大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种基于自参考、二阶互相关技术，测量超强超短激光系统中由一系列 透射式扩束系统所引入的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 超强超短激光脉冲与物质相互作用是一个强场作用过程，脉冲远场聚焦强度直接 决定激光与物质相互作用效果，而脉冲前沿的径向群延迟是影响聚焦强度的一个至关重要 的参数。因此简单、精确地测量出超短超强激光脉冲的径向群延迟，为其补偿做出参考，具 有重要意义。
[0003] 为了避免非线性效应以及光学损伤，高峰值功率激光系统必然伴随着大口径光斑 输出。由于反射镜式的扩束系统具有较大的像差，而抛面镜式的扩束系统的价格昂贵，且很 难调节。同时考虑到光学元件的损伤阈值问题，目前很多高峰值功率激光系统都采用透射 式扩束系统来对激光脉冲进行扩束。然而透镜具有色差，当短脉冲经过透镜时不同频率成 分将会产生不同的群速度，从而使脉冲前沿发生径向群延迟。径向群延迟使不同位置处脉 冲前沿到达焦点的时间不同，也就是使脉冲远场焦点处时域展宽，从而使聚焦强度下降。早 在1988年Z.Bor就发现了径向群延迟效应，并利用光线追迹法计算了脉冲经过扩束系统后 所引入的径向群延迟大小。短脉冲经过一透射式准直扩束系统后，任意半径处脉冲前沿相 对于光轴处脉冲前沿的延时为
[0004]
[0005] 其中，r为任意位置处脉冲前沿到光轴的距离;c为真空中的光速;f2为扩束系统中 第二个透镜的焦距;η和dn/dA为透镜材料的折射率和色散;λ为待测脉冲的中心波长;Μ为扩 束系统的扩束比。
[0006] 可见，由透射式扩束系统所引入的脉冲前沿径向群延迟是关于光束半径的二次曲 线，且根据透镜的径向对称性，可知扩束系统所引入的径向群延迟也是径向对称分布的。
[0007] 为了量化分析径向群延迟的影响，很多测量技术已经提出。现有测量方法大致可 以分为三类:空间干涉、光谱干涉以及时间相关。它们成功地应用于由透镜、扩束系统所引 入的径向群延迟的测量。然而，这并不能直接用于测量高峰值功率激光系统中的径向群延 迟，因为这些方法都需要引入额外的具有平面脉冲前沿的参考光，或是通过引入额外的光 学元件来产生理想参考光，这些要求大大的限制了此类方法在高峰值功率激光系统中的应 用。另外一些基于自参考的测量方法又使用了望远系统，这必然会引入额外的脉冲前沿径 向群延迟。而且，在高峰值功率系统中，大口径光学元件的需求也加大了径向群延迟测量的 难度与费用。因此，发明一套简单、经济、实用性强的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟 的测量装置和测量方法具有重要意义。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供了一种能够用于超强超短激光系统中由一系列透射式扩 束系统所引入的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法，为脉冲前沿 径向群延迟的补偿提供了依据，从而能够实现更高强度的激光脉冲输出。该方法克服了现 有测量方法中由于理想参考光、所需大尺寸光学元件而带来的局限性，实现了高峰值功率 激光系统中大口径超短脉冲径向群延迟的直接测量。操作简单、科学有效，实用性强。
[0009] 本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：
[0010] -种大□径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置，包括:迈克尔逊干涉仪、二 阶自相关仪和示波器，所述的迈克尔逊干涉仪包括分束片、沿光路依次由第一反射镜、延迟 线和第五反射镜组成的一臂和沿光路依次由第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成的 另一臂，两路光通过所述的分束片合束，其特征在于，还包括用于该合束光路校正的近场光 阑和远场光路；
[0011] 所述的远场光路依次包括第六反射镜、第七反射镜、透镜、第八反射镜和CCD，所述 的第六反射镜设置在平移台上；
[0012] 待测大口径脉冲中间位置放置所述的第一反射镜，使光束分为两束等口径的半光 斑光束，一半光斑光束进入迈克尔逊干涉仪的一臂，即经第一反射镜反射后通过延迟线，再 经第五反射镜反射后，入射到分束片，经该分束片透射;另一半光斑光束直接进入迈克尔逊 干涉仪的另一臂，即依次经过第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜反射后，入射到分束 片，经该分束片反射，两路半光斑光束形成合束光；
