一种阿秒光脉冲的产生方法和装置与流程

本申请涉及阿秒光脉冲技术领域，尤其涉及一种阿秒光脉冲的产生方法和装置。

背景技术：

微观超快现象及强场物理的探索研究需要在极短的时间尺度内进行。近几十年飞秒激光的快速发展使这方面的研究得到了长足的发展。飞秒脉冲作为光探针，可以记录各种分子与原子的动力学过程，使观察发生在飞秒时间量级的化学反应变得很方便。然而，对于原子和离子内部的电子来说，却很难用飞秒技术进行探测，因为它们的典型动力学行为出现在阿秒时间尺度内。因此，阿秒脉冲的实现具有不可替代的应用价值。

在目前的现有技术中，阿秒脉冲的产生方式有很多。其中，主要有高次谐波、汤姆孙散射、受激拉曼散射等方式。但是，鉴于高次谐波谱在截止位置附近呈现出超连续结构的特征，因此人们将利用原子分子产生高次谐波来获得阿秒脉冲作为首选方案。同时，还提出了各种方案来控制高次谐波发射从而合成阿秒脉冲。例如，Christov等人提出采用线偏振的只有几个光学周期的超短脉冲来产生孤立的阿秒脉冲,后来人们又提出了多种方案来不断优化高次谐波谱，例如利用双色场、偏振门、双光学门等。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种阿秒光脉冲的产生方法和装置，从而可以得到一种优质的阿秒光脉冲。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种阿秒光脉冲的产生装置，该装置包括：气体喷嘴11、光源、第一分束镜、第二分束镜、马赫-曾德干涉仪、第一时间延迟线、第二时间延迟线、第三时间延迟线和太赫兹脉冲发生器；

所述气体喷嘴，用于喷出超声速的包含预设气体的气团；

所述光源，用于输出激光光束；

所述第一分束镜，用于将所述光源输出的激光光束分成两个光束：第一光束和第二光束，并将第一光束通过第一时间延迟线输出到马赫-曾德干涉仪，将第二光束输出到第二分束镜；其中，所述第一光束和第二光束的能量比为1:9；

所述第二分束镜，用于将第二光束分成两个光束：第三光束和第四光束，并将第三光束输出到太赫兹脉冲发生器，将第四光束通过第二时间延迟线输出到第一会聚透镜；其中，所述第三光束和第四光束的能量比为1:9；

所述第一会聚透镜，用于将第四光束会聚于气体喷嘴上方，作为电离激光脉冲，将气体喷嘴喷出的气团电离成等离子体；

所述太赫兹脉冲发生器，用于根据第三光束向等离子体输出太赫兹脉冲波；其中，太赫兹脉冲波的输出方向与电离激光脉冲的输出方向相反，且垂直于气体喷嘴喷出气体的方向；

所述马赫-曾德干涉仪，用于根据第一光束向气体喷嘴输出两路方向相反的探测光束，对等离子体进行监测并诊断；其中，所述马赫-曾德干涉仪中设置有第三时间延迟线；所述探测光束的输出方向与电离激光脉冲的输出方向垂直；

所述第一时间延迟线、第二时间延迟线和第三时间延迟线，用于调整所在光路的延迟时间，使得所述电离激光脉冲、太赫兹脉冲波和马赫-曾德干涉仪的两路探测光束同时到达所述等离子体。

