CN1570579A - 啁啾脉冲纵向衍射干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，其特征在于包括一光栅对，在该光栅对的输出光路上，依次设有半波片、分束片、偏振片、衍射透镜和面阵CCD光谱仪，一聚焦透镜位于所述分束片的一侧并平行于光栅对的输出光路，使垂直于该聚焦透镜的驱动光束经分光片反射的反射光束与透过分束片的探测光束共线。本发明的信号强度直接依赖于相位移动的大小，测量的灵敏度很高，可以测量微小的相位随时间的变化过程。

Description

啁啾脉冲纵向衍射干涉仪

技术领域

本发明涉及飞秒时间分辨测量仪。特别是一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪。

背景技术

超短脉冲激光在与物质相互作用过程中会产生许多快速(亚皮秒级)的物理过程如：激光在与气体、团簇以及固体的相互作用过程中，原子的电离过程、等离子体中电子密度的演化、冲击波的发展过程、激光引起物质结构的变化如自相位调制、克尔效应以及激光引起THZ的产生等等。对这些快速的物理过程进行时间分辨的诊断测量一直是人们非常感兴趣的课题和追求的目标，并且对研究激光与物质相互作用机制来说至关重要。由于目前超短激光技术的飞速发展，激光的功率越来越高，脉宽越来越短，激光在与物质相互作用过程中很多快速的物理过程在时间上演变的尺度已经从传统意义上的快速过程(皮秒量级)缩短到几百飞秒、几十飞秒甚至已经到阿秒量级，传统的测量手段如条纹相机、分幅相机等只能在皮秒、纳秒的时间尺度上对慢速变化(＞1ps)的物理过程进行诊断测量，而且测量系统非常复杂，价格非常昂贵。而对于亚皮秒量级超快动力学过程的诊断，人们正在寻求并已经发展了多种飞秒时间分辨的诊断技术，如频率分辨光快门(FROG：Frequency Resolved OpticalGating)、多脉冲干涉频率分辨光快门(MI-FROG：MultipulseInterferometric FROG)、直接光场重构的频谱相位干涉仪(SPIDER：Spectral Phase Interferometry for Direct Electric fieldReconstruction)、Pump-Probe技术以及啁啾频谱干涉仪等，见[1]Craig W.Siders，George Rodriguez，Jennifer L.W.Siders，FiorenzoG.Omenetto，and Antoinette J.Taylor，“Measurement of UltrafastIonization Dynamics of Gases by Multipulse InterferometricFrequency-Resolved Optical Gating”，Phys.Rev.Lett.Vol.87，263002，(2001).和[2]K.Y.Kim，I.Alexeev，E.Parra，and H.M.Milchberg，“Time-Resolved Explosion of Intense-Laser-HeatedClusters”，Phys.Rev.Lett.Vol.90，023401，(2002)。FROG、MI-FROG以及SPIDER一般用来测量激光的脉冲波形和频谱相位；Pump-Probe技术由于要采用序列延时的方法，因而不能进行实时的在线测量。由于超短脉冲激光本身有很宽的频谱，通过啁啾技术可以将不同的频率成分在时域进行调制获得一很好的线性啁啾脉冲，使得激光的时域信息能够在频域得到体现。利用超短脉冲具有宽频谱这一特点，采用频谱干涉或是调制的方法，可以对一些快速的物理过程如原子的电离过程、冲击波的演化、激光烧蚀材料表面形貌的演化、以及激光产生的THZ脉宽等等进行高时间分辨的实时测量。由于这种方法只需单次测量，因此可以进行实时地在线测量。对于干涉的方法，由于要观察干涉条纹的扭曲，可觉察的条纹扭曲量一般要大于八分之一个条纹间隔，见Hui Yang，JieZhang，Yingjun Li，Jun Zhang，Yutong Li，Zhenglin Chen，Hao Teng，Zhiyi Wei，and Zhengming Sheng，“Characteristics of self-guidedlaser plasma channels generated by femtosecond laser pulses inair”，Phys.Rev.E Vol.66，016406，(2002)。因此测量的灵敏度受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的限制，提供一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，该仪器的信号强度直接依赖于相位移动的大小，测量的灵敏度很高，可以测量微小的相位随时间的变化过程。

本发明的技术解决方案如下：

一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，其特征在于包括一光栅对，在该光栅对的输出光路上，依次设有半波片、分束片、偏振片、衍射透镜和面阵CCD光谱仪，一聚焦透镜位于所述分束片的一侧并平行于光栅对的输出光路，使垂直于该聚焦透镜的驱动光束经分光片反射的反射光束与透过分束片的探测光束共线。

一束超短脉冲激光(几十飞秒到几百飞秒但频谱宽度较宽略为几十个纳米或更宽)经过分束片后有两束激光，其中一束作为泵浦光束，占有大部分的激光能量，通过透镜聚焦，用来驱动激光等离子体的产生或是在材料中引起非线性效应的产生，物质结构发生微小的变化从而引起折射率的变化等。

