基于荧光光谱的超高激光光强远程测量方法

摘要

一种基于荧光光谱的超高激光光强远程测量方法，该方法建立在测量337nm和391nm两条氮气荧光谱线强度之比的基础上，从氮气分子荧光辐射机制入手，理论推导337nm和391nm两条氮气荧光谱线强度比与飞秒激光峰值功率的关系，发现对应337nm和391nm的谱线强度比与飞秒激光脉冲的光斑半径和脉冲宽度没有关系，仅取决于激光脉冲峰值功率I0，最后经最小二乘法曲线拟合得到一个经验公式，通过该公式我们只要测量出337nm和391nm两条谱线的相对强度之比，将其代入经验公式，即可求得飞秒激光的峰值功率，该方法对许多强场激光物理实验中激光峰值功率的远程测量、远程大气传输以及气体检测等方面都具有很重要的意义。

说明书

技术领域

本发明属于飞秒激光超高峰值光强的远程测量领域，具体涉及基于氮气分子337nm和391nm两条荧光谱线强度比值来确定飞秒激光的激光峰值强度。

背景技术

飞秒激光是一种弛豫时间在飞秒量级(10^-15秒)的超短激光脉冲，它兼具脉宽极短、频谱超宽和峰值功率极高等特性。近年来，伴随着锁模技术和啁啾脉冲放大技术的发展，飞秒激光技术的发展已经日渐成熟。

首先从时间尺度上，早在1986年，贝尔实验室就获得了脉冲宽度为6fs以下的少数周期飞秒激光脉冲，极短的脉冲宽度使得飞秒激光脉冲具有极高的时间分辨率。其次，从能量尺度上，早在1996年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)就获得了峰值功率为1.25PW(10¹⁵W)的飞秒激光脉冲，这也是人类有史以来首次实现峰值功率为拍瓦量级的激光输出，经过聚焦后，峰值功率如此高的激光脉冲被压缩到接近波长尺度的空间内，其光强可达10²²W/cm²甚至更高，如此高的光强可以电离聚焦区域的任何分子，这为科学工作者更加深入地研究光与物质的相互作用提供了强有力的工具。

激光光强是指单位面积上的光功率，在线性条件下，改变入射光的峰值功率与光斑面积都可以有效地改变光强。然而，当研究飞秒激光在空气中传播时的峰值光强时，由于其产生的超高光强则必须考虑各种非线性效应，例如等离子体的散焦，这种情况下，就无法用线性聚焦理论分析，另外由于飞秒激光产生的超高光强而导致的非线性效应在众多科研方向和工程项目上有重大的应用，例如大气远程探测、太赫兹产生、激光引雷、激光降雪、少数周期脉冲产生等，因此，如何有效地控制飞秒激光的峰值光强也是非线性光学领域的一个基础课题。

对飞秒激光超高峰值光强进行测量一直都是一项十分具有挑战性的课题任务，目前我国发表的关于飞秒激光超高光强测量的相关专利有：

专利授权公告号：CN 2674419Y，其公开了一种用于测量强激光脉冲光强分布的测试系统，其沿着光束前进方向依次摆放汇聚透镜、第一劈板、第二劈板、成像透镜、中性衰减片、二维电荷耦合装置摄像机并固定于一滑板上，滑板固定于精密滑轨上，还需一台计算机的输入端与该二维电荷耦合装置摄像机的数据输出端相连，该技术方案不仅结构复杂，光学元件较多，光路需要精密导轨来调节控制，而且其方案最终只能测量得到激光脉冲光束截面的相对光强分布，并不能得到定量的激光峰值光强。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术无法得到确切的超强激光峰值光强定量值的问题，提出一种测量飞秒激光超高峰值光强的方法——基于荧光光谱的超高激光光强远程测量，该方法基于氮气分子的荧光光谱可以实现强场激光物理实验中飞秒激光峰值强度的远程测量。

