有着重要应用。

目前，虽然使用CO₂激光器可以直接产生高强度中红外脉冲，但由于CO₂能级结构导致CO₂激光器只能产生波长为9.4μm或10.8μm的中红外脉冲，不具有可调谐性。而高强度CO₂激光器也不具有普及意义，目前世界上仅有两套太瓦级皮秒CO₂激光系统，分别为UCLA的15TWNeptune系统和布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,BNL)的1TWATF系统。为了满足人们对宽谱中红外脉冲的需要，通常使用非线性光学方法产生超强超短中红外脉冲。非线性光学方法产生中红外脉冲的主要方式有：光学参量放大技术、差频技术、光整流技术。虽然基于光学晶体中的非线性光学效应可以产生中红外脉冲，但是，由于光学晶体的损伤阈值限制，这些传统方法很难产生相对论强度的中红外脉冲。超强激光条件下的等离子体作为一种完全由电子和离子组成的物质，其能够承受极高强度的激光场，且几乎不存在损伤阈值，这为许多辐射源研究提供了新的思路和途径。所以，基于激光与等离子体相互作用的中红外脉冲产生方法引起了研究者们的极大兴趣。

再超强激光与等离子体相互作用中，可以使用光子减速技术来实现超短超强中红外脉冲产生，当超强超短激光脉冲在低密度等离子体中传播时，会激发等离子体波，也称为“激光尾波”。当激光强度超过相对论强度时，驱动激光的有质动力会将等离子体中的电子完全排开，从而形成一种非线性尾波——三维空腔结构，也称为“空泡”结构。空泡结构具有极高的电场加速梯度，利用该结构可以在厘米或更短的尺度内将带电粒子加速到极高的能量。稳定的空泡结构不仅是良好的加速结构，同时也在电磁波辐射、光学调控等方面有着重要应用。以前，研究者们将注意力主要放在电子束能量和品质提升方面，对激光自身的演化并没有给予过多的关注。事实上，激光驱动尾波场时会经历频率的下变换(频率降低)，这就使得激光驱动尾波时有可能产生中红外脉冲甚至太赫兹波。这种在空泡中使光频率降低的技术称为光子减速技术。其基本原理为：当超强超短激光脉冲在等离子体中传播并激发尾波场时，由于尾场内纵向不同位置存在不同的密度扰动和纵向标势，导致在纵向不同位置上的折射率(η)不同。在与激光共动传输坐标ξ＝x-ct中，折射率梯度大于零的位置

激光会发生蓝移(波长变短)，在折射率梯度小于零的位置

激光会发生红移(波长变长),这种红移的现象被称为“光子减速”。

光子减速的实质是光的自相位调制(SPM)和群速度色散(GVD)共同作用的结果。当驱动激光在等离子体中传播时，激光会由于自陡峭效应、自聚焦效应、非对称自相位调制等非线性效应而压缩。随着激光的压缩，激光强度得到提高，有质动力随之增强，这就导致激光激发出更大的密度扰动，同时激光也感受到更强的折射率梯度。而折射率梯度的存在改变了激光的相速度，使得其波长拉长，达到中红外波段。而又由于群速度色散效应，中红外脉冲的群速度小于驱动激光，而空泡的运动速度约等于驱动激光群速度，所以中红外脉冲向后滑入空泡中，并随着空泡一同向前运动。而空泡中几乎不存在电子，也就是说空泡内部不能调制光的波长，所以中红外脉冲可以保存在空泡中，并引导到等离子体外。

目前，已经有部分使用光子减速技术产生中红外脉冲的方法。2010年，Pai等人首次在实验上利用超强超短脉冲入射到均匀低密度等离子体中获得了波长范围在2-6μm的中红外脉冲，其能量转换效率为1.5％。这在实验上首次验证了通过光子减速效应可以得到中红外波段脉冲。随后，Zhu等人从理论上研究了驱动激光和等离子体各参数对能量转换效率的影响。研究表明，在激光功率超过20TW时，产生中红外脉冲波长大于6μm时的能量转换效率约为1％。2018年，Nie等人通过使用Particle-in-Cell(PIC)方法模拟超强超短激光在等离子体中传播，并深入研究了中红外脉冲的产生过程。通过将等离子体分为压缩模块、产生模块和耦合模块，最终获得了中心波长在13μm的近单周期、相对论强度、载波包络相位(CEP)锁定的中红外脉冲，其能量转换效率约为1.7％。此后，Nie等人在实验上验证了这一方法的可行性，成功获得了功率约为100GW、近单周期、波长范围在3-20μm内可调谐的中红外脉冲。同样的，光子减速方法不仅可以使用高斯脉冲作为驱动激光，也可以使用其他结构的光场产生特殊结构的中红外脉冲。Zhu等人通过使用涡旋光驱动环形等离子体波，成功获得了波长为10μm、能量转换效率为4.8％的涡旋中红外脉冲，并再次证明了CEP锁定。最近，Zhu等人通过使用两束激光延迟共轴同向在等离子体中传播，成功大幅提高了中红外脉冲的能量转换效率。该方法首先使用一束超强超短激光作为驱动光驱动非线性等离子体波，而后将第而二束信号光入射到第二个空泡前端。通过这种方法成功获得波长约为4μm、能量转换效率高达30％的中红外脉冲。

