本發(fā)明屬于超短超強激光技術領域，具體涉及一種診斷超短脈沖聚焦場時空分布特性的方法。

背景技術：

目前超強超短脈沖激光已經(jīng)成為強場物理、高能量密度物理研究的重要工具，研究人員通過聚焦短脈沖激光可以獲得極高的電場和功率密度。然而，由于超短、超強激光系統(tǒng)中大口徑透鏡（用于空間濾波、像傳遞）的存在，使得最終聚焦場的時空分布遠遠偏離理想情況，這將顯著影響強場物理或高能量密度物理實驗的結(jié)果，因此，獲得超短脈沖激光裝置的聚焦場的實際時空分布信息，對于相應物理實驗的預先設計以及物理實驗的圖像的理解都無疑具有重要意義。

到目前為止，還沒有任何一種技術可以用于診斷聚焦場的時空分布。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于提供一種診斷超短脈沖聚焦場時空分布特性的方法，以解決上述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是這樣的：一種診斷超短脈沖聚焦場時空分布特性的方法，包括以下步驟：

（1）信號光成像，其光路為：超短脈沖激光經(jīng)第一半透半反鏡分光后的透射光作為待測信號光，所述待測信號光經(jīng)透鏡組擴束后聚焦，然后通過單模光纖采樣，耦合后的光再經(jīng)第一準直透鏡輸出，最后經(jīng)第三平面反射鏡反射以及第二半透半反鏡透射后，其透射光入射到成像光譜儀中進行成像；

（2）參考光成像，其光路為：超短脈沖激光經(jīng)第一半透半反鏡分光后的反射光作為參考光，所述參考光經(jīng)第一反射鏡反射后原路返回第一半透半反鏡，再經(jīng)第二反射鏡反射后由消色差透鏡聚焦到單模光纖，然后經(jīng)第二準直透鏡準直后由第二半透半反鏡透射反射后，其反射光入射到成像光譜儀中進行成像，得到干涉圖案；

（3）根據(jù)所述成像光譜儀采集到的干涉圖案獲得采樣點處的待測信號光相對于參考光的時間延遲，利用微位移平臺的二維掃描獲得對于水平和垂直方向上的采樣，從而獲得信號光聚焦場在水平和垂直兩個方向上的時空分布。

作為優(yōu)選的技術方案：步驟（1）和（2）所述超短脈沖激光由鈦寶石激光振蕩器產(chǎn)生。

作為優(yōu)選的技術方案：步驟（1）中的透鏡組包括第一透鏡和第二透鏡，所述第二透鏡位于第一透鏡之后，并且直徑大于第一透鏡。

作為優(yōu)選的技術方案：步驟（3）中，根據(jù)所述成像光譜儀采集到的干涉圖案獲得采樣點處的待測信號光相對于參考光的時間延遲的方法為：預先利用光譜干涉技術測量第一準直透鏡輸出的信號光的剩余二階色散，確定信號光中單位波長對應的時間延遲；根據(jù)成像光譜儀采集到的干涉圖案，可以讀出零相位延遲點（即完全時間同步點）的位置，進一步得到其相對于中心波長的偏移量，該偏移量乘以單位波長對應的時間延遲，即得到采樣點相對于參考光的時間延遲。

作為優(yōu)選的技術方案：步驟（3）中，獲得信號光聚焦場在水平和垂直兩個方向上的時空分布的方法為：將微位移平臺沿水平或垂直方向移動，記錄不同的空間位置處對應的時間延遲量，在坐標系內(nèi)連接各有效數(shù)值點，即可得到信號光聚焦場在該方向上的時空分布信息。

作為優(yōu)選的技術方案：步驟（1）的信號光光路與步驟（2）參考光光路的附加元件引入的附加色散一致。

作為優(yōu)選的技術方案：所述單模光纖芯徑為5.5-6.5μm；所述微位移平臺的步長為0.8-1.2μm。二者結(jié)合可以滿足對于百微米量級聚焦場的采樣需求。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明采用單模光纖結(jié)合微位移平臺實現(xiàn)了超短脈沖聚焦場的二維采樣，利用參考光與信號光的光譜干涉圖案獲得采樣點的時間延遲信息，二者結(jié)合實現(xiàn)了聚焦場的時空分布的診斷功能。該方法是目前唯一可以進行聚焦場時空分布特性診斷的技術，考慮到目前所有的利用超強超短脈沖激光進行的強場物理和高能密度物理實驗都依賴于遠場的時空特性分布，因此本技術的發(fā)明意義重大。從而對相應物理實驗的預先設計以及物理實驗的圖像的理解提供幫助。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的光路排布示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的水平方向獲得的干涉條紋和譜相位數(shù)據(jù)；

