本發(fā)明屬于飛秒激光超高峰值光強的遠(yuǎn)程測量領(lǐng)域，具體涉及基于氮氣分子337nm和391nm兩條熒光譜線強度比值來確定飛秒激光的激光峰值強度。

背景技術(shù)：

飛秒激光是一種弛豫時間在飛秒量級(10^-15秒)的超短激光脈沖，它兼具脈寬極短、頻譜超寬和峰值功率極高等特性。近年來，伴隨著鎖模技術(shù)和啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日漸成熟。

首先從時間尺度上，早在1986年，貝爾實驗室就獲得了脈沖寬度為6fs以下的少數(shù)周期飛秒激光脈沖，極短的脈沖寬度使得飛秒激光脈沖具有極高的時間分辨率。其次，從能量尺度上，早在1996年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(lawrencelivermorenationallaboratory)就獲得了峰值功率為1.25pw(10¹⁵w)的飛秒激光脈沖，這也是人類有史以來首次實現(xiàn)峰值功率為拍瓦量級的激光輸出，經(jīng)過聚焦后，峰值功率如此高的激光脈沖被壓縮到接近波長尺度的空間內(nèi)，其光強可達(dá)10²²w/cm²甚至更高，如此高的光強可以電離聚焦區(qū)域的任何分子，這為科學(xué)工作者更加深入地研究光與物質(zhì)的相互作用提供了強有力的工具。

激光光強是指單位面積上的光功率，在線性條件下，改變?nèi)肷涔獾姆逯倒β逝c光斑面積都可以有效地改變光強。然而，當(dāng)研究飛秒激光在空氣中傳播時的峰值光強時，由于其產(chǎn)生的超高光強則必須考慮各種非線性效應(yīng)，例如等離子體的散焦，這種情況下，就無法用線性聚焦理論分析，另外由于飛秒激光產(chǎn)生的超高光強而導(dǎo)致的非線性效應(yīng)在眾多科研方向和工程項目上有重大的應(yīng)用，例如大氣遠(yuǎn)程探測、太赫茲產(chǎn)生、激光引雷、激光降雪、少數(shù)周期脈沖產(chǎn)生等，因此，如何有效地控制飛秒激光的峰值光強也是非線性光學(xué)領(lǐng)域的一個基礎(chǔ)課題。

對飛秒激光超高峰值光強進(jìn)行測量一直都是一項十分具有挑戰(zhàn)性的課題任務(wù)，目前我國發(fā)表的關(guān)于飛秒激光超高光強測量的相關(guān)專利有：

專利授權(quán)公告號：cn2674419y，其公開了一種用于測量強激光脈沖光強分布的測試系統(tǒng)，其沿著光束前進(jìn)方向依次擺放匯聚透鏡、第一劈板、第二劈板、成像透鏡、中性衰減片、二維電荷耦合裝置攝像機并固定于一滑板上，滑板固定于精密滑軌上，還需一臺計算機的輸入端與該二維電荷耦合裝置攝像機的數(shù)據(jù)輸出端相連，該技術(shù)方案不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光學(xué)元件較多，光路需要精密導(dǎo)軌來調(diào)節(jié)控制，而且其方案最終只能測量得到激光脈沖光束截面的相對光強分布，并不能得到定量的激光峰值光強。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)無法得到確切的超強激光峰值光強定量值的問題，提出一種測量飛秒激光超高峰值光強的方法——基于熒光光譜的超高激光光強遠(yuǎn)程測量，該方法基于氮氣分子的熒光光譜可以實現(xiàn)強場激光物理實驗中飛秒激光峰值強度的遠(yuǎn)程測量。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于熒光光譜的超高激光光強遠(yuǎn)程測量方法，該方法的測量步驟如下：

第1、將待測飛秒激光器發(fā)出的超強飛秒激光光束照射到第一透鏡進(jìn)行聚焦，經(jīng)聚焦后的激光光束對空氣中的氮氣進(jìn)行電離激發(fā)熒光；