较佳的，所述预设气体为氩气。

较佳的，所述第一时间延迟线、第二时间延迟线和第三时间延迟线均包括两个反射镜。

较佳的，该装置还进一步包括：第二会聚透镜；

所述第二会聚透镜，用于会聚经等离子体前沿反射而来的变频后的阿秒光束并输出。

较佳的，该装置还进一步包括：光谱仪；

所述光谱仪，用于分析出所接收的阿秒光束的波长和强度。

较佳的，该装置还进一步包括：第三会聚透镜；

所述第三会聚透镜，用于会聚马赫-曾德干涉仪中重合后的两个激光光束并输出。

较佳的，该装置还进一步包括：成像装置；

所述成像装置，用于对由第三会聚透镜会聚后的激光光束成像。

较佳的，所述太赫兹脉冲发生器包括：GaAs天线和抛物面镜；

所述GaAs天线，用于根据第三光束输出太赫兹脉冲波；

所述抛物面镜，用于会聚GaAs天线输出的太赫兹脉冲波，并向等离子体输出会聚后的太赫兹脉冲波。

本发明还提供了一种阿秒光脉冲的产生方法，该方法包括如下步骤：

使用气体喷嘴喷出超声速的包含预设气体的气团；

使用第一分束镜将光源输出的激光光束按照能量比1:9分成第一光束和第二光束；

将第一光束通过第一时间延迟线输出到马赫-曾德干涉仪；

使用第二分束镜将第二光束按照能量比1:9分成第三光束和第四光束；

将第三光束输出到太赫兹脉冲发生器，将第四光束通过第二时间延迟线输出到第一会聚透镜；

第一会聚透镜将第四光束会聚于气体喷嘴上方，作为电离激光脉冲，将气体喷嘴喷出的气团电离成等离子体；

太赫兹脉冲发生器根据第三光束向等离子体输出太赫兹脉冲波；

马赫-曾德干涉仪根据第一光束向气体喷嘴输出两路方向相反的探测光束，对等离子体进行监测并诊断；

调节第一时间延迟线、第二时间延迟线和第三时间延迟线，使得所述电离激光脉冲、太赫兹脉冲波和马赫-曾德干涉仪的两路探测光束同时到达所述等离子体；

通过马赫-曾德干涉仪实时监测最终产生的等离子体密度线形，并且间接监测太赫兹脉冲波与等离子体前沿的碰撞位置；

调节等离子体密度线形的参数和光源输出的激光光束的强度，得到不同中心频率、不同脉冲宽度的阿秒光源。

较佳的，使用第二会聚透镜会聚经等离子体前沿反射而来的变频后的阿秒光束并输出到光谱仪；

通过光谱仪分析出所接收的阿秒光束的波长和强度。

较佳的，使用第三会聚透镜会聚马赫-曾德干涉仪中重合后的两个激光光束并输出到成像装置；

通过成像装置对由第三会聚透镜会聚后的激光光束成像。

由上述技术方案可见，在本发明的技术方案中，由于设计了合理的气体喷嘴和与激光脉冲同步的控制系统，通过气体喷嘴喷出超声速的气团，通过马赫-曾德干涉仪有效地实时监测最终产生的等离子体密度线形，并且间接监测太赫兹脉冲与等离子体前沿的碰撞位置，然后可通过双多普勒效应的精确计算，因而可以有效地将相对论因子等参数反馈到超声速气团控制系统(即气体喷嘴)，调节气团的参数，从而达到等离子体前沿的参数优化，进而利用太赫兹脉冲与等离子体前沿碰撞时发生的双多普勒效应实现了光子蓝移和阿秒光脉冲的获取，最终得到优质的阿秒光脉冲，为研究微观超快现象及强场物理提供了一种切实可行的阿秒光源。而且，可以根据实际应用的需要，通过调节等离子体密度线形的参数和激光强度，有效控制双多普勒效应因子，得到太赫兹脉冲碰撞后， 经双多普勒效应后的不同中心频率，不同脉冲宽度的阿秒光源，从而可以控制所生产的阿秒光脉冲的频率和脉冲宽度。

附图说明

图1为本发明实施例中的阿秒光脉冲的产生装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中的太赫兹泵浦光所致等离子体与电离前沿相遇的干涉图样以及等离子体密度线形顶视图。

图3为本发明实施例中太赫兹脉冲波经电离前沿反射变频原理示意图。

图4为本发明实施例中双多普勒效应的物理机制示意图。

图5为本发明实施例中相对论反射镜的形成条件的示意图。

图6为本发明实施例中的阿秒光脉冲的产生方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的阿秒光脉冲的产生装置的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例中的阿秒光脉冲的产生装置包括：气体喷嘴11、光源12、第一分束镜BS₁、第二分束镜BS₄、马赫-曾德干涉仪13、第一时间延迟线14、第二时间延迟线15、第三时间延迟线16和太赫兹脉冲发生器17；

所述气体喷嘴11，用于喷出超声速的包含预设气体的气团；

所述光源12，用于输出激光光束；

所述第一分束镜BS₁，用于将所述光源12输出的激光光束分成两个光束：第一光束和第二光束，并将第一光束通过第一时间延迟线14输出到马赫-曾德干涉仪13，将第二光束输出到第二分束镜BS₄；其中，所述第一光束和第二光束的能量比为1:9；

所述第二分束镜BS₄，用于将第二光束分成两个光束：第三光束和第四光束，并将第三光束输出到太赫兹脉冲发生器17，将第四光束通过第二时间延迟线15输出到第一会聚透镜L₁；其中，所述第三光束和第四光束的能量比为1:9；

