專利名稱：啁啾脈沖縱向衍射干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒時(shí)間分辨測量儀。特別是一種啁啾脈沖縱向衍射干涉儀。
背景技術(shù)：
超短脈沖激光在與物質(zhì)相互作用過程中會(huì)產(chǎn)生許多快速(亞皮秒級(jí))的物理過程如激光在與氣體、團(tuán)簇以及固體的相互作用過程中，原子的電離過程、等離子體中電子密度的演化、沖擊波的發(fā)展過程、激光引起物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化如自相位調(diào)制、克爾效應(yīng)以及激光引起THZ的產(chǎn)生等等。對(duì)這些快速的物理過程進(jìn)行時(shí)間分辨的診斷測量一直是人們非常感興趣的課題和追求的目標(biāo)，并且對(duì)研究激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制來說至關(guān)重要。由于目前超短激光技術(shù)的飛速發(fā)展，激光的功率越來越高，脈寬越來越短，激光在與物質(zhì)相互作用過程中很多快速的物理過程在時(shí)間上演變的尺度已經(jīng)從傳統(tǒng)意義上的快速過程(皮秒量級(jí))縮短到幾百飛秒、幾十飛秒甚至已經(jīng)到阿秒量級(jí)，傳統(tǒng)的測量手段如條紋相機(jī)、分幅相機(jī)等只能在皮秒、納秒的時(shí)間尺度上對(duì)慢速變化(＞1ps)的物理過程進(jìn)行診斷測量，而且測量系統(tǒng)非常復(fù)雜，價(jià)格非常昂貴。而對(duì)于亞皮秒量級(jí)超快動(dòng)力學(xué)過程的診斷，人們正在尋求并已經(jīng)發(fā)展了多種飛秒時(shí)間分辨的診斷技術(shù)，如頻率分辨光快門(FROGFrequency Resolved OpticalGating)、多脈沖干涉頻率分辨光快門(MI-FROGMultipulseInterferometric FROG)、直接光場重構(gòu)的頻譜相位干涉儀(SPIDERSpectral Phase Interferometry for Direct Electric fieldReconstruction)、Pump-Probe技術(shù)以及啁啾頻譜干涉儀等，見[1]Craig W.Siders，George Rodriguez，Jennifer L.W.Siders，F(xiàn)iorenzoG.Omenetto，and Antoinette J.Taylor，“Measurement of UltrafastIonization Dynamics of Gases by Multipulse InterferometricFrequency-Resolved Optical Gating”，Phys.Rev.Lett.Vol.87，263002，(2001).和[2]K.Y.Kim，I.Alexeev，E.Parra，and H.M.Milchberg，“Time-Resolved Explosion of Intense-Laser-HeatedClusters”，Phys.Rev.Lett.Vol.90，023401，(2002)。FROG、MI-FROG以及SPIDER一般用來測量激光的脈沖波形和頻譜相位；Pump-Probe技術(shù)由于要采用序列延時(shí)的方法，因而不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線測量。由于超短脈沖激光本身有很寬的頻譜，通過啁啾技術(shù)可以將不同的頻率成分在時(shí)域進(jìn)行調(diào)制獲得一很好的線性啁啾脈沖，使得激光的時(shí)域信息能夠在頻域得到體現(xiàn)。利用超短脈沖具有寬頻譜這一特點(diǎn)，采用頻譜干涉或是調(diào)制的方法，可以對(duì)一些快速的物理過程如原子的電離過程、沖擊波的演化、激光燒蝕材料表面形貌的演化、以及激光產(chǎn)生的THZ脈寬等等進(jìn)行高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)測量。由于這種方法只需單次測量，因此可以進(jìn)行實(shí)時(shí)地在線測量。