专利名称：诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针的制作方法
技术领域：
〔0001〕 本发明涉及激光等离子体，特别是一种用于超短强激光与等离子体相互作用中诊 断激光等离子体参数的单光束飞秒探针。
背景技术：
〔0002〕 近年来，随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的发展，激光器能产生飞秒量级的超短强 激光脉冲，激光光强能达到甚至超过10 18W/cm2，使超短强激光脉冲与物质(气体、固体和团 簇)相互作用成为了人们关注的重点。超短强激光脉冲与物质相互作用时间非常短，且相 互作用的区域非常小，因此对激光与等离子体相互作用的参数的诊断提出了更高的要求。
〔0003〕 等离子体密度和温度是等离子体两个重要参数，测量等离子体密度的方法中最常 用到是用激光干涉法测量等离子体折射率从而得到等离子体密度。
〔0004〕 在先技术〔1〕美国Walkup等人提出了用迈克尔逊干涉仪来测量等离子体密 度(详见Walkup,R.E.,J.M.Jasinski,and R.W.Dreyfus, Studies of Excimer Laser
Ablation of Solids Using a Michelson Interferometer. Applied Physics Letters，
1986.48(24):P.1690-1692.)。它使用Ho-No彻激光作为探针光，利用光电倍增管来接收信 号，激光与等离子体相互作用靶室在其中的一个探测臂上。该装置的不足之处有以下三个 1、探针光源需要另外引入，在器件和光路上比较繁琐；2、探针光是连续的，利用泵浦光来触 发探测器，不能通过调节探针光和泵浦光之间的相对时间延时来测量超短强激光脉冲与等 离子体相互作用过程中等离子体参数的时间演化情况；3、探针光穿过真空靶室，导致探针 光不仅包含等离子体区域引起的相位差，还包括靶室通光窗口及靶室内真空区域引起的相 位差，引入了额外的测量误差。
〔0005〕 在先技术〔2〕Doyle等人提出了用马赫-曾德尔干涉仪来测量等离子体密
度(详见Doyle,L.A.,et al.,Three dimensional electron number densities in atitanium PLD plasma using intorforomctry.Iccc transactions on Plasma Scicncc
1999.27(1):P 128-129.)，较先技术[1]中的装置有很大的改善。探针光是而丫肌激光 器，先用分束镜将探针光分成两束，一束穿过激光与等离子体相互作用靶室，另一束在空气 中传播，然后两束光汇合干涉后被扣⑶探测。相比与迈克尔逊干涉，它在原理上基本上是 一样的，但在结构上更加优化，首先，它只是穿过了真空靶室一次，引入的测量误差就会相 对较小；其次，在光路的准直上，马赫-曾德尔干涉仪比迈克尔逊干涉更容易调节。但是与 先技术〔1〕一样，它同样存在探针光另外引入和无法调节探针光的时间延迟等问题。
发明内容
〔0006〕 本发明的主要目的是为了克服上述在先技术中存在的问题，针对超短超强激光与 等离子体相互作用的应用，提供一种诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针，该装置应 克服在先技术中探针光的产生复杂、数据误差和不能调节探针光的时间延时等缺点，能够 准确的测量相互作用中的等离子体参数，具有简捷性、易操作性、延时的准确性、高灵敏度和低成本等优点。