专利名称：测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种测量超短激光脉冲的载波包络绝对相位 的装置。
背景技术：
锁模技术出现后，脉冲激光成为了激光器的一个主要种类。超短脉冲的潜在应用 有化学反应控制，高速电子测量，光通信，生物医学，材料加工，时间计量。近年来，激光脉冲 一直向光谱更宽，脉宽更短发展。对于超短脉冲，特别是少于两个光学周期的脉冲，光场的 时间变化与光脉冲载波包络相位紧密相关，因此，在依赖于场强的强激光与物质相互作用， 阿秒脉冲产生，等领域中，载波包络绝对相位的信息有利于研究电子运动的相位效应。目 前，基频倍频自参考法利用红边带倍频与蓝边带差频，可以用来测量和锁定载波包络的频 率偏差，信号反馈到控制振荡器抽运光功率后，可以稳定光脉冲的载波包络相位。此外，单 脉冲非线性光谱干涉可以反映放大脉冲与脉冲之间的相位变化。用于测量短脉冲的自参考 电场重建法可以给出频谱成分的相对相位。但是这些方法都没有给出光脉冲的载波包络绝 对相位。而利用光电离电子的不对称性可以判断超短脉冲场的不对称性，从而确定其载波 包络绝对相位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装置，可利用光电离的反方向对称性测量载波包络相 位。本发明提供的装置包括进气系统、真空腔、泵组和信号采集卡，所述真空腔包括探 测腔⑶和反应腔(4)，分别与泵组相连，反应腔⑷位于探测腔(3)中心处，将光束聚焦到 反应腔(4)内，气体在光场的作用下被电离，光电离电子反向经反应腔(4)左右两侧(沿光 的传播方向)小孔射出，探测腔⑶连有两个微通道板探测器(6)，射出的光电离电子分别 飞向各自的微通道板探测器(6)，在微通道板探测器(6)上形成脉冲电流，用信号采集卡记 录上述脉冲电流信号，从而计算出超短激光脉冲的载波包络相位。进气系统包括微漏阀(11)和中空直线驱动器(5)。微漏阀(11)有一进气真空法 兰，一旋钮可以控制进气量以及关闭进气通道，微漏阀(11)还连接着一根带微孔的进气长 细管。中空直线驱动器(5)为可伸缩的直短管，两端是CF真空法兰接口，侧旁有一旋钮调 节短管长度并带有标度。探测腔(3)为立方体，六面各带有CF真空法兰接口。反应腔⑷是一块材料实体， 其左面，右面，顶面各带一个小孔，中间穿插一根中空长细管，长细管中心与实体中心重合， 中心处管壁有三个小孔与实体的三个小孔对应。另外反应腔(4)的材料实体左右两面各装 有两片薄片形电极。分子泵(10)为涡轮分子泵，要求真空度达到10_7tOrr以上。机械泵(9)抽速更 大，真空度在10_4torr以上。
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微通道板探测器(6)增益为5E+7倍以上。微漏阀(11)与中空直线驱动器(5)由真空法兰密闭相连。中空直线驱动器(5)与 探测腔(3)顶面由真空法兰密闭连接。微漏阀(11)相接的带微孔进气长细管，穿过中空直 线驱动器，延伸到探测腔(3)内中心处的反应腔(4)，管上微孔气体出口对准激光焦斑处， 位于整个反应腔体的中心。由于气体密度直接影响到光电离电子数量，微漏阀(11)可用于 精密控制气体的进入量，使得光电离电子数适合于信号探测与分析。中空直线驱动器(5) 用于控制带微孔进气长细管的微孔位置。探测腔(3)后面中心处由真空法兰接玻璃窗口， 前面中心处由真空法兰接三通转机械泵，左右两面中心处各由真空法兰接一个微通道板探 测器(6)，上面接进气系统的中空直线驱动器(5)，下面接分子泵(10)。反应腔(4)位于探 测腔中心处，反应腔(4)的中空长细管位于探测腔(3)中间，与入射光束平行。它顶侧一孔 与进气长细管微孔相接，另外在左、右两侧各有一小孔用于光电离电子飞入探测腔(3)。反 应腔(4)的中空长细管前端通过固定支架密闭接到探测腔(3)的后面窗口，前端再由固定 支架密闭接到探测腔前面真空法兰接口，并通过三通与机械泵(9)相连通。反应腔(4)是 一个分子密度相对较高的真空，适合于阈上电离。探测腔(3)是一个与反应腔(4)相隔离 的高真空腔，有利于自由电子飞行。