综上所述，虽然基于激光与等离子体相互作用已经可以得到相对论强度，少周期的中红外脉冲，但仍旧存在许多问题亟需解决。现有的长波长(波长大于5微米)光子减速中红外脉冲辐射源使用较长和较复杂的等离子体作为波长转换装置，这导致大量驱动激光能量被等离子体吸收，使得驱动激光向中红外脉冲的能量转换效率只有1％左右。在大于5μm的长波长区域，中红外脉冲的能量转换效率仍然较低。其次，该方法目前需要较长的等离子体，这不仅大量消耗驱动激光能量，还会引起某些不稳定性，而且定制密度分布极大地加大了实验难度。如何有效地优化设计等离子密度分布也有待进一步研究。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种高效的超强超短中红外脉冲系统，能够以较高的能量转换效率产生超强超短中红外脉冲，该系统使用负啁啾脉冲作为驱动激光与等离子体相互作用，负啁啾光脉冲在等离子体中的快速压缩可以有效减小所使用的等离子体通道靶的长度，加快中红外光脉冲的产生速度和能量转换效率，其能量转换效率能够提升至3％，还可以通过调节负啁啾光脉冲的啁啾系数，控制所产生的中红外脉冲的参量。并且简化了等离子体结构，结构简单新颖，性能可靠。

为实现上述目的，本发明提供一种高效的超强超短中红外脉冲系统，包括：

真空室，用于提供真空环境；

啁啾光脉冲发生器，设在所述真空室外，用于向所述真空室输出啁啾系数可连续调节的光脉冲；

等离子体通道靶，设在所述真空室内，为圆柱形结构，其内具有沿轴向密度梯形分布的等离子体；

光束聚焦装置，设在所述真空室内且位于所述光脉冲的入射光路上，用于使所述光脉冲聚焦后沿所述等离子体通道靶的轴线入射至所述等离子体通道靶。

在其中一个实施例，所述光脉冲的波长为0.8-1μm、持续时间为52.8-66fs、峰值强度为5×10¹⁸-20×10¹⁸W/cm²、光斑半径为15～20μm。优选地，所述光脉冲的波长为0.8μm、持续时间为52.8fs、峰值强度为5.5×10¹⁸W/cm²、光斑半径为15μm。

在其中一个实施例，所述光脉冲的啁啾系数可连续调节的范围为-0.07～0.0。

在其中一个实施例，所述等离子体通道靶由毛细管填充氢气后放电制成。

在其中一个实施例，所述等离子体通道靶沿轴向方向上的等离子密度呈梯形分布，从入口到出口，所述等离子体通道靶轴内等离子体密度依次为上升沿、平台沿、下降沿；

在所述等离子体通道靶的轴线上，所述上升沿的起始点、所述下降沿的终止点的等离子体密度均为0，所述上升沿的终止点、所述平台沿的任意点、所述下降沿的起始点的等离子体密度均为N。

在其中一个实施例，所述上升沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为50-500μm，所述平台沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为2700-2800μm，所述下降沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为50-200μm。优选地，所述上升沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为100μm，所述平台沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为2780μm，所述下降沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为200μm。

在其中一个实施例，在所述等离子体通道靶内同一径向截面上任意一点的等离子密度为：

其中，n₀为该径向截面所在位置的轴线点的等离子体密度，r为等离子体所处位置到轴的距离，w₀为激光焦斑半径。

在其中一个实施例，所述光束聚焦装置由多个反射镜和离转抛物面镜组成。

本发明提供的，具有如下有益技术效果：

1、采用负啁啾光脉冲作为入射光驱动等离子体通道靶，负啁啾光脉冲在等离子体中可以纵向压缩，其压缩速度比无啁啾光脉冲快，可以更快的产生超强超短中红外脉冲；

2、负啁啾光脉冲在等离子体中可以快速压缩，这意味着可以使用较短的等离子体通道靶来产生超强超短中红外脉冲，克服了长等离子体和激光传播时间较长所引起的不稳定性；

3、较短的等离子体可以有效减少等离子体对激光能量的吸收，使得激光在传播和纵向压缩过程中得以保留大量能量，这意味着激光向中红外脉冲转化时可以有较多的能量转移，提高中红外脉冲的能量转换效率；

