偏振延时汤姆逊散射的测量装置的制作方法

文档序号:5876814阅读:269来源:国知局
专利名称:偏振延时汤姆逊散射的测量装置的制作方法
技术领域
本实用新型是关于一种偏振延时汤姆逊散射的测量装置。特别适用于超短超强激光与等离子体相互作用的参数的诊断。
在先技术[1]美国A.K.Lal等人提供了一种双频率CO2激光激发等离子体波的小角度汤姆逊散射诊断装置(发表于Phys.Plasmas 4(5),1443,1997)。它的泵浦光是拍频CO2激光(波长分别为10.3和10.6微米,全半高脉宽300皮秒,能量70焦耳),探针光波长0.53微米,全半高脉宽2纳秒,与泵浦光成87°角入射,其时间分辨是靠条纹相机扫描获得,分辨率为10皮秒。此类装置的不足之处有以下三点1.探针光源需另行引入,在器件及光路上较繁琐;2.其时间分辨受限于条纹相机的分辨率,此装置不适于台式飞秒激光器件,因为飞秒激光在等离子体中激发的等离子体波的驰豫时间在皮秒量级,而分辨率小于皮秒的条纹相机是非常昂贵的;3.此装置要求泵浦光与探针光有一定的夹角,因而不能用于对国际上处于研究热点的激光在受毛细管约束的等离子体中激发等离子体波的过程进行诊断。
在先技术[2]美国海军研究实验室A.Ting等人基于飞秒激光的相干汤姆逊散射技术较上述装置有了较大改进(发表于Phys.Rev.Lett.77,5377,1996.和Phys.Plasmas 4(5),1889,1997)。它的激光源参数是波长1.06微米,脉宽400飞秒,能量1000毫焦耳。首先用一分光板从泵浦光中分出一小部分光作为探针光,此探针光通过磷酸氘钾(KDP)晶体倍频(这样在频谱上就与泵浦光分离)后重新与泵浦光同轴,分别调节两束光的光程即可得到不同的延迟时间。散射光经过一滤色片后进入谱仪。从结构上这一装置精简了许多,它的探针光是泵浦光的一部分,不需要额外的激光光源,其泵浦光与探针光的延时是光路可调的,不需要昂贵的设备,且可进行零角度诊断。但这一装置仍有以下缺陷1.分光板和KDP晶体会展宽飞秒脉冲,降低聚焦使用(打靶)功率;2.相对于1皮秒延时的光程差为0.3毫米,两光路的微小变化都会改变泵浦光与探针光的时间间隔,并且两光路的绝对光程差不易确定,需要监测系统;3.由于装置上需要使用的离轴抛物面反射镜聚焦焦斑极小,半径小于10微米,将探针光重新与泵浦光调整为同轴并聚焦到如此小的区域上是很困难的;4.散射光光谱的频谱移动正比于探针光波长的平方,对于飞秒脉冲这种宽谱激光源,必须有足够的频移量才有可能在前向获得不被本底光掩盖的散射信号,而KDP晶体对探针光的倍频无疑会使观测散射光信号更加困难。
本实用新型的目的是为克服以上在先技术中的问题,主要是针对激光与等离子体相互作用的应用,提供一种简便易行,无需昂贵元器件的汤姆逊散射测量装置。克服在先技术中产生探针光与调节延时的光路复杂的缺点,进一步提高对微小散射信号的灵敏度,且适于各类激光系统,包括采用啁啾脉冲放大(CPA)和采用光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的超短超强激光系统。
本实用新型的测量装置的结构如图1所示,从功能上可分为两个组成部分。以置于真空靶室4内的靶3为中心,第一部分是从产生双脉冲激光束至置于真空靶室4内的靶3为止的光源部分,包括激光器1和聚焦器件2。其中激光器1内含有激光振荡器101,激光放大器102,扩束压缩器件104;在激光放大器102与扩束压缩器件104之间置有产生双脉冲激光束的双折射晶体103。第二部分是从真空靶室4内的靶3开始至接收器件9为止的收集检测部分,含有由焦点位于真空靶室4内的靶3上的第一凸透镜5与焦点位于接收器件9上的第二凸透镜7构成的复合透镜。置于第一凸透镜5与第二凸透镜7之间有检偏器6,置于第二凸透镜7与接收器件9之间有滤色片8,以及接收器件9。其中聚焦器件2可以根据不同的实验条件而改变它所包含的光学元件,即反射镜与聚焦镜等,主要的作用是将光源的激光束聚焦在靶3上,所以聚焦器件2的焦点只要位于靶3上,就不影响整体装置的工作。