在探测腔(3)中，电子飞向微通道板探测器(6)时，经 过低负电势，零电势两个反应腔侧面的电极。微通道板探测器(6)对光电离电子进行放大， 输出电流信号。电流信号通过放大器(7)，由数据采集卡(8)采集到计算机分析。本装置的运行过程如下机械泵和分子泵启动后将腔体空气抽出，形成真空。气体从微漏阀进入，通过长细 管的微孔进入反应腔。调节中空直线驱动器使长细管微孔对应反应腔中心。调节凹面聚焦 镜将光束通过反应腔中空长细管，聚焦到反应腔中心，与进入气体作用。气体在光场的作用 下被电离，光电离电子从两边飞向微通道板探测器，微通道板探测器输出脉冲电流，用信号 采集卡记录电流脉冲信号。本发明利用光电离的反方向对称性，对测得的电流信号计算得 到光脉冲的载波包络相位信息。信号采集同时记录电流脉冲的时间，可以实现测量电子飞行时间的功能，能得到 电子能谱。本发明结构紧凑，灵敏度和精度都高。可用于超快光脉冲表征，电子动力学分析。
图1为本发明的结构示意图；1-飞秒脉冲激光器；2—楔形镜；3—探测真空腔；4一反应真空腔；5—中空直 线驱动器；6—微通道板探测器；7—电流放大器；8—信号采集及信号分析；9一机械泵； 10-分子泵；11-微漏阀；12-凹面聚焦镜。
具体实施例方式下面用一个具体的实施例来对本发明做进一步的阐述。测量中心波长为780nm的5fs激光脉冲载波包络相位.如图1所示，探测腔3是一个120mmX120mmX120mm立方体。正方体的六面中心
加工有法兰接口。顶端法兰接口接进气系统。左、右两侧法兰接口接微通道板探测器6。前端接石英窗口。后端经过三通接石英窗口和机械泵9。底端法兰接分子泵10。为了使微通 道板探测器6正常工作，探测腔的真空度要达到10_6TOrr。本装置使用了 70升，1500转的 分子泵10，真空度可达到lCTTorr。顶端的进气系统装有微漏阀11，中空直线驱动器5和带 微孔长细管，将气体导入反应腔4内。微漏阀11可精密控制进气量，使得反应腔内气压在 10_3Torr，从而可在300uJ的激光脉冲下产生高能电子。本装置采用氙气，由于其电离能较 低，有利于发生光电离。反应腔4与探测腔3后端相连，并接到机械泵9，将多余的气体排出。 探测腔3前端的石英窗口装有对中心波长780nm的光脉冲宽带透过镀膜窗片，作为光束进 入口。飞秒激光器1输出中心波长780nm，300uJ, 5fs的无啁啾脉冲，重复频率3kHz。光束 经过楔形镜2，由凹面聚焦镜12聚焦后透过圆形石英玻璃窗片，平行进入带有直径6mm的长 细管的真空反应腔4。聚焦后光束焦斑约为lOym，对应的场强达到6E14W/cm2。调节宽带 高反镜和凹面聚焦镜使激光束焦点位于反应腔中心。反应腔4的长细管上面，左面，右面各 有一个直径1mm大小的小孔。长细管中心与实体中心重合，中心处管壁有三个小孔与实体 的三个小孔对应。反应腔4的顶孔用于进气。左、右两边小孔用于光电离电子飞出。反应 腔4接地，在其左右两侧各装有两个薄板电极，分别接到-15V和零电势。光电离电子必须 从薄板中间经过这两个电势到达微通道板探测器6。这两个电极可以选择要探测的电子能 量。负电极的电压可调，以便于选择要观测的电子能量。左右两侧的微通道板探测器6是 相同的。微通道板的前面安装有铜栅网，直径20mm，125 pm微孔，并连接地。微通道板输入 输出加有直流稳压高压2000V，增益放大倍数是10E6。两路微通道板交流耦合输出的弱信 号经过电流放大器7进入信号采集卡8。电流放大器可选增益倍数为100/200/500/1000， 将pA，mV量级的电信号放大到IV到5V。对于3KHz重复频率的激光脉冲，信号采集卡采样 率采用lGS/s。信号采集卡8的数据由计算机收集和分析。在计算机上基于LabView编写 程序处理控制信号采集卡读数，调节好信号的采样幅度，累计脉冲电流的数目(即光电离 电子数目)，计算出载波包络的相位。 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域 的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修 改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权 利要求书界定的范围为准。