4、等离子体通道靶特性在于具有特殊的径向的密度分布，中心密度低，周围密度高，这可以有效抑制激光的横向扩散，也抑制激光由于扩散造成的能量损失，同样可以提高中红外脉冲生成时的能量转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中中红外脉冲系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中负啁啾光脉冲在等离子体中传播演化及中红外脉冲产生示意图；

图3为本发明实施例中利用超强超短负啁啾光脉冲产生超强超短中红外脉冲的过程示意图，其中T₀＝2.64fs为激光周期，其中，(a)为负啁啾光脉冲入射等离子体通道后396飞秒的等离子体及激光快照，线为此时轴上等离子密度。(b)为负啁啾光脉冲入射等离子体通道后5940飞秒的等离子体及激光快照，线为此时轴上等离子密度；(c)为负啁啾光脉冲入射等离子体通道后9504飞秒的等离子体及激光快照，线为此时轴上等离子密度；(d)为负啁啾光脉冲从入射到完全离开等离子体通道靶过程中的光谱演化；(e)为396飞秒、5940飞秒、9504飞秒的光谱图；(f)为对激光滤波后的结果示意图；

图4为本发明实施例中中红外脉冲载波包络相位与负啁啾光脉冲载波包络相位之间关系示意图，其中，(a)为中红外脉冲强度随初始激光相位变化图，插图为初始激光相位为0、π/2、π时的中红外脉冲示意图；(b)为中红外载波包络相位与初始激光载波包络相位之间的关系及载波包络相位差。

附图标号：啁啾光脉冲发生器1、真空室2、光束聚焦装置3、等离子体通道靶4。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本实施例公开了一种高效的超强超短中红外脉冲系统，该系统通过负啁啾光脉冲与等离子体通道靶相互作用，可以在有效产生超强超短中红外脉冲的同时保证较高的能量转换效率(约3％)。参考图1，该系统主要包括真空室、啁啾光脉冲发生器与光束聚焦装置。其中，真空室用于提供真空环境；啁啾光脉冲发生器设在真空室外，用于产生带有负啁啾的飞秒高斯光脉冲，并将该光脉冲射入真空室；等离子体通道靶设在真空室内，为圆柱形结构的毛细管填充氢气后放电制成，等离子体通道靶内等离子体的密度在轴向上呈梯形分布；光束聚焦装置设在真空室内且位于光脉冲的入射光路上，用于使光脉冲聚焦后沿等离子体通道靶的轴线入射至等离子体通道靶的入口。

在具体实施过程中，啁啾光脉冲发生器输出波长为0.8μm、持续时间为52.8fs、峰值强度为5.5×10¹⁸W/cm²、光斑半径为15μm的光脉冲，且光脉冲的啁啾系数可连续调节，调节范围在-0.07～0.0。

在具体实施过程中，等离子体通道靶沿轴向方向上的等离子密度呈梯形分布，即从等离子体通道靶的入口到出口，等离子体通道靶轴内等离子体密度依次为上升沿、平台沿、下降沿；在等离子体通道靶的轴线上，上升沿的起始点、下降沿的终止点的等离子体密度均为0，上升沿的终止点、平台沿的任意点、下降沿的起始点的等离子体密度均为N，N＝3×10¹⁸cm^-3。进一步具体地，上升沿在等离子体通道靶轴向上的长度为100μm，平台沿在等离子体通道靶轴向上的长度为2780μm，下降沿在等离子体通道靶轴向上的长度为200μm。在等离子体通道靶内同一径向截面上任意一点的等离子密度为：