在这里，我们以等离子体通道为例，利用激光驱动在空气中产生等离子体通道。另外一束较小能量的激光作为探测光束。在我们的设计中，探测光束经过光栅对展宽成一线性啁啾脉冲，并利用半波片旋转使探测光的偏振方向与驱动激光的偏振方向垂直，然后透过该分束片与泵浦光束共线传输，穿过等离子体，由于等离子体的折射率与周围介质的折射率不同，因此对探测激光波前的局部区域会引起相移的变化。此后通过偏振片取出探测光束，探测光束在自由空间传播并经过一透镜衍射在一段距离后的观测屏上会产生衍射条纹。在观测屏的位置，我们用一光栅谱仪记录衍射条纹在频谱上的变化过程，就可以重构相移在时域随时间的瞬态变化过程，达到飞秒时间分辨测量的目的。我们推导出了相位重构的解析方法，这可以描述如下：

如图2所示是探测光衍射传播的示意图。探测激光波形可以认为在时间和空间上都是高斯分布，在时域探测光束展宽为一线性啁啾脉冲。在经过等离子体区后探测激光的光场振幅可以写为：

U₀(r，t)＝exp(-ar²)×exp(-jφ(r，t))exp(-Tt²+j(ω₀t+bt²))    (1)

2b是探测激光的啁啾系数，ω₀是探测激光的中心频率。a和T分别与探测激光的腰斑尺寸和脉宽有关。等离子体区引起的相移随时间的变化可以表示为：

r_c(t)是等离子体通道的半径，φ₀(t)是等离子体区对探测光波前引起的相移随时间的变化过程。根据光的传播衍射定理，探测光在经过一透镜后在传播一段距离d₁处的光场可以用菲涅尔积分表示：

U₂(x，y，t)∝U(x，y，t)＝∫∫∫∫U₀(ξ，η，t)exp(-jβ(ξ′²+η′²))exp(ja₀[(ξ′-ξ)²+(η′-η)²]×    (3)

                         exp(ja₁[(x-ξ′)²+(y-η′)²]dξdηdξ′dη′

其中 $a_0=\mathrm{\π}/{\mathrm{\λd}}_0,a_1=\mathrm{\π}/{\mathrm{\λd}}_1,\mathrm{\β}=\mathrm{\π}/\mathrm{\λf},$ d₀是等离子体区与透镜之间的距离，

如图2示。d₁是透镜与探测器CCD之间的距离。坐标(ξ，η)，(ξ′，η′)，(x，y)分别代表物平面、透镜平面和探测平面的坐标。通过公式推导可以计算在频域衍射条纹随光谱的强度分布：

其中 $A_0=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λd}}_1}(1-\frac{1}{1+d_0_{d_1}-f_{d_1}}),A_1=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λd}}_0}(1-\frac{1}{1+d_1_{d_0}-f_{d_0}}),A_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(d_1+d_0-d_0{d}_1/f),b_0=A_2^{2}a/4(a^2+A_1^2),$

$b_1=A_2^2{A}_1/4(a^2+A_1^2).$ 下标yes和no分别代表有等离子通道和没有等离子体通道两种条件下探测平面的光场分布。

通过上式拟合记录的衍射条纹可以计算频域的相移分布₀(ω)。如图3图4所示，我们对衍射条纹进行拟合的结果。通过拟合可以唯一确定相移大小和等离子体通道直径。通过线性对应关系φ₀(t(ω))＝₀(A(ω-ω₀))可以计算探测光束在经过等离子体区的过程中产生的相移随时间的演化过程φ₀(t)。因此，采用这种方法，可以通过一次测量得到相移随时间的变化过程，从而研究等离子体通道中电子的产生过程。另外，通过测量探测光的频谱强度和相移分布₀(ω)，采用傅立叶变换也可以计算相移随时间的演化过程φ₀(t)。这种测量方法的时间分辨率主要由探测光的频谱宽度决定Vω，时间分辨率Vt≈2π/Vω。因此，探测光的频谱越宽，探测的时间分辨率越高。例如，如果探测光采用钛宝石激光，中心波长800nm，如果频谱宽度(半高宽)为45nm，那么测量的时间分辨率可以达到20fs。