所述第一会聚透镜L₁，用于将第四光束会聚于气体喷嘴上方，作为电离激光脉冲，将气体喷嘴11喷出的气团电离成等离子体；

所述太赫兹脉冲发生器17，用于根据第三光束向等离子体输出太赫兹脉冲波；其中，太赫兹脉冲波的输出方向与电离激光脉冲的输出方向相反，且垂直于气体喷嘴11喷出气体的方向；

所述马赫-曾德干涉仪13，用于根据第一光束向气体喷嘴11输出两路方向相反的探测光束，对等离子体进行监测并诊断；其中，所述马赫-曾德干涉仪13中设置有第三时间延迟线16；所述探测光束的输出方向与电离激光脉冲的输出方向垂直；

所述第一时间延迟线14、第二时间延迟线15和第三时间延迟线16，用于调整所在光路的延迟时间，使得所述电离激光脉冲、太赫兹脉冲波和马赫-曾德干涉仪13的两路探测光束同时到达所述等离子体。

较佳的，在本发明的具体实施例中，为提高同步到达的激光脉冲电离后的等离子体的密度，可以根据需求选择外层电子较多的氩气和经能量放大以后的激光脉冲予以实现。因此，所述预设气体可以为氩气。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述第一时间延迟线14、第二时间延迟线15和第三时间延迟线16均包括两个反射镜。

例如，如图1所示，第一时间延迟线14中包括两个反射镜：M₂和M₃；第二时间延迟线15中包括两个反射镜：M₁₄和M₁₅；第三时间延迟线16中包括两个反射镜：M₇和M₈。

通过调整上述由两个反射镜组成的三个延迟线，调整所在光路的延迟时间，即可使得所述电离激光脉冲、太赫兹脉冲波和马赫-曾德干涉仪的两路探 测光束同时到达所述等离子体。

在上述的阿秒光脉冲的产生装置中，光源输出的激光光束被第一分束镜BS₁按照能量比1:9分成两束，其中10％的能量(即第一光束)用于马赫-曾德干涉仪，监测并诊断等离子体；90％的能量(即第二光束)用于太赫兹脉冲和等离子体的生成，该第二光束由第二分束镜BS₄按照1:9再次被分成两束(即第三光束和第四光束)，其中用于泵浦太赫兹脉冲发生器(例如，GaAs天线)产生太赫兹脉冲的能量(即第三光束)只用到该第二光束的10％，剩余的绝大多数能量(即第四光束)用来电离由气体喷嘴11喷出的惰性气体氩气，形成等离子体。

通过分别调节由反射镜M₂和M₃，M₇和M₈以及M₁₄和M₁₅组成的三个时间延迟线，可以使得电离激光脉冲、马赫-曾德干涉仪输出的探测光束以及太赫兹脉冲波同时到达气体喷嘴所喷出的气体，并且同时可以通过马赫-曾德干涉仪进行实时监测。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，上述的阿秒光脉冲的产生装置中还可设置多个反射镜。例如，图1中的M₁～M₁₅均为反射镜。

此外，较佳的，在本发明的具体实施例中，阿秒光脉冲的产生装置中马赫-曾德干涉仪中还设置有两个分束镜BS₂和BS₃，这两个分束镜BS₂和BS₃均将所接收到的光束按照能量比1：1分成两个光束。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，上述的阿秒光脉冲的产生装置中还可设置多个会聚透镜。例如，图1中的L₁～L₃均为会聚透镜。其中，第二会聚透镜L₂用于会聚经等离子体前沿反射而来的变频后的阿秒光束并输出(例如，输出给光谱仪)；第三会聚透镜L₃用于会聚马赫-曾德干涉仪中重合后的两个激光光束并输出(例如，输出给成像装置)。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，上述的阿秒光脉冲的产生装置中还可设置一个光谱仪，用于分析出所接收的阿秒光束的波长和强度。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，上述的阿秒光脉冲的产生装 置中还可设置一个成像装置(例如，图1中所示的CCD相机)，用于对由L₃会聚后的激光光束成像。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述太赫兹脉冲发生器17可以包括：GaAs天线和抛物面镜PM₁；

所述GaAs天线，用于根据第三光束输出太赫兹脉冲波；

所述抛物面镜PM₁，用于会聚GaAs天线输出的太赫兹脉冲波，并向等离子体输出会聚后的太赫兹脉冲波。

由于太赫兹脉冲的强度难以电离氩气，所以在观测太赫兹脉冲与等离子体前沿相互作用的位置和状态时，需要首先取下太赫兹脉冲发生器，由太赫兹脉冲泵浦激光(即第三光束)电离生成的等离子体可以清晰见到二者的相遇情况，如图2所示。其中，图2中的左图为太赫兹泵浦光所致等离子体与电离前沿相遇的干涉图样，右图为等离子体密度线形示意图。