本发明的技术解决方案如下一种诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针，特点在于其构成包括以置于真空 靶室内、离轴抛物镜焦点上方的靶点为中心，沿光路分为探针光的形成、缩束、延时调节部 分和探针光的扩束、相干测量部分所述的探针光的形成、缩束、延时调节部分包括沿光路前进方向依次的激光分束 器、由共焦的第一凸透镜和凹透镜构成的缩束复合透镜组、由第一反射镜、第二反射镜、第 三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜构成的延时臂；所述的探针光的扩束、干涉测量部分中包括沿光路前进方向的由共焦的第二凸透 镜和第三凸透镜构成的扩束复合透镜组，由半透半反镜和以该半透半反镜为中心的三棱 镜、全反镜、探测器构成的干涉测量系统；超短超强激光经过激光分束器被分为透射光束和反射光束，该透射光束为探针 光，反射光束为驱动主激光，该驱动主激光经过第七反射镜、第八反射镜反射后由位于靶室 内的离轴抛物镜聚焦到靶点与物质相互作用；所述的探针光经过第一凸透镜和凹透镜缩 束，再由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜反射 进入靶室，穿过靶点，由第二凸透镜和第三凸透镜扩束再经过半透半反镜分成透射探针光 束和反射探针光束，反射探针光束经过三棱镜倒置后透过所述的半透半反镜，所述的透射 探针光束经全反镜反射后再由半透半反镜反射，最后两束探针光束相干并由所述的探测器 记录，获得等离子体通道信息。所述的第四反射镜、第五反射镜置于一个电动平移台上，该电动平移台的移动方 向与探针光的传播方向平行，构成探测光延时调节机构。所述的半透半反镜与探针光成45度角放置在干涉光路中。所述的三棱镜是由对探测光透明的玻璃制成的等腰直角三棱镜，底面垂直探针光 传播方向放置在干涉光路中的，且两个直角边侧面上下放置。所述的探针光垂直于所述的驱动主激光的传播方向经过所述的靶点后，光束的上 半部分记录了等离子体通道的信息，下半部分则没有记录等离子体通道的信息，该记录了 等离子体通道信息的探针光由半透半反镜分成反射光束和透射光束，所述的反射光束经三 棱镜反射倒置后，变成光束的下半部分记录等离子体通道信息，上半部分则没有；所述的透 射光束经过全反镜反射后，光束的上下位置没有改变，还是由光束的上半部分记录了等离 子体通道的信息，经全反镜的反射光束与经三棱镜反射的光束分别通过半透半反镜相干， 由所述的探测器记录，获得等离子体通道信息。本发明的技术效果如下本发明与在先技术的迈克尔逊干涉仪装置和马赫_曾德尔干涉仪装置相比，有以 下特点1、简捷性产生主激光和探针光，无需引入外部光源，只需要一个激光分束器，就 能获得与主激光有一定时间延时的探针光，相比与在先技术中的使用一台激光器产生探针 光，本发明很大精简。2、易操作性在探测光路中，探针光是用单光束记录主激光与物质相互作用中等 离子体的信息，然后采用三棱镜来实现单束光中穿过等离子体通道的探针光部分和没有穿过等离子体通道的探针光部分的干涉，在光路调节上很容易实现。而在先技术中，探针光在 进入真空靶室前被分成两束光，在经过真空靶室后再同轴相干，使光路的调节比较困难。3、延时的准确性主激光和探针光之间的时间延迟是由控制第四反射镜、第五反 射镜运动的电动平移台的位置确定的，其移动的精度能达到微米量级，所以延迟时间能精 确到皮秒量级，而且由于探针光是单光束的，脉宽在飞秒量级，因此本发明探针可以诊断等 离子体相互作用过程中不同时刻的等离子体的通道形成、等离子体密度等参数。而在先技 术中则无法确定探针光和主激光的绝对延时，不能用来研究等离子体动力学过程。4、高灵敏度由于在整个探测光路中，都只有一束探针光，所以探针光各个部分相 位差只是由等离子体区域引起的，干涉测量的干涉条纹的偏移也就只对应着等离子体区域 的等离子体密度、宽度等信息，不存在其他部分引起的位相误差。而在先技术中探针光分为 了两束，一束穿过真空靶室，另一束在空气中传播，所以两束探针光中含有真空靶室、空气 等部分引起的相位差，这样就会使处理出来的数据存在误差，灵敏度很低。5、本发明中用缩束复合透镜来提高干涉条纹的亮度，减少散射光对干涉条纹的影 响；用扩束复合透镜将等离子体区域的信息放大，能更加清晰的观测到干涉条纹信息。6、低成本由于三棱镜是由对激光波段透明的玻璃材料制成的，而且三棱镜还不 需要镀膜，所以在光学元件上的花费就相当的少；同时探针光的引入中不需要使用额外的 激光器，也大大的减少了开支。
