不同角度超短脈沖在靶點的同步精確控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及超短脈沖同步控制方法領域，具體是一種不同角度超短脈沖在靶點的同步精確控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著超高功率超短脈沖技術的發展，目前已經能夠產生飛秒(10 15 S)，拍瓦(1015W)的超短脈沖。超短脈沖技術在物理實驗中，如激光快點火，光參量放大和等離子體背向拉曼放大中都得到了廣泛的應用。在物理實驗中，往往要求多束不同方向的短脈沖同時打靶，對脈沖的同步也提出了非常高的要求，脈沖之間延時要求在I皮秒(10 12 s)以下。
[0003]當前測量短脈沖的同步主要用快速光電二極管，其響應時間為皮秒量級。采用快速光電二極管和高速示波器測量精度極限為10皮秒左右，已經無法滿足目前高能物理實驗對脈沖同步的要求。另一中比較常用的短脈沖同步測量方法為脈沖的譜相干測量法，其主要原理為通過延時脈沖的譜相干圖像獲得脈沖的延時信息。通過這種方法可以使得脈沖同步誤差控制在I PS以下。然而，這種方法主要用于同向脈沖延時的測量，對于逆向或者成一定角度的激光脈沖，非常難以實現脈沖之間的譜相干。此外，在物理打靶實驗中，需要把激光脈沖進行聚焦，譜相干法也無法測量脈沖在革E點的延時。
[0004]所以，當前同步控制技術難以實現不同角度短脈沖在焦點處的同步。
[0005]
【發明內容】
本發明的目的是提供一種不同角度超短脈沖在靶點的同步精確控制方法，以解決現有技術存在的問題。
[0006]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:
不同角度超短脈沖在靶點的同步精確控制方法，其特征在于:
首先將飛秒主激光通過分光鏡進行分束，90%的光通過分光鏡聚焦到靶點擊穿空氣產生等離子體形成等離子體區域，10%的飛秒短脈沖作為診斷光，隨后，診斷光經過一個延遲線后通過等離子體區域對等離子體進行成像，利用成像透鏡、CCD采集圖像，根據等離子體像的有無來判定診斷光與主激光的提前或者落后；
接著調節診斷光的延時，獲得有無等離子體構成的狀態相反的兩幅圖像，然后把診斷光的延時調節到兩幅圖像對應的延時正中間，采集到一副圖像，該圖像與上一步其狀態相反的圖像構成新的有無等離子體兩幅圖像，由于脈沖的延時差總是處于有無等離子體圖像對應的延時差之間，重復上述過程可以逐步縮小脈沖之間的延時差，最終可以把診斷光和主激光的同步差控制在百飛秒量級，采用同樣的方法可以控制診斷光與其它主激光的同步差。
[0007]本發明原理為:當聚焦功率密度達到一定的程度的時候，激光會電離空氣產生等離子體。最初的電離方式為多光子電離，電離功率密度約為113 ff/cm2,多光子電離時間約為皮秒到納秒(10 9 s)之間。進一步提高激光功率密度，會使得空氣產生隧穿電離，電離功率密度高于115 W/cm2，電離時間為幾個激光周期(10 fs左右)，此時，可以認為在脈沖通過的瞬間產生等離子體，通過監測等離子體的狀態就可以實現對脈沖同步的精確控制。當診斷光通過等離子體區域時，由于等離子體的折射率和空氣折射率有一定的差別，在CCD上可以采集到等離子體的像。可以通過CCD上有無等離子體判定診斷光和聚焦激光之間的延時。
[0008]本發明能控制不同角度脈沖的延時，并且具有精確度高，操作簡單等優點，能把脈沖的同步誤差控制在百飛秒量級。
[0009]本發明具有以下優點:
1、能實現不同角度多束超短脈沖的同步精確控制，同步精度能控制到飛秒范圍內。
[0010]2、通過CXD采到等離子體通道的有無來判定和調節脈沖之間的延時，無需另外的數據處理過程，操作實用簡單。
[0011]3、測量中只要診斷光通過等離子體區域即可，能實現物理實驗中脈沖同步的在線控制。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明原理示意圖。
[0013]圖2為本發明方法獲得的診斷光和飛秒主激光I和7之間延時對應的等離子體圖像。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發明包括三個部分:一個部分由飛秒主激光1，45°全反鏡
