一种精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的方法

摘要

本发明涉及一种精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的方法。本发明的方法包括步骤：a.互相关并联光路排布；b.零同步基准时间的确定；c.利用互相关信号峰位的空间移动进行两脉冲激光延时的精确测量及控制。采用本发明可以精确地测量及控制两束飞秒量级超短脉冲激光之间的延时，在进行等离子体探测时获知等离子体的演化规律，在多光束合束时控制激光束的聚焦功率密度，克服步进电机驱动延时光路时机械回程差及掉步等因素的影响。

说明书

技术领域

本发明属于超短脉冲激光的测量技术领域，具体涉及一种精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的方法。

背景技术

在强场物理实验中，强激光与靶物质相互作用产生等离子体，要进行等离子体参数的精密诊断，往往还需要一束与主激光精确同步的探针光，通过改变主激光与探针光之间的延时，来获知等离子体的演化规律，因此，需要精确测量和控制主激光与探针光之间的同步关系，以获得准确的物理数据及规律。另外，在强激光领域进行多光束合束以及在其他一些超快过程的研究领域中，束与束之间的同步要求也很严格，需要精确测量和控制束与束之间的延时。目前常用的测量两束激光脉冲之间延时的方法是光电管加示波器，其精度一般只能达到纳秒至数百皮秒量级；用精度较高的条纹相机测量，其精度也只能达到皮秒量级，且设备昂贵，调整不便。飞秒量级的同步测量及控制技术用常规的方法尚无法实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的方法。

本发明的精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的方法包括以下步骤：

a.互相关并联光路排布；

激光脉冲经分光后形成两束激光，标识为光束1和光束2，然后再从光束1和光束2中分出小部分激光分别标识为光束3和光束4；光束1和光束2聚焦后打在同一靶点上，在靶点处放置第一倍频晶体，使光束1和光束2在第一倍频晶体中相互作用得到和频信号；光束3和光束4以一定夹角打在第二倍频晶体上，在第二倍频晶体中交叠进行和频产生单次互相关信号；光路中排布有两个直角反射式延时光路A及延时光路B，用以改变光束1和光束2以及光束3和光束4之间的延时；

b、零同步基准时间的确定；

调整延时光路A及延时光路B使第二倍频晶体及第一倍频晶体处均有和频光产生，第二倍频晶体处的和频光用CCD相机接收可得到和频光的空间光强分布，由此得到两脉冲的互相关信号，连续改变延时光路B的延时，第一倍频晶体处的和频光强最大时即为两脉冲完全同步，此时CCD相机上相关信号的峰值位置确定为零同步基准时间；

c、利用互相关信号峰位的空间移动进行两脉冲激光延时的精确测量及控制；

调整延时光路A，光束1和光束2之间以及光束3和光束4之间的延时将同时变化，CCD相机上的互相关信号峰位会发生移动，峰位的移动量和两脉冲的延时变化呈线性关系，通过峰位的移动控制两脉冲的精确延时。

所述的光束3和光束4打在第二倍频晶体上的一定夹角的角度为3度至90度。

采用本发明可以精确地测量及控制两束飞秒量级超短脉冲激光之间的延时，在进行等离子体探测时获知等离子体的演化规律，在多光束合束时控制激光束的聚焦功率密度，克服步进电机驱动延时光路时机械回程差及掉步等因素的影响。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例的精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的光路排布示意图

图2(a)为本发明实施例的互相关信号峰位移动图

图2(b)为本发明实施例的互相关信号峰位移动图

图2(c)为本发明实施例的扫描互相关信号图

具体实施方式

从图1中可以看出，本发明通过精确测量及控制两束超短脉冲激光延时的光路实现两束超短脉冲激光之间延时的高精度测量及控制。图中，800nm的激光脉冲经分光镜1后分为两束：光束1及光束2。光束1经分光镜2反射后再经反射镜(3、4)反射，最后经透镜19聚焦于靶点22；光束2经反射镜(5、6、7)及分光镜8反射后再经反射镜(9、10、11、12、13、14)反射，最后经透镜20聚焦于靶点22。光束1在分光镜2上部分透射形成光束3，光束3经反射镜(15、16、17)后射入晶体21；光束2在分光镜8上部分透射形成光束4，光束4经反射镜18后射入晶体21；光束3和光束4在晶体21中交叠产生和频信号，由CCD相机23采集和频信号X方向的空间光强分布可以得到两束光的互相关信号。

反射镜6和反射镜7垂直放置，反射镜10和反射镜11垂直放置，分别组成延时光路A和延时光路B。延时光路用步进电机驱动，反射镜6和反射镜7同时运动，反射镜10和反射镜11同时运动。调整延时光路B可以改变光束1和光束2在靶点22处的延时，调整延时光路A则可以同时改变光束1和光束2以及光束3和光束4之间的延时。

在靶点处放置一块和频晶体，首先调整延时光路A及延时光路B使晶体21及靶点22处均有和频光产生，晶体21处的和频光用CCD相机23接收可得到沿X方向的空间光强分布，即两脉冲的互相关信号；靶点22处得到的和频光用光电倍增管探测，连续调整延时光路B的延时，可以得到扫描互相关信号，靶点22处的和频光强最大时即为两脉冲完全同步，此时CCD相机23上的峰值位置确定为零同步基准时间；固定延时光路B，调整延时光路A，光束1和光束2之间以及光束3和光束4之间的延时会同时变化，CCD相机23上互相关信号的峰位移动量与延时变化呈线性关系，从峰位的移动量可以得到光束3和光束4以及光束1和光束2之间的延时变化，通过控制互相关信号峰位的空间移动可以精确控制两脉冲的延时。

本实施例中光束3和光束4在入射晶体21前夹角为4.91度，晶体材料为KDP。靶点处置BBO晶体，用以产生和频信号，CCD相机采用线阵CCD，像元X方向的尺寸为7微米。

图2(a)是实施例得到的互相关信号峰位移动图，两束光以4.91度的夹角入射，调出互相关信号后在一支光路中加标准片使光束3和光束4的光程差变化54um，峰位移动了90个像数，可以得到延时测量系数为：2fs/pix。

图2(b)是两束光以76.84度夹角入射时的情况，一支光路插入三块石英标准片后(3×447um)，相关信号的峰位移动了83个像数，石英的折射率为1.54，可以得到延时测量系数为：29fs/pix。改变两束光的夹角可以调整延时测量的精度及测量范围，实际中可根据具体测量要求选择合适的光束夹角及晶体参数。

图2(c)是800nm和400nm的光聚焦和频后通过调节延时得到的扫描互相关曲线。可以由峰值位置确定基准时间。

上述实施例中是两束激光脉冲的延时测量及控制，本发明的方法也可以用于多束激光脉冲之间延时的测量及控制。本发明的方法既适用于相同波长的激光脉冲也适用于不同波长的激光脉冲，例如可以将光束2倍频，欲控制倍频后的光束2与光束1在靶点22处的延时，选择合适的晶体参数可以使倍频光光束4与基频光光束3在晶体21处产生互相关信号，由峰位移动测量和控制光束1和光束2的延时。另外，本发明的方法既适用于飞秒激光脉冲也适用于亚皮秒及皮秒量级的激光脉冲。

上述实施例中产生互相关信号使用的是倍频晶体，事实上也可利用有双光子吸收效应的器件来产生互相关信号。

综上所述，本发明所述的方法是一种方便实施、简单有效的延时测量及控制方法，可以精确地测量及控制两束飞秒量级超短脉冲激光之间的延时，克服步进电机驱动延时光路时机械回程差及掉步等因素的影响。