[發明專利]超強飛秒激光脈沖全參數原位測量系統及測量方法和應用

有效

• 申請號: 201310186187.4
• 申請日: 2013-05-20
• 公開（公告）號: CN103278251A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 葛愉成
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明屬于超強超快光學，具體涉及一種超強飛秒激光脈沖全參數原位測量系統及測量方法和應用。

背景技術

各種超強、超短激光脈沖已經廣泛地應用于科學實驗和工程技術中，如高次諧波輻射、閾上電離、非線性激光-電子康普頓散射、激光離子加速等。對于激光頻率的測量，目前已經有較為成熟的方法，但對于超強激光脈沖的強度(即能量密度)、脈寬、載波-包絡相位和脈沖強度時間分布等全參數的原位測量，一直是科學難題之一。當激光脈沖強度較低時，可以用光敏二極管、光電倍增管、各種硅等探測器、條紋相機等測量。但是當激光強度達到比如I＞10⁹W/cm²時，測量介質會被激光脈沖破壞，無法直接測量。目前采用的辦法較多的是用估算的辦法，即通過測量光脈沖的總能量，再測量光脈沖的空間分布和脈沖時間寬度，從而計算出強度值。也可以通過測量原子或高價態惰性氣體離子在強激光電場中的電離譜，從分析電子或離子的動量提取激光脈沖強度數據。前者估算的方法誤差很大(甚至達到真實值的幾倍)，后者測量的靈敏度和動態范圍很小(與工作介質的電離特性有關)。另外，用于計算測量結果的脈沖的各種參數是用不同的測量方法、不同的實驗裝置和不同的時間分別單獨測量的，測量和計算結果是一種統計值，與各種參數的物理關聯性和實時性差。總之，如何快速、精確地測量這些光脈沖具體細致的時間結構，一直是科學界的一個挑戰。

發明內容

為了解決強脈沖激光的精確快速測量的難題，本發明提出一種超強飛秒激光脈沖全參數原位測量系統及測量方法和應用，采用X-射線增強電離技術，可以精確地獲取每個飛秒激光脈沖的全部參數，包括脈沖的強度、脈寬、載波-包絡相位和脈沖強度分布。

本發明的一個目的在于提出一種超強飛秒激光脈沖全參數原位測量系統。

本發明的超強飛秒激光脈沖全參數原位測量系統包括：皮秒或亞皮秒激光脈沖、分光鏡、分離器、激光脈沖壓縮單元、第一惰性氣體原子和第二氣體原子、第一和第二會聚鏡、光電子能譜儀及光路調整裝置；其中，皮秒或亞皮秒激光脈沖經過分光鏡后分裂為兩束激光；其中一束經過第一會聚鏡后直接激發第一惰性氣體原子產生前向發射的高次諧波輻射即X-射線；X-射線與激光脈沖經分離器后過濾掉激光，其中的窄帶的X-射線變成直徑很小的光束；分光鏡分裂出的另一束激光，進入激光脈沖壓縮單元后，變成線性極化的少周期待測的飛秒激光脈沖；經光路調整裝置該脈沖與X-射線同軸、共線混合和傳輸；飛秒激光脈沖經第二會聚鏡聚焦，與X-射線共同激發第二氣體原子，產生光電子，在激光的極化方向用光電子能譜儀測量其能量分布。

光路調整裝置包括第一至第三反射鏡，皮秒或亞皮秒激光脈沖經過分光鏡后分裂為兩束激光；其中一束經過第一會聚鏡后直接激發第一惰性氣體原子產生前向發射的高次諧波輻射即X-射線；X-射線與激光脈沖經分離器后過濾掉激光，其中的窄帶的X-射線經過第一反射鏡后變成垂直方向的直徑很小的光束；分光鏡分裂出的另一束激光，經第二反射鏡后進入激光脈沖壓縮單元，變成平行方向的線性極化的少周期待測的飛秒激光脈沖；該脈沖在第三反射鏡處與X-射線在垂直方向同軸、共線混合和傳輸。

第二氣體原子為惰性氣體原子或氫原子。

皮秒(picosecond)ps或亞皮秒激光脈沖經激光脈沖壓縮單元產生待測量的飛秒激光脈沖，本發明采用在激光脈沖壓縮單元前放置分束器，從而將皮秒激光脈沖分成兩束，一束用來產生待測量的飛秒激光，另一束用來產生X-射線，從而待測的飛秒激光脈沖與X-射線在垂直方向同軸、共線混合和傳輸，共同激發惰性氣體原子產生光電子，用光電子能譜儀測量其能量分布。本發明采用巧妙的系統設計，對待測量的飛秒激光脈沖的狀態不需要作任何改變，測量結果直接反映了各個參數之間的物理關聯性，是一種原位測量方法。一方面，由于皮秒激光脈沖產生的X-射線的時間寬度為皮秒或亞皮秒量級，經光路控制后容易與待測量的飛秒(femtosecond)fs激光脈沖同步；另一方面，要求X-射線的束流尺寸遠小于飛秒激光脈沖，且同軸共線。因此，飛秒激光脈沖持續期間，X-射線的強度變化很小，可以認為是連續的；而飛秒激光脈沖的空間分布值變化很小(Single-Intensity)SI，其強度的最大值即激光脈沖的峰值I。

線性極化的飛秒激光脈沖的電場載波包絡用高斯函數表示：