對(duì)于干涉的方法，由于要觀察干涉條紋的扭曲，可覺察的條紋扭曲量一般要大于八分之一個(gè)條紋間隔，見Hui Yang，JieZhang，Yingjun Li，Jun Zhang，Yutong Li，Zhenglin Chen，Hao Teng，Zhiyi Wei，and Zhengming Sheng，“Characteristics of self-guidedlaser plasma channels generated by femtosecond laser pulses inair”，Phys.Rev.E Vol.66，016406，(2002)。因此測量的靈敏度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的限制，提供一種啁啾脈沖縱向衍射干涉儀，該儀器的信號(hào)強(qiáng)度直接依賴于相位移動(dòng)的大小，測量的靈敏度很高，可以測量微小的相位隨時(shí)間的變化過程。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種啁啾脈沖縱向衍射干涉儀，其特征在于包括一光柵對(duì)，在該光柵對(duì)的輸出光路上，依次設(shè)有半波片、分束片、偏振片、衍射透鏡和面陣CCD光譜儀，一聚焦透鏡位于所述分束片的一側(cè)并平行于光柵對(duì)的輸出光路，使垂直于該聚焦透鏡的驅(qū)動(dòng)光束經(jīng)分光片反射的反射光束與透過分束片的探測光束共線。
一束超短脈沖激光(幾十飛秒到幾百飛秒但頻譜寬度較寬略為幾十個(gè)納米或更寬)經(jīng)過分束片后有兩束激光，其中一束作為泵浦光束，占有大部分的激光能量，通過透鏡聚焦，用來驅(qū)動(dòng)激光等離子體的產(chǎn)生或是在材料中引起非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的變化從而引起折射率的變化等。
在這里，我們以等離子體通道為例，利用激光驅(qū)動(dòng)在空氣中產(chǎn)生等離子體通道。另外一束較小能量的激光作為探測光束。在我們的設(shè)計(jì)中，探測光束經(jīng)過光柵對(duì)展寬成一線性啁啾脈沖，并利用半波片旋轉(zhuǎn)使探測光的偏振方向與驅(qū)動(dòng)激光的偏振方向垂直，然后透過該分束片與泵浦光束共線傳輸，穿過等離子體，由于等離子體的折射率與周圍介質(zhì)的折射率不同，因此對(duì)探測激光波前的局部區(qū)域會(huì)引起相移的變化。此后通過偏振片取出探測光束，探測光束在自由空間傳播并經(jīng)過一透鏡衍射在一段距離后的觀測屏上會(huì)產(chǎn)生衍射條紋。在觀測屏的位置，我們用一光柵譜儀記錄衍射條紋在頻譜上的變化過程，就可以重構(gòu)相移在時(shí)域隨時(shí)間的瞬態(tài)變化過程，達(dá)到飛秒時(shí)間分辨測量的目的。我們推導(dǎo)出了相位重構(gòu)的解析方法，這可以描述如下如圖2所示是探測光衍射傳播的示意圖。探測激光波形可以認(rèn)為在時(shí)間和空間上都是高斯分布，在時(shí)域探測光束展寬為一線性啁啾脈沖。在經(jīng)過等離子體區(qū)后探測激光的光場振幅可以寫為U0(r，t)＝exp(-ar2)×exp(-jφ(r，t))exp(-Tt2+j(ω0t+bt2))(1)2b是探測激光的啁啾系數(shù)，ω0是探測激光的中心頻率。a和T分別與探測激光的腰斑尺寸和脈寬有關(guān)。等離子體區(qū)引起的相移隨時(shí)間的變化可以表示為
rc(t)是等離子體通道的半徑，φ0(t)是等離子體區(qū)對(duì)探測光波前引起的相移隨時(shí)間的變化過程。根據(jù)光的傳播衍射定理，探測光在經(jīng)過一透鏡后在傳播一段距離d1處的光場可以用菲涅爾積分表示U2(x，y，t)∝U(x，y，t)＝∫∫∫∫U0(ξ，η，t)exp(-jβ(ξ′2+η′2))exp(ja0[(ξ′-ξ)2+(η′-η)2]×(3)exp(ja1[(x-ξ′)2+(y-η′)2]dξdηdξ′dη′其中a0=π/λd0,a1=π/λd1,β=π/λf,]]>d0是等離子體區(qū)與透鏡之間的距離，如圖2示。d1是透鏡與探測器CCD之間的距離。坐標(biāo)(ξ，η)，(ξ′，η′)，(x，y)分別代表物平面、透鏡平面和探測平面的坐標(biāo)。通過公式推導(dǎo)可以計(jì)算在頻域衍射條紋隨光譜的強(qiáng)度分布 其中A0=πλd1(1-11+d0d1-fd1),A1=πλd0(1-11+d1d0-fd0),A2=2πλ(d1+d0-d0d1/f),b0=A22a/4(a2+A12),]]>b1=A22A1/4(a2+A12).]]>下標(biāo)yes和no分別代表有等離子通道和沒有等離子體通道兩種條件下探測平面的光場分布。