3.1-3.3，聚焦透鏡，4，聚焦透鏡6，主激光7 (脈寬為飛秒或者皮秒量級)組成，主要作用是通過透鏡把短脈沖1，7聚焦到靶點擊穿空氣產生等離子體；第二部分由分光鏡2，延遲線5，45°全反鏡3.4組成。其中分光鏡2作用為從飛秒主激光I分出一小部分光作為診斷光，延遲線5則對診斷光產生一個可調節的延時；第三部分由成像透鏡8和CXD 9組成，為等離子體的成像系統。
[0015]實施過程如下所示:首先，用光闌擋住主激光7。調整好短脈沖1，45°全反鏡
3.1-3.3和透鏡4，使得飛秒主激光I在靶點擊穿空氣產生等離子體。隨后調整好分光鏡2，讓飛秒主激光I分出一部分光作為診斷光，調整好45°全反鏡3.4使得診斷光通過靶點，接著調整好透鏡8和CXD 9，在CXD 9上采集到靶點的像。如果CXD 9上能采集到等離子體圖像，說明診斷光晚于飛秒主激光I到達靶點，反之說明診斷光早于飛秒主激光I到達靶點。調節延遲線5獲得有無等離子體兩幅圖像，則飛秒主激光I和診斷光延時處于兩幅圖像對應的延時之間。繼續調節診斷光的延時線5，到兩幅圖像對應的延時正中間，觀察此時CCD采集到的圖像。如果有等離子體，則它和上一步沒有等離子體的圖像組成新的兩幅有無等離子體圖像(反之，如果沒有等離子體，則和上一步有等離子體的圖像構成新的圖像組)，這時，診斷光與飛秒主激光I的延時應處于新圖像組對應的延時之間。重復上述步驟，直到最后的兩幅圖像之間的延時差足夠小而滿足同步精度的要求。接下來為調節診斷光和主激光7之間的同步，方法同前面一致，不同的是這時以診斷光為基準，調節主激光7的延時。這時候需要擋住飛秒主激光1，而讓主激光7在靶點產生等離子體，同樣通過獲得有無等離子體兩幅圖像對應延時來確定診斷光與主激光之間的延時。當圖像的延時差小到滿足同步精度要求是即達到目標。這樣，以診斷光為標準，可以實現多束不同角度主激光同步的精確控制。
[0016]圖2給出了用本發明方法獲得的診斷光和飛秒主激光I之間延時對應的等離子體圖像，它們對應的延時差為0.7 ps (a、b)，說明診斷光和飛秒主激光之間的延時差小于0.7PS0同時，獲得了診斷光和主激光7對應的兩幅等離子體圖像，它們對應的延時差為0.5 ps(c、d)，說明診斷光和飛秒短脈沖之間的延時差小于0.5 pso
[0017]下面是本發明實施例的具體參數:
1、飛秒主激光I波長為800 nm，脈寬為30 fs，能量為5_10 mj，聚焦之前光束直徑約為10 mm0
[0018]2、分光鏡2的分光比例約為9:1，90%的光通過分光鏡作為產生等離子體的主激光，10%的光由分光鏡反射作為診斷光。
[0019]3、45°反射鏡對3.1-3.4對800 nm激光全反。延遲線5包含一個移動導軌和兩個45°全反鏡，導軌的量程為10 mm，調節精度為0.02 mm，對應延時約為70 fSo
[0020]4、聚焦透鏡4、6焦距約為50-200 mm,透鏡8焦距不限。
[0021]5、主激光7波長不限，傳播方向不限，脈寬30 fs到100 ps之間，能量10 mj到40
J0
[0022]6、CCD 9能對800 nm激光感應。
【主權項】
1.不同角度超短脈沖在靶點的同步精確控制方法，其特征在于: 首先將飛秒主激光通過分光鏡進行分束，90%的光通過分光鏡聚焦到靶點擊穿空氣產生等離子體形成等離子體區域，10%的飛秒短脈沖作為診斷光，隨后，診斷光經過一個延遲后通過等離子體區域對等離子體進行成像，利用成像透鏡、CCD采集圖像，根據等離子體像的有無來判定診斷光與主激光的提前或者落后； 接著調節診斷光的延時，獲得有無等離子體構成的狀態相反的兩幅圖像，然后把診斷光的延時調節到兩幅圖像對應的延時正中間，采集到一副圖像，該圖像與上一步與其狀態相反的圖像構成新的有無等離子體兩幅新圖像，由于脈沖的延時差總是處于有無等離子體圖像對應的延時差之間，重復上述過程可以逐步縮小脈沖之間的延時差，最終可以把診斷光和主激光的同步差控制在百飛秒量級，采用同樣的方法可以控制診斷光與其它主激光的同步差D
【專利摘要】本發明公開了一種不同角度超短脈沖在靶點的同步精確控制方法，用飛秒主激光和其它主激光產生等離子體，通過診斷光對等離子體成像來測量脈沖的同步。本發明能控制不同角度脈沖的延時，并且具有精確度高，操作簡單等優點，能把脈沖的同步誤差控制在百飛秒量級。
【IPC分類】H01S3/11
【公開號】CN105024270
【申請號】CN201510416830
【發明人】吳朝輝, 左言磊, 周凱南, 魏曉峰, 焦志宏
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月16日