权利要求
一种测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置，其特征在于，包括进气系统、真空腔、泵组和信号采集卡，真空腔与泵组相连，包括探测腔(3)和反应腔(4)，反应腔(4)位于探测腔(3)中心处，将光束聚焦到反应腔(4)内，气体在光场的作用下被电离，光电离电子反向经反应腔(4)两侧小孔射出，探测腔(3)连有两个微通道板探测器(6)，射出的光电离电子分别飞向各自的微通道板探测器(6)，在微通道板探测器(6)上形成脉冲电流，用信号采集卡(8)记录上述脉冲电流信号，从而计算出超短激光脉冲的载波包络相位。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进气系统包括微漏阀(11)和中空直线驱动 器(5)，中空直线驱动器(5)为可伸缩的直短管，微漏阀(11)与中空直线驱动器(5)由真空 法兰密闭相连，中空直线驱动器(5)与探测腔(3)顶面由真空法兰密闭连接，微漏阀(11) 相接一带微孔进气长细管，穿过中空直线驱动器(5)，延伸到反应腔(4)，进气长细管上微 孔气体出口对准激光焦斑处，位于整个反应腔(4)的中心。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，探测腔(3)为立方体，六面各带有CF真空法 兰接口，顶端法兰接口接进气系统，左、右两侧法兰接口各接有微通道板探测器(6)，前端接 石英窗口，后端经过三通接石英窗口和机械泵(9)，底端法兰接分子泵(10)。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，反应腔(4)是一块材料实体，其左面、右面、 顶面各带一个小孔，中间穿插一根中空长细管，长细管中心与实体中心重合，中心处管壁有 三个小孔与实体的三个小孔对应，反应腔(4)顶侧孔与进气长细管的微孔相接，另外在左、 右两侧孔用于光电离电子射出，在反应腔(4)的材料实体左右两面各装有两片薄片形电 极。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，分子泵(10)为涡轮分子泵，其真空度达到 l(T7torr 以上。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，机械泵(9)的真空度在10_4torr以上。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，微通道板探测器(6)增益为5E+7倍以上。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两路微通道板探测器(6)输出的信号经过电 流放大器(7)进入信号采集卡(8)。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由飞秒激光器(1)输出光束，该光束经过楔 形镜(2)，由凹面聚焦镜(12)聚焦后进入反应腔(4)中心。
全文摘要
本发明公开了一种测量光脉冲载波包络绝对相位的光电离装置，该装置包括进气系统、真空腔、泵组和信号采集卡，真空腔与泵组相连，包括探测腔和反应腔，反应腔位于探测腔中心处，将光束聚焦到反应腔内，气体在光场的作用下被电离，光电离电子反向经反应腔两侧小孔射出，探测腔连有两个微通道板探测器，射出的光电离电子分别飞向各自的微通道板探测器，在微通道板探测器上形成脉冲电流，用信号采集卡记录上述脉冲电流信号，从而计算出超短激光脉冲的载波包络相位。本发明利用光电离的反方向对称性可测得载波包络相位，结构紧凑、灵敏度和精确度高。
文档编号G01J11/00GK101858789SQ20101021111
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者刘运全, 邓勇开, 龚旗煌 申请人:北京大学