通過上式擬合記錄的衍射條紋可以計(jì)算頻域的相移分布0(ω)。如圖3圖4所示，我們對(duì)衍射條紋進(jìn)行擬合的結(jié)果。通過擬合可以唯一確定相移大小和等離子體通道直徑。通過線性對(duì)應(yīng)關(guān)系φ0(t(ω))＝0(A(ω-ω0))可以計(jì)算探測光束在經(jīng)過等離子體區(qū)的過程中產(chǎn)生的相移隨時(shí)間的演化過程φ0(t)。因此，采用這種方法，可以通過一次測量得到相移隨時(shí)間的變化過程，從而研究等離子體通道中電子的產(chǎn)生過程。另外，通過測量探測光的頻譜強(qiáng)度和相移分布0(ω)，采用傅立葉變換也可以計(jì)算相移隨時(shí)間的演化過程φ0(t)。這種測量方法的時(shí)間分辨率主要由探測光的頻譜寬度決定Vω，時(shí)間分辨率Vt≈2π/Vω。因此，探測光的頻譜越寬，探測的時(shí)間分辨率越高。例如，如果探測光采用鈦寶石激光，中心波長800nm，如果頻譜寬度(半高寬)為45nm，那么測量的時(shí)間分辨率可以達(dá)到20fs。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、采用縱向衍射的方法可以大大增加探測區(qū)的長度(比橫向長度高兩個(gè)量級(jí)以上)，由于相移與探測長度成正比，因此可以大大提高測量的靈敏度。
2、采用縱向衍射的方法，測量的衍射條紋的強(qiáng)度分布只與相移有關(guān)，而不依賴于條紋的彎曲程度，因此測量的靈敏度很高。
3、采用線性啁啾脈沖激光作為探針可以只需一次測量就能夠得到相移隨時(shí)間的變化過程，測量的分辨率非常高，可以達(dá)到10fs量級(jí)。
4、在設(shè)計(jì)發(fā)明過程中，推導(dǎo)出了衍射條紋隨相移的解析表達(dá)式，可以非常方便地重構(gòu)相移的大小和通道直徑。


圖1是本發(fā)明啁啾脈沖縱向衍射干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明探測光場在通過一薄透鏡后的衍射傳播示意圖。
圖3是采用解析方法(公式4)對(duì)衍射條紋對(duì)不同的相移進(jìn)行擬合的結(jié)果。
圖4是采用解析方法(公式4)對(duì)衍射條紋對(duì)不同的等離子體通道直徑進(jìn)行擬合的結(jié)果。
圖5表示隨時(shí)間線性變化的相移φ0(t)。
圖6表示在探測平面直接用CCD相機(jī)記錄的隨空間分布的衍射圖案。
圖7表示衍射圖案在頻域和空間的強(qiáng)度分布。
圖8是圖7所示的衍射圖案中沿中心位置讀取的衍射強(qiáng)度隨波長的變化曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明用于高時(shí)間分辨測量微小相移(低的電子密度＜1016cm-3)隨時(shí)間的瞬態(tài)變化過程。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明啁啾脈沖縱向衍射干涉儀結(jié)構(gòu)工作實(shí)施例之一的示意圖，由圖可見，本發(fā)明啁啾脈沖縱向衍射干涉儀，包括一光柵對(duì)2，在該光柵對(duì)2的輸出光路上，依次設(shè)有半波片3、分束片4、偏振片8、衍射透鏡9和面陣CCD光譜儀10，一聚焦透鏡6位于該分束片4一側(cè)并平行于光柵對(duì)2的輸出光路，使垂直于該聚焦透鏡6的驅(qū)動(dòng)光束經(jīng)分束片4的反射光產(chǎn)生的等離子體通道7與探測光束共線。
本發(fā)明啁啾脈沖縱向衍射干涉儀的具體工作過程如下，一束超短脈沖激光1(幾十飛秒到幾百飛秒但頻譜寬度較寬略為幾十個(gè)納米或更寬)透過分束片4后作探測光，另一束作為泵浦光源5，占有大部分的激光能量，通過透鏡6聚焦后經(jīng)分束片4的反射在空間產(chǎn)生等離子體通道7，或是在材料中引起非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的變化從而引起折射率的變化等。
