用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超强超短激光参数测量领域，特别是涉及用于测量超强超短激光预脉 冲的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，飞秒激光技术的产生和发展为强场物理领域提供了强有力的技术支持。 尤其是啁啾脉冲放大技术（CPA)和宽谱段掺钛蓝宝石激光放大晶体的应用使激光系统可以 产生更短的脉冲宽度，进而获得极高的激光脉冲峰值功率。目前，在实验室能够得到的超短 激光脉冲的峰值功率已经达到了拍瓦（PW)量级，聚焦后的峰值功率密度也已经超过IO21W/ cm2。在这样的超强超短激光与物质相互作用的过程中，激光脉冲的时间特性，特别是飞秒 激光的脉冲前沿的状态，对相互作用的过程和结果具有显著的影响，直接关系着参与相互 作用的物理过程。虽然在一般情况下，激光系统中预脉冲的强度比主脉冲要小几个数量级， 但经过多级放大之后，其聚焦后的功率密度也可能达到1〇14~l〇15W/cm2量级，这样强度的 背景激光足以在主脉冲激光到来之前与物质发生相互作用，产生预等离子体，从而破坏最 初设计的物理实验条件。同时，由于预等离子体的不确定性和不可控性，其对真正研究的物 理过程的影响也存在着不确定的因素，阻碍了实际研究工作的进行。因此，如何标定超强超 短激光的时间特性，了解激光脉冲前沿预脉冲的情况就成为当前强场物理技术领域急需解 决的问题。
[0003] 目前，对于不同时间量级的预脉冲，测量的方法也不同，其中测量超短激光预脉冲 的相关文献如下：
[0004] I. Laser Pulse Contrast Ratio Cleaning inlOOTW Scale Ti : Sapphire Laser Systems, Laser Systems for Applications, Dr. Krzysztof Jakubczak(Ed.), ISBN:978-95 3-307-429-0, InTech(2011)。书中描述了纳秒时间尺度和百皮秒内时间尺度的预脉冲的测 量方法。
[0005] 2. Temporal contrast in Ti:Sapphire lasers : characterization and control，Marc Nantel et al. IEEE journal of selected topics in quantum electronics，vol. 4, no. 2 (1998) 〇
[0006] 3. On the temporal contrast of high intensity femtosecond laser pulses, K. Osvay et al. Laser and particle beams，23, 327 (2005) 〇
[0007] 对以上书目及文献中描述的预脉冲测量方法归纳如下：
[0008] (1)对于纳秒时间尺度的预脉冲，使用超快光电二极管结合示波器进行测量。光电 二级管一般选用高速硅光电二级管，上升时间约为1ns，大于典型预脉冲的脉冲宽度，因此 光电二极管测量的能量值是整个预脉冲能量的积分值，而不是预脉冲强度峰值。
[0009] (2)对于百皮秒以内的皮秒激光预脉冲，使用三阶相关方法进行测量。使用三阶相 关方法测量激光预脉冲的过程实际上是激光三次谐波产生和时间测量的过程。具体方法为 将待测的激光经过非线性晶体倍频后产生二次谐波，然后设法使产生的二次谐波与基波分 开，并在两者之间引入一定的时间延迟之后，再组合并聚焦在另一非线性晶体中产生三次 谐波。当改变基波与二次谐波之间的时间延迟时，记录下三阶相关信号随时间的变化，经过 计算即可得到入射激光在时间上的分布情况。
[0010] 使用三阶相关方法可以准确地测得入射激光的预脉冲信息，但同时其也存在着应 用上的限制：（a)测量过程中，待测激光需经过光学窗口和倍频晶体等透射光学元件，不可 避免的在测量结果中引入光线经这些元件多次反射造成的虚假预脉冲；（b)典型的商用三 阶相关仪可测量预脉冲的时间范围仅仅在主脉冲前数百皮秒，不能兼顾大于纳秒时间尺度 的预脉冲测量；同时如果测量百皮秒量级的激光预脉冲，需要三阶相关仪对脉冲时间特性 进行连续扫描，整个过程通常需要持续数个小时，因此对激光稳定性提出较高要求；（c)由 于商用三阶相关仪光学元件损伤阈值的限制，在测量时通常关闭超强超短激光系统的多级 泵浦放大装置，所测结果为种子激光或预放大的超短脉冲激光的预脉冲情况，并非实际物 理实验所用超强超短激光的直接测量；（d)商用的三阶相关仪一般价格昂贵，而且三阶相 关仪的使用，需要专业技术人员反复调节复杂的光路，使其工作在最佳状态，才能使测量结 果准确，因此带来使用上的限制。
[0011] 飞秒激光在介质中的传输是近年来超强超短激光领域研究的热点问题，代表性的 文章如下：
[0012] I.The propagation of powerful femtosecond laser pulses in optical media:physics, applications,and new challenges, S.L.Chin et al.Can. J. Phys. 83 (9)，863 - 905 (2005) ?