本发明采用的技术方案是：

一种基于荧光光谱的超高激光光强远程测量方法，该方法的测量步骤如下：

第1、将待测飞秒激光器发出的超强飞秒激光光束照射到第一透镜进行聚焦，经聚焦后的激光光束对空气中的氮气进行电离激发荧光；

第2、用第二透镜将飞秒激光电离激发的氮气荧光聚焦于光谱仪接光口，并由该光谱仪探测所述氮气荧光光谱；

第3、识别氮气荧光中391nm和337nm两条荧光谱线，得出391nm和337nm的两条荧光谱线的相对强度比R；

第4、根据经验公式及第3步得出的391nm和337nm的两条荧光谱线的相对强度比R，最终计算出待测飞秒激光超高峰值光强I₀

其中，第1步所述的待测飞秒激光光束与第一透镜之间的光路上增加第一金反射镜和第二金反射镜，用于飞秒激光光束的光路调整转折。

第4步所述经验公式的推导方法如下：

飞秒激光高达10¹⁴W/cm²的峰值功率能够将空气中的氮气分子电离并激发出荧光，基于氮气分子荧光辐射机制，理论推导337nm和391nm两条氮气荧光谱线强度比与飞秒激光峰值功率的关系，发现对应337nm和391nm的谱线强度比与飞秒激光脉冲的光斑半径和脉冲宽度没有关系，仅取决于激光脉冲峰值功率I₀，经实验室曲线标定及最小二乘法拟合，最终得出经验公式：

该经验公式表明：只要测得391nm和337nm的荧光谱线的强度比R，就能够计算出飞秒激光超高峰值光强I₀

本发明的原理分析：

基于荧光光谱的超高激光光强远程测量实验中，我们使用一台商用的飞秒激光器，经过测量，脉冲光斑的强度分布为高斯型。实验过程中，我们采用的光栅光谱仪选择的光栅是1200/mm；光谱仪的探测器为ICCD,光谱仪狭缝为20μm。我们在垂直于传播光束的方向上使用一个CCD相机通过20倍显微物镜将等离子体通道成像在CCD上(已经前期实验标定因此未标注于附图实验装置图中)，我们采用不同焦距的透镜聚焦，均为石英基底，焦距分别为：100cm,50cm,30cm,20cm,11cm。激光脉冲能量的改变是通过中性密度衰减片来实现的，有必要指出的一点是当入射激光脉冲的峰值功率低于自聚焦临界功率时(在空气中，对应42fs的激光脉冲约为10GW)，激光脉冲传播主要是以色散和衍射为主。在这个范围内，只要脉冲宽度和光斑半径已知，我们就可以求解激光强度，因此，实验过程中，我们将激光强度限制在自聚焦临界功率以下。

所述的商用飞秒激光器,输出中心波长800nm、脉冲变换极限宽度42fs、重复频率1kHz、单脉冲能量最大输出6.5mJ、光斑尺寸9.8mm(光强最大值1/e²全宽)经透镜聚焦用于在空气中电离氮气激发荧光并产生成丝现象。

所述的光栅光谱仪(生产厂家：Andor；仪器型号：SR-3031-B)，选择的光栅是1200/mm；光谱仪的探测器为ICCD(生产厂家：Andor；仪器型号：DV420A-OE),光谱仪狭缝为20μm，用以探测侧向氮气荧光光谱谱线。

所述的CCD相机(生产厂家：WincamD；产品型号：3056)，通过20倍显微物镜将等离子体通道成像在CCD上，我们通过测量等离子体通道的截面半径来实现对光斑半径的测量(已经前期实验标定，因此未标注于附图实验装置图中)。

