[发明专利]大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法

说明书

本发明公开了一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法，装置包括设置在脉冲输出端的迈克尔逊干涉仪、二阶自相关仪，示波器，以及用于合束光路校正的近场光阑和远场光路。本发明大大降低了测量装置中所需光学元件的尺寸，而且不需要引入额外的理想参考光或是通过引入额外光学元件来产生理想参考光；首次实现了高峰值功率激光系统输出的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的直接测量，具有调节方便、简单高效，实用性强的特点。

技术领域

本发明是一种基于自参考、二阶互相关技术，测量超强超短激光系统中由一系列透射式扩束系统所引入的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的装置和方法。

背景技术

超强超短激光脉冲与物质相互作用是一个强场作用过程，脉冲远场聚焦强度直接决定激光与物质相互作用效果，而脉冲前沿的径向群延迟是影响聚焦强度的一个至关重要的参数。因此简单、精确地测量出超短超强激光脉冲的径向群延迟，为其补偿做出参考，具有重要意义。

为了避免非线性效应以及光学损伤，高峰值功率激光系统必然伴随着大口径光斑输出。由于反射镜式的扩束系统具有较大的像差，而抛面镜式的扩束系统的价格昂贵，且很难调节。同时考虑到光学元件的损伤阈值问题，目前很多高峰值功率激光系统都采用透射式扩束系统来对激光脉冲进行扩束。然而透镜具有色差，当短脉冲经过透镜时不同频率成分将会产生不同的群速度，从而使脉冲前沿发生径向群延迟。径向群延迟使不同位置处脉冲前沿到达焦点的时间不同，也就是使脉冲远场焦点处时域展宽，从而使聚焦强度下降。早在1988年Z.Bor就发现了径向群延迟效应，并利用光线追迹法计算了脉冲经过扩束系统后所引入的径向群延迟大小。短脉冲经过一透射式准直扩束系统后，任意半径处脉冲前沿相对于光轴处脉冲前沿的延时为

其中，r为任意位置处脉冲前沿到光轴的距离；c为真空中的光速；f₂为扩束系统中第二个透镜的焦距；n和dn/dλ为透镜材料的折射率和色散；λ为待测脉冲的中心波长；M为扩束系统的扩束比。

可见，由透射式扩束系统所引入的脉冲前沿径向群延迟是关于光束半径的二次曲线，且根据透镜的径向对称性，可知扩束系统所引入的径向群延迟也是径向对称分布的。

为了量化分析径向群延迟的影响，很多测量技术已经提出。现有测量方法大致可以分为三类：空间干涉、光谱干涉以及时间相关。它们成功地应用于由透镜、扩束系统所引入的径向群延迟的测量。然而，这并不能直接用于测量高峰值功率激光系统中的径向群延迟，因为这些方法都需要引入额外的具有平面脉冲前沿的参考光，或是通过引入额外的光学元件来产生理想参考光，这些要求大大的限制了此类方法在高峰值功率激光系统中的应用。另外一些基于自参考的测量方法又使用了望远系统，这必然会引入额外的脉冲前沿径向群延迟。而且，在高峰值功率系统中，大口径光学元件的需求也加大了径向群延迟测量的难度与费用。因此，发明一套简单、经济、实用性强的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能够用于超强超短激光系统中由一系列透射式扩束系统所引入的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法，为脉冲前沿径向群延迟的补偿提供了依据，从而能够实现更高强度的激光脉冲输出。该方法克服了现有测量方法中由于理想参考光、所需大尺寸光学元件而带来的局限性，实现了高峰值功率激光系统中大口径超短脉冲径向群延迟的直接测量。操作简单、科学有效，实用性强。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：

一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪、二阶自相关仪和示波器，所述的迈克尔逊干涉仪包括分束片、沿光路依次由第一反射镜、延迟线和第五反射镜组成的一臂和沿光路依次由第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成的另一臂，两路光通过所述的分束片合束，其特征在于，还包括用于该合束光路校正的近场光阑和远场光路；