具体的工作过程如下第一部分中,双折射晶体103放于激光器1内,位于激光放大器102与扩束压缩器件103之间,它是由对激光束波段透明且无明显非线性效应的单轴晶体,如方解石晶体,或铌酸锂晶体,或金红石晶体构成。具体单轴晶体的选择可以依据工作要求的泵浦光和探针光之间的时间间隔而定,加工形状以不影响激光光束的通过为准。双折射晶体103的光轴平行于光学表面,并且双折射晶体103是光轴垂直于激光束传播方向地置于激光器1内的光路中。由于激光振荡器101与激光放大器102发射的激光脉冲为线偏振光,当与双折射晶体103光轴有一夹角θ时,根据单轴晶体的双折射性质,这个激光脉冲通过双折射晶体103后会分裂为两个激光脉冲,这两个激光脉冲仍是线偏振光,但偏振方向相互垂直,一个平行于双折射晶体103的光轴,一个垂直于双折射晶体103的光轴,空间上并不分离,而在时间上有一定的间隔。两激光脉冲的时间间隔由双折射晶体103的寻常光与特殊光的折射率差以及晶体厚度决定,并且两激光脉冲的能量比由夹角θ决定。这样,两个激光脉冲中一个为泵浦光,一个为探针光,则当改变角度θ时即可调整泵浦光与探针光的能量了。这两束激光脉冲再经过扩束压缩器件104后,即可作为工作中的泵浦光与探针光了。再通过聚焦器件2进入真空靶室4内聚焦于靶3上,产生激光与等离子体相互的作用。
第二部分为收集检测部分第一凸透镜5的焦点落在靶3上,取第一凸透镜5和第二凸透镜7为复合透镜,以消除色差影响。激光与等离子体作用后的发散的激光束,包括泵浦光,探针光散射与未散射部分,经过第一凸透镜5变为平行光。再经过检偏器6,,调整检偏器6的偏振角度,由于探针光与泵浦光偏振方向相互垂直,选择探针光透过,滤除泵浦光。通常采用的探针光与泵浦光的能量比约为1/10,而检偏器6的偏振效率可达到1/1000,所以可以保证透过的信号主要为探针光信号。透过的探针光再被第二凸透镜7聚焦于接收器件9上。第二凸透镜7与接收器件9之间置有滤色片8,滤色片8为一特殊镀膜的带通滤波器,其频谱响应曲线对散射信号波段高透,而对其余波长的光截止,在本实用新型的实施例中,表现为对740-765纳米波长的散射光高透,对785纳米波长的未散射光高反,这就提高了散射信号的信噪比。位于第二凸透镜7焦点处的接收器件9将接收到的信号光引入与计算机连接的谱仪内,即可在显示器上动态地显示散射信号谱。
本实用新型采用双折射晶体103的双折射效应产生两束同轴,偏振方向垂直,能量比和时间间隔可调的激光束,这一技术特征可作多种用途。在激光与等离子体相互作用领域,也可以利用此种技术产生预脉冲-泵浦光序列打靶,即前一个脉冲能量较低,作为预脉冲与靶作用,产生等离子体,后一个脉冲能量较高,作为泵浦光与等离子体相互作用。利用偏振反射片还可以将这两束同轴光在空间上分离开来,进行不同角度的诊断。由于两脉冲偏振方向垂直,利用偏振片可以对两束光分别进行诊断,包括光谱分析和焦斑成像等。
本实用新型装置的优点本实用新型装置与在先技术的相干汤姆逊散射诊断装置相比,有以下特点1.简捷性产生泵浦光-探针光双脉冲,无需外部光源,产生双脉冲激光束的光学元件只是一片双折射晶体103,较在先技术中使用一激光器或用分光板产生探针光,本实用新型做到了最大精简。
2.易操作性由于泵浦光与探针光在光路上从未分离,二者间不存在光路上的调整问题。而在先技术中要保证两束光最终聚焦于直径几十微米的微小区域内,这个要求是比较困难的。
3.延时的准确性由于泵浦光与探针光之间的延时是由双折射晶体103本身的性质与形状(折射率和厚度)决定的,与以后的光路无关,不需要监测装置,对外部条件要求不高。而在先技术2中,泵浦光光路与探针光光路不重合,二者间微小的不对称抖动,例如30微米的相对光程改变,延时就会相应改变100飞秒,这对于研究1皮秒以下等离子体的动理学过程是很不利的。另外,在先技术2无法直接确定二者的绝对延时,必须依靠辅助器件,例如条纹相机。
4.无损性如对于激光振荡器101和激光放大器102输出的光脉冲的脉宽在100飞秒以下,能量几十毫焦的超短脉冲,通过一般的光学元件都会造成脉冲的展宽,降低聚焦打靶功率。而本实用新型将双折射晶体103置于激光器1内部,激光束是在被压缩前通过双折射晶体103,这就不存在上述的问题。
5.高灵敏度由于探针光中散射光强度约为未散射光的千分之一,而探针光光强又是泵浦光光强的百分之一,在先技术中采用倍频探针光来去除泵浦光的噪声,但因为散射光相对于未散射光的频移Δλ正比于波长的平方,而飞秒脉冲是宽光谱(45飞秒脉冲的全半高宽是22纳米),这样散射信号又将淹没在未散射探针光中。采用双折射晶体103产生的泵浦光与探针光偏振方向垂直,利用检偏器6可有效的去除泵浦光,不用以牺牲散射信号的频移为代价。在本实用新型的实施例中泵浦光通过检偏器6后,能量降低1000倍以上。