图1为本发明诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针的结构示意图。图2为本发明探针光的光斑和主激光在靶点位置的横截面的示意3为本发明三棱镜对探针光中包含等离子体信息区域的位置倒置的示意图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1为本发明诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针的结构示 意图。由图可见，本发明诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针的构成是以置于真空靶 室11内、离轴抛物镜20焦点上方的靶点10为中心，包括沿光路分为探针光的形成、缩束、 延时调节部分和探针光的扩束、相干测量部分所述的探针光的形成、缩束、延时调节部分包括沿光路前进方向依次的激光分束 器1、由共焦的第一凸透镜2和凹透镜3构成的缩束复合透镜组、由第一反射镜4、第二反射 镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9构成的延时臂；所述的探针光的扩束、干涉测量部分中包括沿光路前进方向的由共焦的第二凸透 镜12和第三凸透镜13构成的扩束复合透镜组，由半透半反镜14和以该半透半反镜为中心 的三棱镜15、全反镜16、探测器17构成的干涉测量系统；超短超强激光经过激光分束器1被分为透射光束和反射光束，该透射光束为探针 光，反射光束为驱动主激光，该驱动主激光经过第七反射镜18、第八反射镜19反射后由位 于靶室11内的离轴抛物镜20聚焦到靶点10与物质相互作用，所述的离轴抛物镜20使主激光聚焦在靶的正上方，可以更换不同焦距的聚焦器件，只要焦点在靶的正下方就不会影 响整体的装置工作。所述的探针光经过第一凸透镜2和凹透镜3缩束，再由第一反射镜4、第二反射镜 5、第三反射镜6、第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9反射进入靶室11，穿过靶点10， 由第二凸透镜12和第三凸透镜13扩束再经过半透半反镜14分成透射探针光束和反射探 针光束，反射探针光束经过三棱镜15倒置后透过所述的半透半反镜14，所述的透射探针光 束经全反镜16反射后再由半透半反镜14反射，最后两束探针光束相干并由所述的探测器 17记录，获得等离子体通道信息。所述的第四反射镜7、第五反射镜8置于一个电动平移台(图中未示)上，该电动 平移台的移动方向与探针光的传播方向平行，构成探测光延时调节机构。所述的半透半反镜14与探针光成45度角放置在干涉光路中。所述的三棱镜15是由对探测光透明的玻璃制成的等腰直角三棱镜，底面垂直探 针光传播方向放置在干涉光路中的，且两个直角边侧面上下放置。所述的探针光经第六反射镜9反射后由真空靶室的窗口进入真空靶室11内，垂直 于所述的驱动主激光的传播方向经过所述的靶点10后，光束的上半部分记录了等离子体 通道的信息，下半部分则没有记录等离子体通道的信息，该记录了等离子体通道信息的探 针光由半透半反镜14分成反射光束和透射光束，所述的反射光束经三棱镜15反射倒置后， 变成光束的下半部分记录等离子体通道信息，上半部分则没有；所述的透射光束经过全反 镜16反射后，光束的上下位置没有改变，还是由光束的上半部分记录了等离子体通道的信 息，经全反镜16的反射光束与经三棱镜15反射的光束分别通过半透半反镜14相干，由所 述的探测器17记录，获得等离子体通道信息。为了降低激光能量的损耗，使相互作用过程中激光的光强更强，要求激光分束器1 的反射率很高，一般要在95%以上。通过调节电动平移台改变所述的第四反射镜7、第五反 射镜8的位置就能改变探针光光程，致使探针光与主激光之间的时间延时改变，可以用来 探测不同时刻的激光与等离子体相互作用过程。