所述的不同焦距的透镜，均为石英基底，焦距分别为：100cm,50cm,30cm,20cm,11cm，用来将飞秒激光聚焦于空气中产生成丝现象。

所述的中性密度衰减片可以在不改变光斑光强高斯分布的前提下实现对脉冲能量的连续调节。

所述的氮气分子荧光的激发机制有两种，一种是对应于从态向态的跃迁，如391nm谱线；还有一种是对应N₂从C³Π_u态向B³Π_g态的跃迁，如337nm、357nm谱线。经证实，对应的态上的粒子数是由激光引发多光子电离和隧道电离从而导致中性氮气分子內价电子直接被电离出去。而处于激发态C³Π_u的N₂则相对复杂一些，有三种可能的机制可以产生激发态的C³Π_u的N₂，第一种是通过激光直接激发；第二种是被电离出来的电子经过非弹性碰撞产生；第三种是通过电子离子复合解离过程。然而，根据跃迁定则：从态到C³Π_u的直接跃迁是禁止的，因此，通过激光直接激发到C³Π_u态几乎不可能。X>3Π_u上的分子是通过氮气离子与氮气分析吸附后产生再经过与自由电子的复合解离过程得到处于C³Π_u的和处于基态的N₂。

391nm谱线对应从态向态的(0-0)级跃迁，而态上的粒子数是由处于基态的N₂通过内价层电子的多光子电离直接产生的，因此，391nm谱线的强度满足如下关系：

S₃₉₁∝aIⁿ¹(1)

其中a是一个比例系数，I为入射激光强度，n₁是将基态的N₂激发到态0级所需要的光子数。

337nm谱线N₂从C³Π_u态向B³Π_g态的(0-0)级跃迁。由于禁带跃迁的限制，处于基态的N₂无法直接通过多光子过程跃迁到C³Π_u态，根据前面的分析，C³Π_u态上的分子首先要通过产生再经过与自由电子的复合解离过程得到处于C³Π_u的因此337nm的谱线强度是和总离子数成正比的，因此：

S₃₃₇∝aIⁿ¹+bIⁿ²(2)

其中a和b仍为上述同一比例系数，n₂是基态的N₂跃迁到激发态所需要的光子数。

通过上述的分析可得：391nm与337nm谱线强度的比值随光强的变化满足如下关系：

如果我们把入射飞秒激光脉冲在时间上和空间上的强度分布考虑进去，上式可转化为：

其中I₀为脉冲峰值光强，f(r,t)表示在柱坐标下的归一化能量分布函数，r为积分半径，t为积分时间，而且在飞秒激光成丝内部空间光强是最低阶的基模，因此上式可在假设光束在时间和空间上都满足高斯型分布的基础上化简为：

因此可得：

进一步化简可得：

其中

综上所述，我们发现，对应337nm和391nm的谱线强度比与飞秒激光脉冲的光斑半径ω₀和脉冲宽度τ₀以及激光波长λ都没有关系，仅取决于激光脉冲峰值强度I₀。因此我们只要测出337nm和391nm的荧光谱线强度比值，并通过已知公式计算出相对应的飞秒激光峰值光强功率，然后进行非线性最小二乘法曲线拟合，即可得到337nm和391nm的荧光谱线强度比与飞秒激光峰值光强之间的函数关系，最终线性拟合的结果为：

本发明的优点及有益效果：

本发明提出一种测量飞秒激光峰值功率的方法，该方法装置简单、方便调节、远程有效。其在强场激光(高次谐波)物理实验中激光峰值强度的远程诊断测量、远程大气传输以及气体检测等方面具有很重要的意义。

附图说明

图1为飞秒激光激发氮气荧光光谱远程测量实验装置图。

图2为不同激发光强度下的氮气荧光光谱。

附图标记：1为待测飞秒激光光束，2为第一金反射镜，3为第二金反射镜，4为第一聚焦透镜，5为电离氮气荧光，6为第二聚焦透镜，7为探测光谱仪。

具体实施方式

为了能更加清楚地理解本发明的技术特征、目的和效果，现参照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1所示：飞秒激光成丝半径测量及氮气荧光光谱测量实验装置图1由商用飞秒激光器,输出中心波长800nm、脉冲变换极限宽度42fs、重复频率1kHz、单脉冲能量最大输出6.5mJ、光斑尺寸9.8mm(光强最大值1/e²全宽)经透镜聚焦用于在空气中产生成丝现象。