如图2所示，当电离氩气的激光(即电离激光脉冲)传播经过气体喷嘴喷出的气团时，将会产生一个介于等离子体和气体之间的界面，该界面便被称之为电离前沿。由电离前沿所引起的折射率的不均匀性可以用作一面反射镜，来反射入射而来的电磁波(例如，太赫兹脉冲波)。

由于电离前沿随电离激光脉冲一起向前移动，而太赫兹脉冲波迎面而来，即以相反的方向进行移动。例如，如图3所示，图3中的上图即为最初情况(即电离前沿与太赫兹脉冲波刚刚相遇时的情况)，而图3中的下图则是移动一小段距离后的情况。由图3可知，与上图相比，下图的电离前沿的陡度下降了，原因是原来壁上的各点的γ值不同，因为：

而且

其中，ω₀为800nm的激发脉冲频率，ω_p为等离子体频率，γ为相对论因子，n_e为等离子体的密度，e为电子电荷量，ε₀为真空绝对介电常数，m_e为电子质量，β_f为归一化的前沿速度，v_f为电离前沿的速度，c为光速。

由此可见，不同电离前沿密度的点处运动速度是不同的，密度越低的地方运动速度越大，反之亦然，所以传播一段距离后会导致图3中的下图的情况。

在实验室坐标系内，电离前沿以速度v_f在一维方向上运动，频率为ω₀的电磁波进行迎面入射时(例如，如图4所示)，在电离前沿坐标系内，入射电磁波可以被视作：

ω'₀＝ω₀γ(1+β_f) (1)

当电磁波被反射后，它将经历一个双多普勒频移，并且被反射电磁波的频率与初始频率以下式相关：

ω”＝ω₀γ²(1+β_f)² (2)

由上述公式(2)可知，反射电磁波经历了频率上移。这个频率上的上移也导致了波长的下移和脉冲持续时间上的下降，关系式如下面两式所示：

对二维的普遍情况，当电磁波与横向无限大的电离前沿碰撞时其反射条件由如下公式给出：

其中，ω_peo是电离前沿的电子等离子体频率，θ₀是介于前沿与碰撞电磁波传播方向间的夹角，ω_c为实验室坐标系内，同时也是前沿坐标系内全反射的截止频率。若反射条件得到满足，则可以建立反射频率ω_r和入射频率ω₀之间的关系为：

由于激光产生的电离前沿的速度依赖于产生的等离子体的密度，若忽略 电离激光脉冲的损耗，那么归一化的前沿速度β_f可由下式给出：

其中，ω_l为激光频率。

根据上述的公式(4)、(5)和(6)就可以确定电离前沿和碰撞电磁波的最佳参数，从而得到能够提供双多普勒频移的相对论反射镜(θ₀＝π)的反射条件。

图5为本发明实施例中相对论反射镜的形成条件的示意图。如图5所示，图5展现了反射光束的波长如何随着等离子体的密度n_e前沿速度β_f碰撞角度θ₀以及碰撞电磁波的波长而变化的情况。为了得到最大的上移，等离子体的密度需要达到约1×10¹⁹cm^-3，前沿的速度为0.997c，碰撞角度为180度，探测光束的波长应为300μm(1THz)。

当β_f→1时(例如，实验中的0.997)，对于正入射的光子(θ₀＝π)，上述的公式(5)可以简化为所以太赫兹波与前进的电离前沿碰撞后所得反射脉冲的频率将会由于双多普勒效应而上移为：ω_reflected→4γ²·ω_in，而仅有ω_in≤ω_p的太赫兹波得到电离前沿的反射，如果入射的太赫兹波频率大于某点的等离子体频率，则其会继续前行。由气体喷嘴的外围至中心，等离子体的密度将逐渐增加，所以等离子体的频率也在增加。当满足关系ω_in＝ω_p时，该太赫兹波将会被反射，而由于太赫兹波具有一定的频谱宽度，所以不同频率成分将会在不同的临界点处(例如，图3所示)得到反射，至于ω_in＜ω_p的情况，由色散关系：可知，为虚数；而由于传播因子为e^ikz，由此可见，将随着传播距离的增加而指数式迅速衰减至零。

太赫兹波经电离前沿反射后，之所以经历两次多普勒效应而频率上移成 为：ω_reflected＝ω_in·4γ²，是因为入射的太赫兹波经等离子体后首先要变频为：ω′_in＝ω_in·γ(1+β)；由于β值近似为1，所以有ω′_in＝ω_in·2γ，此处的在前沿上的反射点处有ω′_in＝ω_p，然后反射后的ω′_in再次经过等离子体时又由多普勒效应经历第二次变频，从而得到最终的反射电磁波的频率为：

