[发明专利]飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法

说明书

一种飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法，该装置中飞秒激光经过两块分束片分成三束光，分别作为泵浦光，第一探测光P1，第二探测光P2。泵浦光在气腔中成丝形成等离子体通道，第一探测光P1经过等离子体通道作为等离子体引入变化量的载体，再由第二探测光P2通过互相关测量观测出变化量的数值从而反推出等离子体密度。其次通过侧向荧光分布解决等离子体纵向分布不均匀问题。本发明具有时间分辨能力高、调节方便和测量精确的特点。

技术领域

本发明涉及强场激光等离子体，特别是一种飞秒激光成丝等离子密度的测量装置和测量方法。

背景技术

飞秒激光聚焦到气体介质中，随着聚焦光斑的减小，光密度逐渐增强会使气体发生电离产生等离子体，高密度等离子体又会引入等离子体散焦效应，这样克尔自聚焦与等离子体散焦达到动态平衡就会形成长丝(可参阅文献A.Braun,et al Opt.Lett.20,73,1995)。人们在研究飞秒激光与气体相互作用时，观测到了等离子体通道中的许多物理现象，如：多丝现象，超连续谱的产生，锥形辐射等等，因此对等离子体特性进行诊断可以获得更多的物理信息。但通常飞秒光诱导的等离子体“存活”的时间短，通道周围光强大，温度高，体积小，不稳定，空间分布不均匀，因此很难采用常规的方法进行测量。目前实验上对激光等离子体密度诊断主要采用激光探针干涉法，即通过分析等离子体调制后的相移信息，反推出等离子体密度信息，但通常这些测量方法忽略了等离子体空间分布的不均匀，且受限于激光的相干长度而造成低的时间分辨能力。

发明内容

本发明旨在提供一种飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法。该装置能更精确，具有更高的时间分辨率测量等离子体密度，解决了成丝中等离子体纵向分布不均匀性引入的测量误差问题。

本发明技术解决的基本思想是：

飞秒激光在气体中成丝后形成的等离子体通道的折射率与原气体的折射率不同，利用一束超快探测光经过待测的等离子体可以感应出其变化量，再利用另一束超快探测光结合互相关测量方法测出对应的改变量，从而根据公式反演出等离子体密度。其中通过侧向荧光分布观测来解决等离子体通道存在的纵向分布不均匀问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光成丝等离子体密度的测量装置，其特点是：飞秒激光经过第一分束片，将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光，在所述泵浦光路依次放置第一合束镜，聚焦透镜，气腔，准直透镜，第一滤波片，所述探测光经过第二分束片分为第一探测光和第二探测光，在所述第一探测光光路依次放置第一延时线，倍频晶体，第二滤波片，缩束系统，然后与所述泵浦光共线入射到所述气腔中，在所述第二探测光依次放置反射镜，第二延时线，然后与所述探测光经第二合束镜，和频晶体，光栅光谱仪进行互相关测量。其中所述缩束系统由一块凸透镜和一块凹透镜组合而成，所述两个延时线均是由两块反射镜90°放置并置于可移动平台上构成。等离子体通道的侧向荧光测量装置，在等离子体通道侧向放置成像透镜，光纤光谱仪系统，观测其侧向荧光分布，所述光纤光谱仪系统由光纤连接光纤光谱仪主机，将光纤装于光纤支架，并将光纤支架置于可移动平台上构成。

利用上述的装置进行等离子体密度测量，包括下列步骤：

①开启飞秒激光器，调整光路，使所述的飞秒激光在所述的气腔中成丝，形成等离子体通道；

②调节所述第一合束镜及移动所述的第一延时线，通过观察等离子体衍射效应判断所述泵浦光和第一探测光在空间和时间上重合；

③移动所述的第二延时线使输入第二合束镜的第一探测光和第二探测光在时间上重合，再优化所述的和频晶体，使所述第一探测光和第二探测光在和频晶体满足最佳相位匹配，此时和频信号最强，并记录所述的第二延时线的位置x₁；

④使用第一光学挡板挡住所述泵浦光，重复步骤③，记录所述第二延时线的位置x₂，得出等离子体引入的时间差