所述的光栅光谱仪选择的光栅是1200/mm；光谱仪的探测器为ICCD,光谱仪狭缝为20μm，用以探测侧向氮气荧光光谱谱线。

所述的CCD相机，通过20倍显微物镜将等离子体通道成像在CCD上，我们通过测量等离子体通道的截面半径来实现对光斑半径的测量(已经前期实验标定因此未标注于附图实验装置图中)。

所述的不同焦距的透镜，均为石英基底，焦距分别为：100cm,50cm,30cm,20cm,11cm用来将飞秒激光聚焦于空气中产生成丝现象。

所述的中性密度衰减片可以在不改变光斑光强高斯分布的前提下实现对脉冲能量的连续调节。

光丝直径的测量：对于成丝半径的测量，我们是通过测量等离子体通道的截面半径来实现的，在测量侧向荧光光谱的同时，在光谱仪的对面，我们在垂直光束的方向上安装了一个CCD相机，通过20倍显微物镜将等离子体通道成像在CCD上(已经前期实验标定因此未标注于附图实验装置图中)。

前面已经测量的是等离子体通道的直径，等离子体密度和激光强度之间存在如下关系：

N_e(r)＝σIⁿ(r)(8)

其中N_e(r)代表等离子体密度的空间分布，I(r)是对应激光强度分布。r为空间半径，σ和n分别代表电离横截面和有效非线性光电离阶数。假设入射光束横截面的强度分布为：

(ω为光强在1/e²处光斑半径)，由此可得：

在空气中，等离子体密度的增加与光强的7.5次方成正比，激光的峰值强度由下面的式子给出：d_laser为飞秒激光光束直径，d_plasma为CCD相机拍摄的等离子体通道的直径，通过这个关系式，我们可以通过等离子体通道直径得到光斑半径。

如图2所示测量了不同强度下的氮气荧光光谱，我们通过所述的中性密度衰减片来改变激光峰值光强，从而激发不同强度的氮气荧光谱线。

通过前面的分析，可以知道当激光强度在自聚焦临界功率以下时，激光主要以线性传播为主，只要脉冲宽度和光斑半径已知，就可以求解激光峰值光强。对应的激光峰值光强求解可以通过下面的式子给出：

其中E代表入射单脉冲的能量,通过功率计来测量经过中性密度衰减片和聚焦透镜后得到的平均功率。在脉宽变换极限已知的条件下，τ值为可以根据脉冲在介质中的群速色散公式得到；d_laser已经通过CCD拍摄成丝侧向荧光图片测量出来，因此，通过上式可以计算出激光成丝内部的峰值强度。

这样结合前面的讨论结果以及测量数据，就可以得到不同焦距条件下，飞秒激光峰值光强I₀与R₃₉₁/R₃₃₇的关系，采用非线性最小二乘法拟合标定，最终可得飞秒激光峰值光强I₀与氮气荧光光谱R₃₉₁/R₃₃₇的关系对应拟合公式为：

根据关系式(12)，只要测得391nm和337nm的荧光谱线的强度比R，就可以推算出飞秒激光超高峰值光强I₀。

综上所述：本发明的目的是提出一种测量飞秒激光超高峰值功率的方法，从氮气分子荧光辐射机制入手，理论推导337nm和391nm两条氮气荧光谱线强度比与飞秒激光峰值功率的关系，发现对应337nm和391nm的谱线强度比与飞秒激光脉冲的光斑半径和脉冲宽度没有关系，仅取决于激光脉冲峰值功率I₀，最后经最小二乘法曲线拟合得到一个经验公式，通过该公式我们只要测量出337nm和391nm两条谱线的相对强度之比，将其代入经验公式，即可求得飞秒激光的峰值功率，值得指出的是本发明并不限制于通过氮气荧光光谱来测量飞秒激光超高峰值光强，本发明还可以应用于其他气体(如：氧气等)的测量。这项发明技术对许多强场激光物理实验中激光峰值功率的远程测量、远程大气传输以及气体检测等方面都具有很重要的意义。