[0013] 在所述的分束片后放置与合束光等口径的小孔作为近场光阑，利用平移台把第六 反射镜移入合束光路，使合束光被第六反射镜反射，被反射后的合束光经所述的第七反射 镜反射后，再经所述透镜聚焦，最后经第八反射镜反射，使得聚焦光束的焦点成像在所述的 CCD上；当两束光在近场光阑处重合，且CCD中两光束的焦斑重合，移走第六反射镜，使合束 光注入二阶自相关仪，该二阶自相关仪安置在平移台上，且该二阶自相关仪与所述的示波 器相连。
[0014] 所述的迈克尔逊干涉仪，利用一反射镜将待测大口径超短脉冲分为两束等口径的 半光斑光束，分别注入迈克尔逊干涉仪的两臂，一路作为参考光，另一路作为待测光。且迈 克尔逊干涉仪中延迟线所引入延迟量的变化对最终脉冲前沿径向群延迟的测量结果无影 响。
[0015] 所述的远场光路中采用长焦透镜和高分辨率(XD。
[0016] 本发明为解决上述问题所采用的又一技术方案为：
[0017] -种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量方法，包括下列步骤：
[0018] ①利用第一反射镜将待测大口径超短脉冲分为两束等口径的半光斑光束，分别注 入迈克尔逊干涉仪的两臂，一路作为参考光，另一路作为待测光，并使两路光在分束片后合 束。
[0019] ②调节迈克尔逊干涉仪其中一臂中的延迟线，使两路光之间存在一相对延时。
[0020] ③调节平移台使第六反射镜进入光路，使合束光被反射进入远场光路。根据两束 光在近场光阑处的重合程度以及远场CCD中两光束焦斑的重合程度判断两路光在分束片后 的合束效果。
[0021] ④通过调节第四反射镜、第五反射镜以及分束片，使两束光在近场光阑处重合，以 及CCD中两焦斑重合，从而实现两束光的合束校正。
[0022]⑤移走第六反射镜，使合束光注入二阶自相关仪，利用二阶自相关仪横向扫描合 束光，基于互相关原理测量不同位置处两半光斑光束脉冲前沿间的相对延时，并通过示波 器记录两脉冲前沿间的相对延时量。
[0023]⑥拟合所测得的不同位置处的相对延时，是关于光束半径分布的线性函数。根据 线性函数的斜率及所测大口径超短脉冲的直径推导出所测脉冲前沿的径向群延迟，即径向 群延迟分布函数的二次项系数a，
[0024] a = k/d〇
[0025] 其中，k为上述拟合直线的斜率，d为所测脉冲的直径。
[0026] 所述步骤②中调节延迟线所引入的两光束间延时量的不同对最后径向群延迟的 测量结果无影响。
[0027]所述步骤⑤中示波器所显示的相关信号包括三个尖峰，中间尖峰对应着两个自相 关信号的叠加，两边的尖峰对应着两个互相关信号。且自相关信号与互相关信号之间的时 间间隔就是所测两脉冲前沿间的相对延时量。
[0028] 所述的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟是由激光系统中一系列透射式扩束 器所引起入的、关于光束半径径向对称分布的二次函数。
[0029] 由透射式扩束器所引入的脉冲前沿径向群延迟，遵循以下数学规律:对称分布的 二次曲线408:7 = &124已（^)，把其中一半六0平移至4'0'，使之与另一半08拥有相同的 变化区间(〇，r)，则它们之间的差值变化是关于X的线性函数。且该直线的斜率k为上述二次 曲线半径r与其二次系数a乘积的2倍，即k = 2ar。
[0030] 所述的合束光中不同位置处两半光斑光束脉冲前沿间的相对延时可拟合成一条 直线，然后根据其斜率就可算出所测大口径超短脉冲前沿的径向群延迟分布。脉冲径向群 延迟分布曲线的二次项系数为该直线斜率与所测脉冲直径的比值。
[0031] 与先技术相比，本发明具有以下显著特点：
[0032] 1.该技术为自参考，不需要引入额外的参考光(具有平面脉冲前沿），或者通过引 入额外的光学元件来产生"理想"参考光。
[0033] 2.没有使用透射式光学元件，不会引入额外的脉冲前沿径向群延迟。
[0034] 3.大大降低了测量装置中所需的光学元件的尺寸，不仅节约成本，也提高了高峰 值功率激光系统输出脉冲的可测量口径。
【附图说明】
[0035]图1:本发明装置结构示意图；
[0036] 图2:扩束系统所引入的脉冲前沿径向群延迟；
[0037] 图3:本发明实施实例的结构示意图；
[0038] 图4:示波器采集到的具有相对延迟的两脉冲的互相关信号示意图；
[0039] 图5:对应的数学模型。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图实施例对本发明作进一步说明。
[0041] 如图1所示，一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置，包括:迈克尔 逊干涉仪、二阶自相关仪14、示波器15。其中迈克尔逊干涉仪包括两臂，一臂依次由第一反 射镜1，延迟线6和第五反射镜5组成;另一臂依次由第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜 4组成;然后两臂通过分束片7完成合束。该装