第2、用第二透鏡將飛秒激光電離激發(fā)的氮氣熒光聚焦于光譜儀接光口，并由該光譜儀探測所述氮氣熒光光譜；

第3、識別氮氣熒光中391nm和337nm兩條熒光譜線，得出391nm和337nm的兩條熒光譜線的相對強度比r；

第4、根據(jù)經(jīng)驗公式及第3步得出的391nm和337nm的兩條熒光譜線的相對強度比r，最終計算出待測飛秒激光超高峰值光強i0

其中，第1步所述的待測飛秒激光光束與第一透鏡之間的光路上增加第一金反射鏡和第二金反射鏡，用于飛秒激光光束的光路調(diào)整轉(zhuǎn)折。

第4步所述經(jīng)驗公式的推導(dǎo)方法如下：

飛秒激光高達(dá)10¹⁴w/cm²的峰值功率能夠?qū)⒖諝庵械牡獨夥肿与婋x并激發(fā)出熒光，基于氮氣分子熒光輻射機制，理論推導(dǎo)337nm和391nm兩條氮氣熒光譜線強度比與飛秒激光峰值功率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)337nm和391nm的譜線強度比與飛秒激光脈沖的光斑半徑和脈沖寬度沒有關(guān)系，僅取決于激光脈沖峰值功率i0，經(jīng)實驗室曲線標(biāo)定及最小二乘法擬合，最終得出經(jīng)驗公式：

該經(jīng)驗公式表明：只要測得391nm和337nm的熒光譜線的強度比r，就能夠計算出飛秒激光超高峰值光強i0

本發(fā)明的原理分析：

基于熒光光譜的超高激光光強遠(yuǎn)程測量實驗中，我們使用一臺商用的飛秒激光器，經(jīng)過測量，脈沖光斑的強度分布為高斯型。實驗過程中，我們采用的光柵光譜儀選擇的光柵是1200/mm；光譜儀的探測器為iccd,光譜儀狹縫為20μm。我們在垂直于傳播光束的方向上使用一個ccd相機通過20倍顯微物鏡將等離子體通道成像在ccd上(已經(jīng)前期實驗標(biāo)定因此未標(biāo)注于附圖實驗裝置圖中)，我們采用不同焦距的透鏡聚焦，均為石英基底，焦距分別為：100cm,50cm,30cm,20cm,11cm。激光脈沖能量的改變是通過中性密度衰減片來實現(xiàn)的，有必要指出的一點是當(dāng)入射激光脈沖的峰值功率低于自聚焦臨界功率時(在空氣中，對應(yīng)42fs的激光脈沖約為10gw)，激光脈沖傳播主要是以色散和衍射為主。在這個范圍內(nèi)，只要脈沖寬度和光斑半徑已知，我們就可以求解激光強度，因此，實驗過程中，我們將激光強度限制在自聚焦臨界功率以下。

所述的商用飛秒激光器,輸出中心波長800nm、脈沖變換極限寬度42fs、重復(fù)頻率1khz、單脈沖能量最大輸出6.5mj、光斑尺寸9.8mm(光強最大值1/e²全寬)經(jīng)透鏡聚焦用于在空氣中電離氮氣激發(fā)熒光并產(chǎn)生成絲現(xiàn)象。

所述的光柵光譜儀(生產(chǎn)廠家：andor；儀器型號：sr-3031-b)，選擇的光柵是1200/mm；光譜儀的探測器為iccd(生產(chǎn)廠家：andor；儀器型號：dv420a-oe),光譜儀狹縫為20μm，用以探測側(cè)向氮氣熒光光譜譜線。

所述的ccd相機(生產(chǎn)廠家：wincamd；產(chǎn)品型號：3056)，通過20倍顯微物鏡將等離子體通道成像在ccd上，我們通過測量等離子體通道的截面半徑來實現(xiàn)對光斑半徑的測量(已經(jīng)前期實驗標(biāo)定，因此未標(biāo)注于附圖實驗裝置圖中)。

所述的不同焦距的透鏡，均為石英基底，焦距分別為：100cm,50cm,30cm,20cm,11cm，用來將飛秒激光聚焦于空氣中產(chǎn)生成絲現(xiàn)象。

所述的中性密度衰減片可以在不改變光斑光強高斯分布的前提下實現(xiàn)對脈沖能量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

所述的氮氣分子熒光的激發(fā)機制有兩種，一種是對應(yīng)于從態(tài)向態(tài)的躍遷，如391nm譜線；還有一種是對應(yīng)n2從c³πu態(tài)向b³πg(shù)態(tài)的躍遷，如337nm、357nm譜線。經(jīng)證實，對應(yīng)的態(tài)上的粒子數(shù)是由激光引發(fā)多光子電離和隧道電離從而導(dǎo)致中性氮氣分子內(nèi)價電子直接被電離出去。而處于激發(fā)態(tài)c³πu的n2則相對復(fù)雜一些，有三種可能的機制可以產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的c³πu的n2，第一種是通過激光直接激發(fā)；第二種是被電離出來的電子經(jīng)過非彈性碰撞產(chǎn)生；第三種是通過電子離子復(fù)合解離過程。然而，根據(jù)躍遷定則：從態(tài)到c³πu的直接躍遷是禁止的，因此，通過激光直接激發(fā)到c³πu態(tài)幾乎不可能。xu.h.l等人提出處于氮氣分子激發(fā)態(tài)c³πu上的分子是通過氮氣離子與氮氣分析吸附后產(chǎn)生再經(jīng)過與自由電子的復(fù)合解離過程得到處于c³πu的和處于基態(tài)的n2。