根据上面分析可知：可见反射后的电磁波的频率得到上移后，应在400nm光的频率附近。

在实验室坐标系内，离开电离前沿的反射电磁波的频率首先是800nm；然后，随着离开电离前沿的距离增加，频率开始向400nm方向移动，最后得到400nm光频。因为刚刚碰到密度等于临界密度的电离前沿被其反射时其频率为：

因为反射点为临界密度点，即有关系式：ω_in·2γ＝ω′_in＝ω_p，所以反射点处的频率为ω′_reflected＝ω₀，即等于激发激光脉冲的频率。由于反射后与剩余的激发激光脉冲沿同一方向共同传播，由及γ与传播速度的关系知，二者应该具有同样的传播速度。但当向前传播时，由于喷嘴喷出的气体被激光电离后存在一定的密度梯度，所以太赫兹波反射后的变频电磁波进一步发生变化，传出等离子体区后的频率变化为ω_reflected＝(1+β)·ω′_reflected＝2ω₀。即由激发激光脉冲的800nm频率上移到400nm。

反射光的最终时间延迟为：从而可以大大地缩短时间延迟，由于入射的太赫兹波的时间延迟为500fs，所以在n_e＝1×10¹⁹cm^-3的 电子密度情况下，可以得到γ＝12.9，从而可以得到阿秒脉冲新光源，该阿秒脉冲新光源的最终时间延迟为：

根据本发明提供的上述阿秒光脉冲的产生装置，本发明还提供了相应的阿秒光脉冲的产生方法，具体请参见图6。

图6是本发明实施例中的阿秒光脉冲的产生方法的流程图。如图6所示，该阿秒光脉冲的产生方法包括如下所述步骤：

步骤201，使用气体喷嘴喷出超声速的包含预设气体的气团。

步骤202，使用第一分束镜将光源输出的激光光束按照能量比1:9分成第一光束和第二光束。

步骤203，将第一光束通过第一时间延迟线输出到马赫-曾德干涉仪。

步骤204，使用第二分束镜将第二光束按照能量比1:9分成第三光束和第四光束。

步骤205，将第三光束输出到太赫兹脉冲发生器，将第四光束通过第二时间延迟线输出到第一会聚透镜L₁。

步骤206，第一会聚透镜L₁将第四光束会聚于气体喷嘴上方，作为电离激光脉冲，将气体喷嘴喷出的气团电离成等离子体。

步骤207，太赫兹脉冲发生器根据第三光束向等离子体输出太赫兹脉冲波。

步骤208，马赫-曾德干涉仪根据第一光束向气体喷嘴输出两路方向相反的探测光束，对等离子体进行监测并诊断。

步骤209，调节第一时间延迟线、第二时间延迟线和第三时间延迟线，使得所述电离激光脉冲、太赫兹脉冲波和马赫-曾德干涉仪的两路探测光束同时到达所述等离子体。

步骤210，通过马赫-曾德干涉仪实时监测最终产生的等离子体密度线形， 并且间接监测太赫兹脉冲波与等离子体前沿的碰撞位置。

步骤211，调节等离子体密度线形的参数和光源输出的激光光束的强度，得到不同中心频率、不同脉冲宽度的阿秒光源。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于设计了合理的气体喷嘴和与激光脉冲同步的控制系统，通过气体喷嘴喷出超声速的气团，通过马赫-曾德干涉仪有效地实时监测最终产生的等离子体密度线形，并且间接监测太赫兹脉冲与等离子体前沿的碰撞位置，然后可通过双多普勒效应的精确计算，因而可以有效地将相对论因子等参数反馈到超声速气团控制系统(即气体喷嘴)，调节气团的参数，从而达到等离子体前沿的参数优化，进而利用太赫兹脉冲与等离子体前沿碰撞时发生的双多普勒效应实现了光子蓝移和阿秒光脉冲的获取，最终得到优质的阿秒光脉冲，为研究微观超快现象及强场物理提供了一种切实可行的阿秒光源。而且，可以根据实际应用的需要，通过调节等离子体密度线形的参数和激光强度，有效控制双多普勒效应因子，得到太赫兹脉冲碰撞后，经双多普勒效应后的不同中心频率，不同脉冲宽度的阿秒光源，从而可以控制所生产的阿秒光脉冲的频率和脉冲宽度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。