在這里，我們以等離子體通道為例，利用激光驅(qū)動(dòng)在空氣中產(chǎn)生等離子體通道7。另外一束較小能量的激光作為探測光源1。在我們的設(shè)計(jì)中，探測光1經(jīng)過光柵對(duì)2展寬成一線性啁啾脈沖，并利用半波片3旋轉(zhuǎn)使探測光1的偏振方向與驅(qū)動(dòng)激光5的偏振方向相互垂直，然后通過一分束片4與泵浦光5的反射光共線傳輸，穿過等離子體通道7，由于等離子體的折射率與周圍介質(zhì)的折射率不同，因此對(duì)探測激光波前的局部區(qū)域會(huì)引起相移的變化。此后通過偏振片8取出探測光1，探測光1在自由空間傳播并經(jīng)過一透鏡9衍射在一段距離后的觀測屏上會(huì)產(chǎn)生衍射條紋。在觀測屏的位置，我們用一光柵譜儀10記錄衍射條紋在頻譜上的變化過程，就可以重構(gòu)相移在時(shí)域隨時(shí)間的瞬態(tài)變化過程，達(dá)到飛秒時(shí)間分辨測量的目的。
在實(shí)施的過程中有兩種方法將共線傳輸?shù)谋闷止夂吞綔y光區(qū)分開來。一種方法是采用倍頻的方法，將泵浦光或者探測光倍頻；另一種方法是采用偏振的方法，通過改變探測光的偏振方向使之與泵浦光的偏振方向垂直，然后采用偏振片8將探測光分離出來。
例如，對(duì)于一個(gè)如圖5所示的隨時(shí)間線性變化的相移φ0(t) 在這里τ＝700fs，我們可以采用一線性的負(fù)啁啾脈沖激光作為探針光進(jìn)行時(shí)間分辨測量。探測激光的頻譜寬度選為45nm，無啁啾的條件下，激光脈寬為20fs，在經(jīng)過光柵對(duì)2展寬后可以獲得一線性的負(fù)啁啾脈沖，脈沖寬度可以選為1.0ps。采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案，如果在探測平面直接用CCD相機(jī)記錄探測光的衍射圖案隨空間的強(qiáng)度分布，那么可以得到如圖6所示的衍射條紋，該衍射條紋在空間上是中心對(duì)稱的。但是，如果我們?cè)谔綔y平面用一狹縫沿徑向選取衍射條紋，然后用光柵譜儀10拍攝記錄，那么我們就可以得到如圖7所示的衍射圖案在頻域和空間的強(qiáng)度分布。如果在不同的頻譜位置讀取衍射條紋的空間分布強(qiáng)度曲線，采用上面的解析分析方法進(jìn)行擬合可以計(jì)算頻域的相移0(ω)和等離子體通道直徑。然后通過變換獲得相移隨時(shí)間的變換過程φ0(t)。圖8是在圖7所示的衍射圖案中沿中心位置讀取的衍射強(qiáng)度隨波長的變化曲線，對(duì)于隨時(shí)間線性變化的相移φ0(t)來說，其變化曲線相當(dāng)于一正弦曲線。
權(quán)利要求
1.一種啁啾脈沖縱向衍射干涉儀，其特征在于包括一光柵對(duì)(2)，在該光柵對(duì)(2)的輸出光路上，依次設(shè)有半波片(3)、分束片(4)、偏振片(8)、衍射透鏡(9)和面陣CCD光譜儀(10)，一聚焦透鏡(6)位于該分束片(4)一側(cè)并平行于光柵對(duì)(2)的輸出光路，使垂直于該聚焦透鏡(6)的驅(qū)動(dòng)光束(5)經(jīng)分光片(4)反射的反射光束與透過分束片(4)的探測光束(1)共線。
全文摘要
一種啁啾脈沖縱向衍射干涉儀，其特征在于包括一光柵對(duì)，在該光柵對(duì)的輸出光路上，依次設(shè)有半波片、分束片、偏振片、衍射透鏡和面陣CCD光譜儀，一聚焦透鏡位于所述分束片的一側(cè)并平行于光柵對(duì)的輸出光路，使垂直于該聚焦透鏡的驅(qū)動(dòng)光束經(jīng)分光片反射的反射光束與透過分束片的探測光束共線。本發(fā)明的信號(hào)強(qiáng)度直接依賴于相位移動(dòng)的大小，測量的靈敏度很高，可以測量微小的相位隨時(shí)間的變化過程。
文檔編號(hào)G01J11/00GK1570579SQ200410017868
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月22日
發(fā)明者劉建勝, 段作梁, 曾志勇, 李儒新 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所