391nm譜線對應(yīng)從態(tài)向態(tài)的(0-0)級躍遷，而態(tài)上的粒子數(shù)是由處于基態(tài)的n2通過內(nèi)價層電子的多光子電離直接產(chǎn)生的，因此，391nm譜線的強度滿足如下關(guān)系：

s391∝aiⁿ¹(1)

其中a是一個比例系數(shù)，i為入射激光強度，n1是將基態(tài)的n2激發(fā)到態(tài)0級所需要的光子數(shù)。

337nm譜線n2從c³πu態(tài)向b³πg(shù)態(tài)的(0-0)級躍遷。由于禁帶躍遷的限制，處于基態(tài)的n2無法直接通過多光子過程躍遷到c³πu態(tài)，根據(jù)前面的分析，c³πu態(tài)上的分子首先要通過產(chǎn)生再經(jīng)過與自由電子的復(fù)合解離過程得到處于c³πu的因此337nm的譜線強度是和總離子數(shù)成正比的，因此：

s337∝aiⁿ¹+biⁿ²(2)

其中a和b仍為上述同一比例系數(shù)，n2是基態(tài)的n2躍遷到激發(fā)態(tài)所需要的光子數(shù)。

通過上述的分析可得：391nm與337nm譜線強度的比值隨光強的變化滿足如下關(guān)系：

如果我們把入射飛秒激光脈沖在時間上和空間上的強度分布考慮進(jìn)去，上式可轉(zhuǎn)化為：

其中i0為脈沖峰值光強，f(r,t)表示在柱坐標(biāo)下的歸一化能量分布函數(shù)，r為積分半徑，t為積分時間，而且在飛秒激光成絲內(nèi)部空間光強是最低階的基模，因此上式可在假設(shè)光束在時間和空間上都滿足高斯型分布的基礎(chǔ)上化簡為：

因此可得：

進(jìn)一步化簡可得：

其中

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)337nm和391nm的譜線強度比與飛秒激光脈沖的光斑半徑ω0和脈沖寬度τ0以及激光波長λ都沒有關(guān)系，僅取決于激光脈沖峰值強度i0。因此我們只要測出337nm和391nm的熒光譜線強度比值，并通過已知公式計算出相對應(yīng)的飛秒激光峰值光強功率，然后進(jìn)行非線性最小二乘法曲線擬合，即可得到337nm和391nm的熒光譜線強度比與飛秒激光峰值光強之間的函數(shù)關(guān)系，最終線性擬合的結(jié)果為：

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果：

本發(fā)明提出一種測量飛秒激光峰值功率的方法，該方法裝置簡單、方便調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程有效。其在強場激光(高次諧波)物理實驗中激光峰值強度的遠(yuǎn)程診斷測量、遠(yuǎn)程大氣傳輸以及氣體檢測等方面具有很重要的意義。

附圖說明

圖1為飛秒激光激發(fā)氮氣熒光光譜遠(yuǎn)程測量實驗裝置圖。

圖2為不同激發(fā)光強度下的氮氣熒光光譜。

附圖標(biāo)記：1為待測飛秒激光光束，2為第一金反射鏡，3為第二金反射鏡，4為第一聚焦透鏡，5為電離氮氣熒光，6為第二聚焦透鏡，7為探測光譜儀。

具體實施方式

為了能更加清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果，現(xiàn)參照附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例1

如圖1所示：飛秒激光成絲半徑測量及氮氣熒光光譜測量實驗裝置圖1由商用飛秒激光器,輸出中心波長800nm、脈沖變換極限寬度42fs、重復(fù)頻率1khz、單脈沖能量最大輸出6.5mj、光斑尺寸9.8mm(光強最大值1/e²全寬)經(jīng)透鏡聚焦用于在空氣中產(chǎn)生成絲現(xiàn)象。