这个延迟时间能够达到皮秒量级，可以非 常精确的探测相互作用过程中不同时刻的等离子体参数。经过反射镜9反射后，探针光垂 直于激光聚焦传播的方向进入真空靶室的，如图2所示，是探针光的光斑21和主激光22在 靶点位置的横截面，主激光在靶点10处聚焦，与团簇物质相互作用会形成等离子通道，等 离子体通道就在主激光22聚焦的区域里面，这样探针光的上半部分会穿过等离子体通道， 而探针光的其他部分则没有穿过等离子体通道，两个部分就会存在相位差，这样探针光就 记录了相互作用中等离子体参数的信息。通过干涉测量就可以得到不同时刻等离子体的通 道形成、等离子体密度等参数。穿过等离子体区域的探针光首先被扩束复合透镜放大，探针光中记录的等离子体 通道信息所占的区域非常小，在微米量级，将探针光扩束能使得探测器更详细、精确的记录 数据。扩束复合透镜是由共焦的第二凸透镜12和第三凸透镜13构成的，可以通过调节第 二凸透镜12和第三凸透镜13的焦距比来调节放大倍数。扩束后的探针光经半透半反镜14 分成反射探针光束和透射探针光束，反射探针光束向三棱镜15传播，透射探针光束向全反 镜16传播。三棱镜15能把反射探针光束的上下位置对调，如图3所示，三棱镜15的横截 面27是等腰直角三角形，其底面是垂直探针光传播方向放置在干涉光路中的，且两个直角边侧面是上下放置的，25是未经三棱镜反射的探针光光束，26是经过三棱镜反射后的探针 光光束，未经三棱镜反射前，探针光的上半部分23记录了等离子体通道的相位信息，在经 过三棱镜的全反射后，该位置被置換到探针光的下半部分24。而经过全反镜16的透射探针 光束的上下位置则没有改变，仍然是探针光的上半部分记录了等离子体通道的相位信息， 这样当两束探针光经过半透半反镜14后干涉时，由三棱镜15倒置后的未记录等离子通道 信息的探针光束上半部分与由全反镜16反射后记录等离子通道信息的探针光束上半部分 相干，会导致干涉条纹的偏移，在探測器17上就会记录干涉条纹的信息，从而得到等离子 体通道、等离子体密度等信息。探測器17将接收到的信号引入与计算机相连接的CCD中， CCD是由激光来触发的，这样可以在显示器上动态的显示干涉条纹信息。本发明采用三棱镜15的全反射效应使探针光的上下位置对调实现了穿过等离子 体通道的探针光部分和没有穿过等离子体通道的探针光部分相干測量，同时探针光的各个 部分在反射过程中经过的光程相等，不影响探针光各个部分的相位信息，这ー技术特征大 大的简化了干渉光路，提高了测量的精度和准确性。下面是ー个具体实施例的參数；团簇是常温的甲烷经过锥形喷嘴绝热膨胀形成的甲烷喷流。激光的參数是中心 波长是795纳米，光谱半高全宽是22纳米，脉冲宽度是60飞秒，激光的最大能量是200毫 焦，光束直径是50毫米。离轴抛物镜20的焦点在靶点10，焦距是200毫米。置于真空靶室 11的靶10是由气阀控制形成的甲烷团簇，控制气阀的脉冲信号是由激光信号来触发的。激 光分束器I对激光的反射率是95%，缩束透镜组能把探针光的光束直径缩小为原来的0. 5 倍。控制第四反射镜7、第五反射镜8的电动平移台的移动精度在微米量级，行程0. 15毫 米在时间上对应着I皮秒的时间延迟，需要不同的时间延时只要调节电动平移台的位置即 可。扩束透镜组能把探针光扩束4倍，把只有几百微米的等离子体通道扩大到毫米量级，能 在CCD探測器17上更加清晰的观测干涉条纹信息。三棱镜15的底面要垂直探针光传播方 向放置在干渉光路中，可以全反射探针光，通过调节全反镜16的倾角可以调节干涉条纹的 宽度。CCD探測器17用来接收探针光经三棱镜15和全反镜16反射后形成的干涉条纹，其 像素的大小是6. 7微米，在CXD探測器上干渉条纹发生偏移的区域对应着等离子体通道，通 过干涉条纹的偏移的区域測量出等离子体通道的宽度和长度。干涉条纹的偏移量即干涉条 纹数=条纹偏移量/相邻条纹间距，所述的干涉条纹数由等离子体密度和等离子体通道的 宽度決定的。假设等离子体通道的横截面是圆形的，探针光穿过等离子区域的长度也就是其宽 度，由此可以得到等离子体密度，如当等离子体通道直径D是100微米，干涉条纹数m为2
