[发明专利]惰性气体非线性折射率系数的测量装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及惰性气体，特别是一种惰性气体的非线性折射率系数的测量装置和方法。

背景技术

随着啁啾脉冲放大(CPA)技术和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的发展，现代大型激光系统可以发射拍瓦(10¹⁵瓦)量级的超强激光束。高强度激光光束的传播受到非线性光学效应的显著影响。在涉及高强度激光光束的传播和与气体介质相互作用的实验和激光系统中，准确的知道介质的非线性折射率n₂至关重要。具体来说，高功率激光系统发射的光束需要经过细致的设计，从而避免n₂相关的效应，如自相位调制和自聚焦。另外，现代激光技术的许多应用还得益于这些效应，如大气激光雷达(LiDAR)实验，白光超连续谱产生，及成丝效应等。

非线性折射率n₂起源于三阶非线性效应，被描述为折射率的偏移，其大小正比于光强，比例因子即n₂。对于非线性折射率n₂的实验研究开始于上世纪70年代，当时纳秒强激光脉冲技术开始出现。随着激光技术的发展，上世纪90年代早期发明的Z-scan技术成为本领域一个技术突破。此方法功能强大，为大量的非线性系数测量提供了实验基础。考虑到技术上的困难和必要的强聚焦，几乎只有固体和液体适合用此方法测量。

为了测量气体的非线性折射率系数n₂，利用各种非线性效应的其它技术相继出现，如利用“电场诱发二次谐波产生”的效应，三次谐波产生，传播导致的光谱畸变，自聚焦，光谱干涉等。尽管这些方法中的一些可以提供准确的测量，但是其实验装置非常复杂，过程控制和测量的要求很高，数据分析方法也很繁琐。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种惰性气体非线性折射率系数的测量装置和测量方法。

本发明技术解决方案的实质是利用波导结构均匀延长非线性相互作用距离从而将微弱的非线性效应放大到便于测量的程度。同时，通过理论分析建立起了测量中涉及的各个参量之间的比例关系，通过数量上的比例关系得到待测的惰性气体非线性折射率系数。

本发明的具体技术解决方案是：

一种测量惰性气体非线性折射率系数的测量装置，特点在于其构成是：在飞秒激光脉冲行进的方向上依次是耦合透镜、内置空心光纤的惰性气体管和散射屏，在散射屏的散射光方向设置光谱仪，所述的惰性气体管的一端与待测的惰性气体瓶相连，另一端分别与真空泵和气压计相连接，所述的耦合透镜将具有一定中心频率ω₀的飞秒激光脉冲耦合进入惰性气体管中的空心光纤中。

利用所述的测量惰性气体非线性折射率系数的测量装置进行惰性气体非线性折射率系数的测量方法，其特征在于该方法的测量步骤如下：

①开启真空泵和惰性气体管连通的阀门，使用真空泵将惰性气体管中的气体抽干净，气压由气压计检测，直到示数显示0值，断开真空泵和惰性气体管之间的阀门，关闭真空泵；

②将中心频率为ω₀的入射飞秒激光脉冲通过耦合透镜耦合到惰性气体管中的空心光纤中，由光谱仪测量经过散射屏散射的出射脉冲光的光谱，并记录此数据；

③打开惰性气体瓶与惰性气体管之间的阀门，充入一定气压的氩气，气压值由气压计检测，当气压达到一个初始值，关闭惰性气体瓶与惰性气体管之间的阀门；

④将中心频率为ω₀入射飞秒激光脉冲通过耦合透镜耦合到惰性气体管中的空心光纤中，由光谱仪测量经过散射屏散射的出射脉冲光的光谱，并记录此数据；

⑤重复步骤③，使惰性气体管的气压增加一定气压值，关闭惰性气体瓶与惰性气体管之间的阀门；

⑥重复步骤④，获得新的光谱数据；

⑦重复步骤⑤和⑥，直至完成光谱测量，获得不同气压下的光谱展宽数据S(ω)，即光谱强度随角频率ω的分布；

⑧用公式计算每个气压下光谱展宽数据S(ω)的光谱宽度Δω_rms，其中角括号的定义为：

由此进而计算得到光谱展宽因子随气压的变化，其中Δω_i是入射光谱宽度，经过线性拟合，得到光谱展宽因子随气压的变化的斜率值S_Ar(ω₀)＝0.01783；

⑨改变惰性气体瓶(6)，换成另一种待测的惰性气体，重复步骤①～⑧，得到在中心频率同为ω₀的入射脉冲下，不同惰性气体的光谱展宽因子随气压的变化的斜率值S_Kr(ω₀)＝0.0279；