其中，n₀∈0～N为该径向截面所在位置的轴线点的等离子体密度，r为等离子体所在位置到轴线的距离，w₀为激光焦斑半径。例如，在平台沿上任意一点的等离子密度为：

cm^-3。

在具体实施过程中，光束聚焦装置由多个反射镜和离转抛物面镜组成。

本实施例中中红外脉冲产生原理如图2所示，负啁啾光脉冲进入等离子体后会激发非线性尾波场，非线性尾波场成空泡结构，且在空泡前端具有负折射率梯度。中红外脉冲产生过程分(a)、(b)、(c)三个阶段。阶段(a)为入射阶段，激光在此阶段由密度上升沿引入等离子体中，密度上升沿基本不消耗激光能量。阶段(b)为压缩阶段，激光在此阶段由于等离子体密度变化而引起光子加速和光子减速，使激光在纵向上快速压缩，并极大地提高激光峰值强度。阶段(c)为产生阶段，激光经过阶段(b)后具有极大的峰值强度，此时大峰值强度引起折射率梯度加大，引起剧烈地光子减速，激光波长被拉长到中红外波段，并且由于光的群速度色散，中红外脉冲速度慢于驱动激光速度，落入空泡中。由于空泡中几乎不存在电子，所以中红外脉冲可以在空泡中保存起来，最后由空泡引导离开等离子体。

本实施例中，超强超短中红外脉冲产生过程如图3(a)-(c)所示。负啁啾光脉冲在等离子体种经历光子减速过程，产生超强超短中红外脉冲。图3(d)种可以看出，激光波长随着时间推移波长从0.8μm逐渐拉长到8μm左右，产生中红外脉冲。图3(e)可以看出，在长波长光谱区域内具有一个强度峰，代表已经产生中红外脉冲，此中红外脉冲中心波长为0.8μm。图3(f)为对激光滤波后的结果，结果显示中红外脉冲仅有2个光周期左右，是少周期光脉冲，此中红外脉冲持续持续时间为105.6飞秒，其峰值强度可达到1.8×10¹⁷W/cm²，所以所得到的中红外脉冲为超强超短中红外脉冲。

图4为红外脉冲载波包络相位与负啁啾光脉冲载波包络相位之间关系示意图，图4可以看出，中红外脉冲载波包络相位(CEP_MIR)与负啁啾光脉冲载波包络相位(CEP₀)之间具有稳定的载波包络相位差(Δ_CEP)，暨本发明系统可以产生稳定载波包络相位差的中红外脉冲。图4(a)中的插图为具有不同CEP₀的负啁啾光脉冲所产生的中红外脉冲的滤波后结果。

表1为本实施例中啁啾系数与中红外脉冲参数之间的关系，从表1可以看出，随着啁啾系数的变化，中红外脉冲的参数会相应的变化。b＝0代表无啁啾激光脉冲，随着啁啾系数的减小，中红外脉冲的能量转换效率从1.8％提高到3％，成功实现能量转换效率的提升。

表1

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，包括：

真空室，用于提供真空环境；

啁啾光脉冲发生器，设在所述真空室外，用于向所述真空室输出啁啾系数可连续调节的光脉冲；

等离子体通道靶，设在所述真空室内，为圆柱形结构，其内具有沿轴向密度梯形分布的等离子体；

光束聚焦装置，设在所述真空室内且位于所述光脉冲的入射光路上，用于使所述光脉冲聚焦后沿所述等离子体通道靶的轴线入射至所述等离子体通道靶。

2.根据权利要求1所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，所述光脉冲的波长为0.8-1μm、持续时间为52.8-66fs、峰值强度为5×10¹⁸-20×10¹⁸W/cm²、光斑半径为15～20μm。

3.根据权利要求1所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，所述光脉冲的啁啾系数可连续调节的范围为-0.07～0.0。

4.根据权利要求1所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，所述等离子体通道靶由毛细管填充氢气后放电制成。

5.根据权利要求1至4任一项所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，所述等离子体通道靶沿轴向方向上的等离子密度呈梯形分布，从入口到出口，所述等离子体通道靶轴内等离子体密度依次为上升沿、平台沿、下降沿；

在所述等离子体通道靶的轴线上，所述上升沿的起始点、所述下降沿的终止点的等离子体密度均为0，所述上升沿的终止点、所述平台沿的任意点、所述下降沿的起始点的等离子体密度均为N。

6.根据权利要求5所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，所述上升沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为50-500μm，所述平台沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为2700-2800μm，所述下降沿在所述等离子体通道靶轴向上的长度为50-200μm。

7.根据权利要求5所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，在所述等离子体通道靶内同一径向截面上任意一点的等离子密度为：

其中，n₀为该径向截面所在位置的轴线点的等离子体密度，r为等离子体所在点到轴的距离，w₀为激光焦斑半径。

8.根据权利要求1至4任一项所述高效的超强超短中红外脉冲系统，其特征在于，所述光束聚焦装置由多个反射镜和离转抛物面镜组成。

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