时，对应的等离子体密度
权利要求
1.ー种诊断激光等离子体參数的单光束飞秒探针，特征在于其构成包括以置于真空靶室(11)内、离轴抛物镜(20)焦点上方的靶(10)为中心，沿光路分为探针光的形成、缩束、延时调节部分和探针光的扩束、相干測量部分 所述的探针光的形成、缩束、延时调节部分包括沿光路前进方向依次的激光分束器(I)、由共焦的第一凸透镜(2)和凹透镜(3)构成的缩束复合透镜组、由第一反射镜(4)、第ニ反射镜(5)、第三反射镜(6)、第四反射镜(7)、第五反射镜(8)、第六反射镜(9)构成的延时臂； 所述的探针光的扩束、干涉测量部分中包括沿光路前进方向的由共焦的第二凸透镜(12)和第三凸透镜(13)构成的扩束复合透镜组，由半透半反镜(14)和以该半透半反镜为中心的三棱镜(15)、全反镜(16)、探測器(17)构成的干涉测量系统； 超短超强激光经过激光分束器(I)被分为透射光束和反射光束，该透射光束为探针光，反射光束为驱动主激光，该驱动主激光经过第七反射镜(18)、第八反射镜(19)反射后由位于靶室(11)内的离轴抛物镜(20)聚焦到靶点(10)与物质相互作用；所述的探针光经过第一凸透镜(2)和凹透镜(3)缩束，再由第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第四反射镜(7)、第五反射镜(8)、第六反射镜(9)反射进入靶室(11)，穿过靶点(10)，由第二凸透镜(12)和第三凸透镜(13)扩束再经过半透半反镜(14)分成透射探针光束和反射探针光束，反射探针光束经过三棱镜(15)倒置后透过所述的半透半反镜(14)，所述的透射探针光束经全反镜(16)反射后再由半透半反镜(14)反射，最后两束探针光束相干并由所述的探測器(17)记录，获得等离子体通道信息。
2.根据权利要求I所述的单光束飞秒探针，其特征在于所述的第四反射镜(7)、第五反射镜(8)置于ー个电动平移台上，该电动平移台的移动方向与探针光的传播方向平行，构成探测光延时调节机构。
3.根据权利要求I所述的单光束飞秒探针，其特征在于所述的半透半反镜(14)与探针光成45度角放置在干渉光路中。
4.根据权利要求I所述的单光束飞秒探针，其特征在于所述的三棱镜(15)是由对探測光透明的玻璃制成的等腰直角三棱镜，底面垂直探针光传播方向放置在干渉光路中的，且两个直角边侧面上下放置。
5.根据权利要求I所述的单光束飞秒探针，其特征在于所述的探针光垂直于所述的驱动主激光的传播方向经过所述的靶点(10)后，光束的上半部分记录了等离子体通道的信息，下半部分则没有记录等离子体通道的信息，该记录了等离子体通道信息的探针光由半透半反镜(14)分成反射光束和透射光束，所述的反射光束经三棱镜(15)反射倒置后，变成光束的下半部分记录等离子体通道信息，上半部分则没有；所述的透射光束经过全反镜(16)反射后，光束的上下位置没有改变，还是由光束的上半部分记录了等离子体通道的信息，经全反镜(16)的反射光束与经三棱镜(15)反射的光束分别通过半透半反镜(14)相干，由所述的探測器(17)记录，获得等离子体通道信息。
全文摘要
一种用于超短超强激光与团簇相互作用的诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针，其构成是以置于真空靶室内、离轴抛物镜焦点上方的靶点为中心，沿光路分为探针光的形成、缩束、延时调节部分和探针光的扩束、相干测量部分，包括激光分束器、激光缩束系统、光学延时系统、激光扩束系统和激光干涉测量系统。本发明具有简捷性、易操作性、延时的准确性、高灵敏度和低成本等优点。
文档编号G01N9/24GK102661908SQ201210129579
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者刘建胜, 卢海洋, 张辉, 李儒新, 李松, 王成 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所