本发明的优点是：

1、采用纵向衍射的方法可以大大增加探测区的长度(比横向长度高两个量级以上)，由于相移与探测长度成正比，因此可以大大提高测量的灵敏度。

2、采用纵向衍射的方法，测量的衍射条纹的强度分布只与相移有关，而不依赖于条纹的弯曲程度，因此测量的灵敏度很高。

3、采用线性啁啾脉冲激光作为探针可以只需一次测量就能够得到相移随时间的变化过程，测量的分辨率非常高，可以达到10fs量级。

4、在设计发明过程中，推导出了衍射条纹随相移的解析表达式，可以非常方便地重构相移的大小和通道直径。

附图说明

图1是本发明啁啾脉冲纵向衍射干涉仪结构示意图。

图2是本发明探测光场在通过一薄透镜后的衍射传播示意图。

图3是采用解析方法(公式4)对衍射条纹对不同的相移进行拟合的结果。

图4是采用解析方法(公式4)对衍射条纹对不同的等离子体通道直径进行拟合的结果。

图5表示随时间线性变化的相移φ₀(t)。

图6表示在探测平面直接用CCD相机记录的随空间分布的衍射图案。

图7表示衍射图案在频域和空间的强度分布。

图8是图7所示的衍射图案中沿中心位置读取的衍射强度随波长的变化曲线。

具体实施方式

本发明用于高时间分辨测量微小相移(低的电子密度＜10¹⁶cm^-3)随时间的瞬态变化过程。先请参阅图1，图1是本发明啁啾脉冲纵向衍射干涉仪结构工作实施例之一的示意图，由图可见，本发明啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，包括一光栅对2，在该光栅对2的输出光路上，依次设有半波片3、分束片4、偏振片8、衍射透镜9和面阵CCD光谱仪10，一聚焦透镜6位于该分束片4一侧并平行于光栅对2的输出光路，使垂直于该聚焦透镜6的驱动光束经分束片4的反射光产生的等离子体通道7与探测光束共线。

本发明啁啾脉冲纵向衍射干涉仪的具体工作过程如下：，一束超短脉冲激光1(几十飞秒到几百飞秒但频谱宽度较宽略为几十个纳米或更宽)透过分束片4后作探测光，另一束作为泵浦光源5，占有大部分的激光能量，通过透镜6聚焦后经分束片4的反射在空间产生等离子体通道7，或是在材料中引起非线性效应的产生，物质结构发生微小的变化从而引起折射率的变化等。

在这里，我们以等离子体通道为例，利用激光驱动在空气中产生等离子体通道7。另外一束较小能量的激光作为探测光源1。在我们的设计中，探测光1经过光栅对2展宽成一线性啁啾脉冲，并利用半波片3旋转使探测光1的偏振方向与驱动激光5的偏振方向相互垂直，然后通过一分束片4与泵浦光5的反射光共线传输，穿过等离子体通道7，由于等离子体的折射率与周围介质的折射率不同，因此对探测激光波前的局部区域会引起相移的变化。此后通过偏振片8取出探测光1，探测光1在自由空间传播并经过一透镜9衍射在一段距离后的观测屏上会产生衍射条纹。在观测屏的位置，我们用一光栅谱仪10记录衍射条纹在频谱上的变化过程，就可以重构相移在时域随时间的瞬态变化过程，达到飞秒时间分辨测量的目的。

在实施的过程中有两种方法将共线传输的泵浦光和探测光区分开来。一种方法是采用倍频的方法，将泵浦光或者探测光倍频；另一种方法是采用偏振的方法，通过改变探测光的偏振方向使之与泵浦光的偏振方向垂直，然后采用偏振片8将探测光分离出来。

例如，对于一个如图5所示的随时间线性变化的相移φ₀(t)

在这里τ＝700fs，我们可以采用一线性的负啁啾脉冲激光作为探针光进行时间分辨测量。探测激光的频谱宽度选为45nm，无啁啾的条件下，激光脉宽为20fs，在经过光栅对2展宽后可以获得一线性的负啁啾脉冲，脉冲宽度可以选为1.0ps。采用如图1所示的实验方案，如果在探测平面直接用CCD相机记录探测光的衍射图案随空间的强度分布，那么可以得到如图6所示的衍射条纹，该衍射条纹在空间上是中心对称的。但是，如果我们在探测平面用一狭缝沿径向选取衍射条纹，然后用光栅谱仪10拍摄记录，那么我们就可以得到如图7所示的衍射图案在频域和空间的强度分布。如果在不同的频谱位置读取衍射条纹的空间分布强度曲线，采用上面的解析分析方法进行拟合可以计算频域的相移₀(ω)和等离子体通道直径。然后通过变换获得相移随时间的变换过程φ₀(t)。图8是在图7所示的衍射图案中沿中心位置读取的衍射强度随波长的变化曲线，对于随时间线性变化的相移φ₀(t)来说，其变化曲线相当于一正弦曲线。

Claims (1)

1、一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，其特征在于包括一光栅对(2)，在该光栅对(2)的输出光路上，依次设有半波片(3)、分束片(4)、偏振片(8)、衍射透镜(9)和面阵CCD光谱仪(10)，一聚焦透镜(6)位于该分束片(4)一侧并平行于光栅对(2)的输出光路，使垂直于该聚焦透镜(6)的驱动光束(5)经分光片(4)反射的反射光束与透过分束片(4)的探测光束(1)共线。

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