所述的光柵光譜儀選擇的光柵是1200/mm；光譜儀的探測器為iccd,光譜儀狹縫為20μm，用以探測側(cè)向氮氣熒光光譜譜線。

所述的ccd相機，通過20倍顯微物鏡將等離子體通道成像在ccd上，我們通過測量等離子體通道的截面半徑來實現(xiàn)對光斑半徑的測量(已經(jīng)前期實驗標(biāo)定因此未標(biāo)注于附圖實驗裝置圖中)。

所述的不同焦距的透鏡，均為石英基底，焦距分別為：100cm,50cm,30cm,20cm,11cm用來將飛秒激光聚焦于空氣中產(chǎn)生成絲現(xiàn)象。

所述的中性密度衰減片可以在不改變光斑光強高斯分布的前提下實現(xiàn)對脈沖能量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

光絲直徑的測量：對于成絲半徑的測量，我們是通過測量等離子體通道的截面半徑來實現(xiàn)的，在測量側(cè)向熒光光譜的同時，在光譜儀的對面，我們在垂直光束的方向上安裝了一個ccd相機，通過20倍顯微物鏡將等離子體通道成像在ccd上(已經(jīng)前期實驗標(biāo)定因此未標(biāo)注于附圖實驗裝置圖中)。

前面已經(jīng)測量的是等離子體通道的直徑，等離子體密度和激光強度之間存在如下關(guān)系：

ne(r)＝σiⁿ(r)(8)

其中ne(r)代表等離子體密度的空間分布，i(r)是對應(yīng)激光強度分布。r為空間半徑，σ和n分別代表電離橫截面和有效非線性光電離階數(shù)。假設(shè)入射光束橫截面的強度分布為：

(ω為光強在1/e²處光斑半徑)，由此可得：

在空氣中，等離子體密度的增加與光強的7.5次方成正比，激光的峰值強度由下面的式子給出：dlaser為飛秒激光光束直徑，dplasma為ccd相機拍攝的等離子體通道的直徑，通過這個關(guān)系式，我們可以通過等離子體通道直徑得到光斑半徑。

如圖2所示測量了不同強度下的氮氣熒光光譜，我們通過所述的中性密度衰減片來改變激光峰值光強，從而激發(fā)不同強度的氮氣熒光譜線。

通過前面的分析，可以知道當(dāng)激光強度在自聚焦臨界功率以下時，激光主要以線性傳播為主，只要脈沖寬度和光斑半徑已知，就可以求解激光峰值光強。對應(yīng)的激光峰值光強求解可以通過下面的式子給出：

其中e代表入射單脈沖的能量,通過功率計來測量經(jīng)過中性密度衰減片和聚焦透鏡后得到的平均功率。在脈寬變換極限已知的條件下，τ值為可以根據(jù)脈沖在介質(zhì)中的群速色散公式得到；dlaser已經(jīng)通過ccd拍攝成絲側(cè)向熒光圖片測量出來，因此，通過上式可以計算出激光成絲內(nèi)部的峰值強度。

這樣結(jié)合前面的討論結(jié)果以及測量數(shù)據(jù)，就可以得到不同焦距條件下，飛秒激光峰值光強i0與r391/r337的關(guān)系，采用非線性最小二乘法擬合標(biāo)定，最終可得飛秒激光峰值光強i0與氮氣熒光光譜r391/r337的關(guān)系對應(yīng)擬合公式為：

根據(jù)關(guān)系式(12)，只要測得391nm和337nm的熒光譜線的強度比r，就可以推算出飛秒激光超高峰值光強i0。

綜上所述：本發(fā)明的目的是提出一種測量飛秒激光超高峰值功率的方法，從氮氣分子熒光輻射機制入手，理論推導(dǎo)337nm和391nm兩條氮氣熒光譜線強度比與飛秒激光峰值功率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)337nm和391nm的譜線強度比與飛秒激光脈沖的光斑半徑和脈沖寬度沒有關(guān)系，僅取決于激光脈沖峰值功率i0，最后經(jīng)最小二乘法曲線擬合得到一個經(jīng)驗公式，通過該公式我們只要測量出337nm和391nm兩條譜線的相對強度之比，將其代入經(jīng)驗公式，即可求得飛秒激光的峰值功率，值得指出的是本發(fā)明并不限制于通過氮氣熒光光譜來測量飛秒激光超高峰值光強，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其他氣體(如：氧氣等)的測量。這項發(fā)明技術(shù)對許多強場激光物理實驗中激光峰值功率的遠(yuǎn)程測量、遠(yuǎn)程大氣傳輸以及氣體檢測等方面都具有很重要的意義。