[发明专利]超强飞秒激光脉冲全参数原位测量系统及测量方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于超强超快光学，具体涉及一种超强飞秒激光脉冲全参数原位测量系统及测量方法和应用。

背景技术

各种超强、超短激光脉冲已经广泛地应用于科学实验和工程技术中，如高次谐波辐射、阈上电离、非线性激光-电子康普顿散射、激光离子加速等。对于激光频率的测量，目前已经有较为成熟的方法，但对于超强激光脉冲的强度(即能量密度)、脉宽、载波-包络相位和脉冲强度时间分布等全参数的原位测量，一直是科学难题之一。当激光脉冲强度较低时，可以用光敏二极管、光电倍增管、各种硅等探测器、条纹相机等测量。但是当激光强度达到比如I＞10⁹W/cm²时，测量介质会被激光脉冲破坏，无法直接测量。目前采用的办法较多的是用估算的办法，即通过测量光脉冲的总能量，再测量光脉冲的空间分布和脉冲时间宽度，从而计算出强度值。也可以通过测量原子或高价态惰性气体离子在强激光电场中的电离谱，从分析电子或离子的动量提取激光脉冲强度数据。前者估算的方法误差很大(甚至达到真实值的几倍)，后者测量的灵敏度和动态范围很小(与工作介质的电离特性有关)。另外，用于计算测量结果的脉冲的各种参数是用不同的测量方法、不同的实验装置和不同的时间分别单独测量的，测量和计算结果是一种统计值，与各种参数的物理关联性和实时性差。总之，如何快速、精确地测量这些光脉冲具体细致的时间结构，一直是科学界的一个挑战。

发明内容

为了解决强脉冲激光的精确快速测量的难题，本发明提出一种超强飞秒激光脉冲全参数原位测量系统及测量方法和应用，采用X-射线增强电离技术，可以精确地获取每个飞秒激光脉冲的全部参数，包括脉冲的强度、脉宽、载波-包络相位和脉冲强度分布。

本发明的一个目的在于提出一种超强飞秒激光脉冲全参数原位测量系统。

本发明的超强飞秒激光脉冲全参数原位测量系统包括：皮秒或亚皮秒激光脉冲、分光镜、分离器、激光脉冲压缩单元、第一惰性气体原子和第二气体原子、第一和第二会聚镜、光电子能谱仪及光路调整装置；其中，皮秒或亚皮秒激光脉冲经过分光镜后分裂为两束激光；其中一束经过第一会聚镜后直接激发第一惰性气体原子产生前向发射的高次谐波辐射即X-射线；X-射线与激光脉冲经分离器后过滤掉激光，其中的窄带的X-射线变成直径很小的光束；分光镜分裂出的另一束激光，进入激光脉冲压缩单元后，变成线性极化的少周期待测的飞秒激光脉冲；经光路调整装置该脉冲与X-射线同轴、共线混合和传输；飞秒激光脉冲经第二会聚镜聚焦，与X-射线共同激发第二气体原子，产生光电子，在激光的极化方向用光电子能谱仪测量其能量分布。

光路调整装置包括第一至第三反射镜，皮秒或亚皮秒激光脉冲经过分光镜后分裂为两束激光；其中一束经过第一会聚镜后直接激发第一惰性气体原子产生前向发射的高次谐波辐射即X-射线；X-射线与激光脉冲经分离器后过滤掉激光，其中的窄带的X-射线经过第一反射镜后变成垂直方向的直径很小的光束；分光镜分裂出的另一束激光，经第二反射镜后进入激光脉冲压缩单元，变成平行方向的线性极化的少周期待测的飞秒激光脉冲；该脉冲在第三反射镜处与X-射线在垂直方向同轴、共线混合和传输。

第二气体原子为惰性气体原子或氢原子。

皮秒(picosecond)ps或亚皮秒激光脉冲经激光脉冲压缩单元产生待测量的飞秒激光脉冲，本发明采用在激光脉冲压缩单元前放置分束器，从而将皮秒激光脉冲分成两束，一束用来产生待测量的飞秒激光，另一束用来产生X-射线，从而待测的飞秒激光脉冲与X-射线在垂直方向同轴、共线混合和传输，共同激发惰性气体原子产生光电子，用光电子能谱仪测量其能量分布。本发明采用巧妙的系统设计，对待测量的飞秒激光脉冲的状态不需要作任何改变，测量结果直接反映了各个参数之间的物理关联性，是一种原位测量方法。一方面，由于皮秒激光脉冲产生的X-射线的时间宽度为皮秒或亚皮秒量级，经光路控制后容易与待测量的飞秒(femtosecond)fs激光脉冲同步；另一方面，要求X-射线的束流尺寸远小于飞秒激光脉冲，且同轴共线。因此，飞秒激光脉冲持续期间，X-射线的强度变化很小，可以认为是连续的；而飞秒激光脉冲的空间分布值变化很小(Single-Intensity)SI，其强度的最大值即激光脉冲的峰值I。

线性极化的飞秒激光脉冲的电场载波包络用高斯函数表示：