圖2（a）為水平負方向移動60步（對應-60μm）后得到的干涉譜圖；圖2（b）為圖2（a）對應的光譜位相分布；圖2（c）為水平負方向移動110步（對應-110μm）后得到的干涉譜圖；圖2（d）為圖2（c）對應的光譜位相分布；圖2（e）水平方向正向移動30步（對應+30μm）后的譜位相圖；圖2（f）為圖2（e）對應的光譜位相分布；

圖3為本發(fā)明實施例的垂直方向獲得的干涉條紋和譜相位數(shù)據(jù)；

圖3（a）為垂直方向正向移動50步（對應+50μm）后得到的干涉圖；圖3（b）為圖3（a）對應的光譜位相分布；圖3（c）為垂直負向40步（對應-40μm）后獲得的光譜干涉圖；圖3（d）為圖3（c）對應的光譜位相分布；圖3（e）為垂直負向70步（對應-70μm）后獲得的光譜干涉圖；圖3（f）為圖3（e）對應的光譜位相分布；

圖4為本發(fā)明實施例的脈沖遠場焦斑的時空分布。

圖中：1、第一平面反射鏡；2、第二平面反射鏡；3、第三平面反射鏡；bs1、第一半透半反鏡；bs2、第二半透半反鏡；l1、第一透鏡；l2、第二透鏡；l3、第三透鏡；l4、消色差透鏡；l5、第一準直透鏡；l6、第二準直透鏡。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

實施例：

參見圖1，

由鈦寶石激光振蕩器產(chǎn)生的超短脈沖激光經(jīng)第一半透半反鏡bs1分光后的透射光作為信號光，經(jīng)透鏡組即第一透鏡l1、第二透鏡l2擴束后利用第三透鏡l3聚焦，聚焦場通過安裝在微位移平臺上的單模光纖采樣后，經(jīng)第一準直透鏡l5輸出，最后經(jīng)第三平米反射鏡3的反射以及第二半透半反鏡bs2的透射后，入射到成像光譜儀中；

由鈦寶石激光振蕩器產(chǎn)生的超短脈沖激光經(jīng)第一半透半反鏡bs1分光后的反射光作為參考光，經(jīng)由第一平面反射鏡1反射后原路返回第一半透半反鏡bs1，再經(jīng)第二平面反射鏡2反射后由消色差透鏡l4聚焦到單模光纖，輸出光經(jīng)第二準直透鏡l6準直后由第二半透半反鏡bs2反射到成像光譜儀中，得到干涉圖案；

根據(jù)成像光譜儀采集到的干涉圖案可以獲得采樣點處的信號脈沖相對于參考光的時間延遲，利用微位移平臺的二維掃描獲得對于水平和垂直兩個坐標方向上的采樣（如圖2，圖3所示），從而可獲得信號光聚焦場在水平和垂直兩個方向上的時空分布（如圖4所示）；

本實施例中，為了消除附加元件自身的色散對系統(tǒng)色散測量的影響，參考光光路中的附加元件（包括半透半反鏡與單模采樣光纖）與信號光光路中的附加元件引入的附加色散是一致的；

單模光纖口徑為6μm，微位移平臺步長為1μm，二者結(jié)合滿足對于百微米量級聚焦場的采樣需求。

上述的根據(jù)干涉圖案獲得采樣點處信號脈沖相對于參考光的時間延遲的方法為：預先利用光譜干涉技術測量光纖準直透鏡輸出的信號光的剩余二階色散，（本實施例中為3300fs2）確定信號光中單位波長對應的時間延遲（本實施例為9.7fs/nm）；根據(jù)光譜儀采集到的干涉圖案，可以讀出零相位延遲點（即完全時間同步點）的位置（如圖3（d）中為814nm），進一步得到其相對于中心波長的偏移量（3（d）對應為14nm），該偏移量乘以單位波長對應的時間延遲可得到采樣點相對于參考光的時間延遲（本實施例中為9.7fs/nm×14nm=135.8fs）。

上述的獲得信號光聚焦場在兩個方向（水平和垂直）上的時空分布的方法為：將微位移平臺沿某一方向（水平或垂直）移動，記錄下不同的空間位置處對應的時間延遲量（如圖2，圖3所示），在坐標系內(nèi)連接各有效數(shù)值點可得信號光聚焦場在該方向上的時空分布信息（如圖4所示）。

本發(fā)明實施例中的振蕩器為鈦寶石飛秒振蕩器，產(chǎn)生的超短脈沖激光重復頻率為77mhz、脈寬20fs、中心波長800nm，經(jīng)第一半透半反鏡透射后產(chǎn)生的信號光先后經(jīng)透鏡組擴束及單模光纖與相應的準直透鏡后，經(jīng)半透半反鏡bs2導入光柵光譜儀（（actonsp2750,測譜精度<0.02nm）。

第一平面反射鏡1置于移動導軌之上，可以平移，不影響參考光的指向，可以調(diào)整參考光路的長度使參考光和主激光光路的長度滿足等光程。

本實施例中的第一半透半反鏡bs1與第二半透半反鏡bs2的厚度均為8mm、材料為熔石英材料。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。