6.低成本由于双折射晶体103位于扩束压缩器件104之前,口径仅20毫米,一块双折射晶体103只需几百元如果将双折射晶体103放于激光器1外部,因为扩束后激光光束直径为50毫米,如此大尺寸的晶体生长十分困难,加工技术也要求很高,例如加工直径50毫米的KDP晶体,花费近万元。而本实用新型就不需要花费这么大数目的费用了。在光路上的精简,也减少了各类光学元件的开支。本实用新型的诊断仪器也只需在接收器件9后有一台光纤谱仪。而在先技术中,为确定泵浦光-探针光之间的皮秒以下的延时,必须有专门的仪器。


图1为本实用新型的测量装置的结构示意图。
实施例如图1所示的结构,用于研究采用啁啾脉冲放大(CPA)和采用光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的超短超强激光在等离子体中激发等离子体波过程。其中聚焦器件2是由第一反射镜201,第二反射镜202和离轴抛物面聚焦镜203构成。滤色片8是镀膜的带通滤波器,对740~765纳米波长的散射光高透,对785纳米波长的未散射光高反。激光器1的参数为中心波长785纳米,脉冲宽度45飞秒,全半高宽22纳米,峰值功率2太瓦。需要的泵浦光-探针光延时在5皮秒到100飞秒之间,经过计算,选择双折射晶体103为方解石晶体与铌酸锂晶体较为理想。例如厚度9毫米的方解石晶体延时间隔为5皮秒,厚度0.3毫米的铌酸锂晶体延时间隔为100飞秒,将双折射晶体103加工成厚度不等的直径20毫米的平板,双折射晶体103光轴平行于光学表面。将双折射晶体103垂直放置于激光器1内扩束压缩器件104前。当需要不同的延时间隔,只需插入不同厚度的双折射晶体103即可。令θ=15°,可得到能量比为1∶0.07的泵浦光和探针光脉冲,旋转检偏器6,得到泵浦光与探针光光谱。将一CCD探测器的接收器件9置于第二凸透镜的焦点上,对泵浦光和探针光的焦斑成像,成像结果表明,泵浦光与探针光聚焦光斑重合。置于真空靶室4内的靶3是采用双螺旋电磁气体阀,在2大气压气压下,测得的激光与气体相互作用产生的等离子体电子密度约为1×1018cm-3,激光波长400纳米与800纳米对应的散射光频移分别为4.8纳米和19.2纳米,显然在先技术中利用倍频结构产生的400纳米探针光信号将位于原激光光谱内,是无法检测到。
权利要求1.一种偏振延时汤姆逊散射的测量装置,包括以置于真空靶室(4)内的靶(3)为中心,分成含有激光器(1)和聚焦器件(2)的光源部分和从真空靶室(4)内的靶(3)开始至接收器件(9)为止的收集检测部分;其特征在于光源部分中的激光器(1)内含有激光振荡器(101)、激光放大器(102)、扩束压缩器件(104)以及置于激光放大器(102)与扩束压缩器件(104)之间的双折射晶体(103);收集检测部分中含有由焦点位于真空靶室(4)内的靶(3)上的第一凸透镜(5)与焦点位于接收器件(9)上的第二凸透镜(7)构成的复合透镜,在第一凸透镜(5)与第二凸透镜(7)之间置有检偏器(6),在第二凸透镜(7)与接收器件(9)之间置有滤色片(8)。
2.根据权利要求1所述的偏振延时汤姆逊散射的测量装置,其特征在于所说的置于激光器(1)内激光放大器(102)与扩束压缩器件(104)之间的双折射晶体(103)是由对激光束波段透明且无明显非线性效应的单轴晶体是方解石晶体,或铌酸锂晶体,或金红石晶体构成。
3.根据权利要求1或2所述的偏振延时汤姆逊散射的测量装置,其特征在于所说的双折射晶体(103)是光轴平行于光学表面,并且双折射晶体(103)的光轴是垂直于激光束传播方向地置于激光器(1)内的光路中。
专利摘要一种偏振延时汤姆逊散射的测量装置,包括以真空靶室内靶为中心分在光源和收集检测两部分,光源部分中含有内部置有产生双脉冲激光束双折射晶体的激光器和聚焦器件。收集检测部分含有第一凸透镜,检偏器,第二凸透镜,滤色片和接收器件。具有简捷性,易操作性,延时的准确性,无损性,高灵敏度和低成本的特点,特别适用于超强超快激光与等离子体相互作用的参数诊断。
文档编号G01N21/21GK2423582SQ00217938
公开日2001年3月14日 申请日期2000年6月8日 优先权日2000年6月8日
发明者汤宇晖, 韩申生 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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