[0013] 2. Ultrashort filaments of light in weakly ionized, optically transparent media，L Berge et al. Rep. Prog. Phys. 70 (10)，1633 - 1713 (2007)。
[0014] 3. Femtosecond filamentation in transparent media,A.Couairon et al. Phys. Rep. Rev. Sec. Phys. Lett. 441, 47 - 189 (2007) 〇
【发明内容】
[0015] 本发明的目的即是为了克服现有技术的不足，提供用于测量超强超短激光预脉冲 的方法和系统。
[0016] 在本发明的第一方面，提供了一种用于测量超强超短激光预脉冲的方法，包括：
[0017] 步骤1 :将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光；
[0018] 步骤2 :利用时间延迟可调的探针光来探测由泵浦光经聚焦后在透明介质中产生 的等离子体通道(成丝）；以及
[0019] 步骤3 :接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。
[0020] 在一个实施例中，所述探针光可以为经非线性光学作用发生频率变换从而波长区 别于泵浦光波长的探针光。
[0021] 在一个实施例中，可以将激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离 子体通道所需调节的时间延迟确定为预脉冲在激光脉冲中的时间位置。
[0022] 在一个实施例中，可以将激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲 在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比确定为预脉冲与主脉 冲的大小之比。
[0023] 在另一个实施例中，可以将激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所 需的最小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比确定 为预脉冲与主脉冲的大小之比。
[0024] 在本发明的另一方面，提供了一种用于测量超强超短激光预脉冲的系统，包括：
[0025] 分束器，其用于将入射激光分成两束，分别作为泵浦光和探针光，
[0026] 聚焦器件，其用于使泵浦光聚焦以在透明介质中产生等离子体通道；
[0027] 光路延迟装置，其用于在探针光到达泵浦光形成的等离子体通道区域之前调节探 针光相对于泵浦光的时间延迟；以及
[0028] 摄像装置，其用于接收经等离子体通道之后的探针光以监测所述等离子体通道。
[0029] 在一个实施例中，所述系统还可以包括非线性光学元件，其中探针光在经过光路 延迟装置之前还经过所述非线性光学元件，发生频率变换，产生波长区别于泵浦光波长的 探针光。
[0030] 在一个实施例中，激光脉冲中的主脉冲和预脉冲分别在焦点附近形成等离子体通 道所需调节的时间延迟可以被确定为预脉冲在激光脉冲中的时间位置。
[0031] 在一个实施例中，激光在介质中自聚焦的临界功率与激光脉冲中的预脉冲在焦点 附近形成等离子体通道所需的最小激光能量对应的功率之比可以被确定为预脉冲与主脉 冲的大小之比。
[0032] 在另一个实施例中，激光脉冲中的主脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最 小激光能量与预脉冲在焦点附近形成等离子体通道所需的最小激光能量之比可以被确定 为预脉冲与主脉冲的大小之比。
[0033] 利用本发明的方法和系统，能够方便且精确地测量超强超短激光的预脉冲。
【附图说明】
[0034] 以下参照附图对本发明的实施例进行进一步说明，其中：
[0035] 图1示出了根据本发明实施例的用于测量超短激光预脉冲的方法的流程图；
[0036] 图2示出了根据本发明实施例的用于测量超强超短激光预脉冲的系统；
[0037] 图3示出了根据本发明另一实施例的用于测量超强超短激光预脉冲的系统；
[0038] 图4示出了利用图2所示的系统对激光预脉冲的测量结果，其中（a)示出了激光 脉冲能量被调节到16. 5mJ时的测量结果，（b)示出了激光脉冲能量被调节到38mJ时的测 量结果；以及
[0039] 图5示出了利用常规的三阶相关仪对激光预脉冲进行测量的结果。
【具体实施方式】
[0040] 本发明利用超强超短激光在透明介质中形成等离子体通道的现象来测量超强超 短激光的预脉冲状况(主要是预脉冲与主脉冲相对大小和时间间隔)。
[0041] 当飞秒激光脉冲在介质中传播时，因自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡 使激光束在介质中形成较长的等离子体细丝分布。理论研究表明，飞秒激光在介质中产生 等离子体通道的先决条件是激光在介质中产生非线性效应，即飞秒激光的功率(代表了激 光强度)大于介质中对应的自聚焦阈值功率。对于高斯光束来说，介