一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，其特征在于包括一光栅对，在该光栅对的输出光路上，依次设有半波片、分束片、偏振片、衍射透镜和面阵ＣＣＤ光谱仪，一聚焦透镜位于所述分束片的一侧并平行于光栅对的输出光路，使垂直于该聚焦透镜的驱动光束经分光片反射的反射光束与透过分束片的探测光束共线。本发明专利技术的信号强度直接依赖于相位移动的大小，测量的灵敏度很高，可以测量微小的相位随时间的变化过程。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞秒时间分辨测量仪。特别是一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪。
技术介绍
超短脉冲激光在与物质相互作用过程中会产生许多快速(亚皮秒级)的物理过程如激光在与气体、团簇以及固体的相互作用过程中，原子的电离过程、等离子体中电子密度的演化、冲击波的发展过程、激光引起物质结构的变化如自相位调制、克尔效应以及激光引起THZ的产生等等。对这些快速的物理过程进行时间分辨的诊断测量一直是人们非常感兴趣的课题和追求的目标，并且对研究激光与物质相互作用机制来说至关重要。由于目前超短激光技术的飞速发展，激光的功率越来越高，脉宽越来越短，激光在与物质相互作用过程中很多快速的物理过程在时间上演变的尺度已经从传统意义上的快速过程(皮秒量级)缩短到几百飞秒、几十飞秒甚至已经到阿秒量级，传统的测量手段如条纹相机、分幅相机等只能在皮秒、纳秒的时间尺度上对慢速变化(＞1ps)的物理过程进行诊断测量，而且测量系统非常复杂，价格非常昂贵。而对于亚皮秒量级超快动力学过程的诊断，人们正在寻求并已经发展了多种飞秒时间分辨的诊断技术，如频率分辨光快门(FROGFrequency Resolved OpticalGating)、多脉冲干涉频率分辨光快门(MI-FROGMultipulseInterferometric FROG)、直接光场重构的频谱相位干涉仪(SPIDERSpectral Phase Interferometry for Direct Electric fieldReconstruction)、Pump-Probe技术以及啁啾频谱干涉仪等，见Craig W.Siders，George Rodriguez，Jennifer L.W.Siders，FiorenzoG.Omenetto，and Antoinette J.Taylor，“Measurement of UltrafastIonization Dynamics of Gases by Multipulse InterferometricFrequency-Resolved Optical Gating”，Phys.Rev.Lett.Vol.87，263002，(2001).和K.Y.Kim，I.Alexeev，E.Parra，and H.M.Milchberg，“Time-Resolved Explosion of Intense-Laser-HeatedClusters”，Phys.Rev.Lett.Vol.90，023401，(2002)。FROG、MI-FROG以及SPIDER一般用来测量激光的脉冲波形和频谱相位；Pump-Probe技术由于要采用序列延时的方法，因而不能进行实时的在线测量。由于超短脉冲激光本身有很宽的频谱，通过啁啾技术可以将不同的频率成分在时域进行调制获得一很好的线性啁啾脉冲，使得激光的时域信息能够在频域得到体现。利用超短脉冲具有宽频谱这一特点，采用频谱干涉或是调制的方法，可以对一些快速的物理过程如原子的电离过程、冲击波的演化、激光烧蚀材料表面形貌的演化、以及激光产生的THZ脉宽等等进行高时间分辨的实时测量。由于这种方法只需单次测量，因此可以进行实时地在线测量。对于干涉的方法，由于要观察干涉条纹的扭曲，可觉察的条纹扭曲量一般要大于八分之一个条纹间隔，见Hui Yang，JieZhang，Yingjun Li，Jun Zhang，Yutong Li，Zhenglin Chen，Hao Teng，Zhiyi Wei，and Zhengming Sheng，“Characteristics of self-guidedlaser plasma channels generated by femtosecond laser pulses inair”，Phys.Rev.E Vol.66，016406，(2002)。因此测量的灵敏度受到限制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服上述现有技术的限制，提供一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，该仪器的信号强度直接依赖于相位移动的大小，测量的灵敏度很高，可以测量微小的相位随时间的变化过程。本专利技术的技术解决方案如下一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，其特征在于包括一光栅对，在该光栅对的输出光路上，依次设有半波片、分束片、偏振片、衍射透镜和面阵CCD光谱仪，一聚焦透镜位于所述分束片的一侧并平行于光栅对的输出光路，使垂直于该聚焦透镜的驱动光束经分光片反射的反射光束与透过分束片的探测光束共线。一束超短脉冲激光(几十飞秒到几百飞秒但频谱宽度较宽略为几十个纳米或更宽)经过分束片后有两束激光，其中一束作为泵浦光束，占有大部分的激光能量，通过透镜聚焦，用来驱动激光等离子体的产生或是在材料中引起非线性效应的产生，物质结构发生微小的变化从而引起折射率的变化等。在这里，我们以等离子体通道为例，利用激光驱动在空气中产生等离子体通道。另外一束较小能量的激光作为探测光束。在我们的设计中，探测光束经过光栅对展宽成一线性啁啾脉冲，并利用半波片旋转使探测光的偏振方向与驱动激光的偏振方向垂直，然后透过该分束片与泵浦光束共线传输，穿过等离子体，由于等离子体的折射率与周围介质的折射率不同，因此对探测激光波前的局部区域会引起相移的变化。此后通过偏振片取出探测光束，探测光束在自由空间传播并经过一透镜衍射在一段距离后的观测屏上会产生衍射条纹。在观测屏的位置，我们用一光栅谱仪记录衍射条纹在频谱上的变化过程，就可以重构相移在时域随时间的瞬态变化过程，达到飞秒时间分辨测量的目的。我们推导出了相位重构的解析方法，这可以描述如下如图2所示是探测光衍射传播的示意图。探测激光波形可以认为在时间和空间上都是高斯分布，在时域探测光束展宽为一线性啁啾脉冲。在经过等离子体区后探测激光的光场振幅可以写为U0(r，t)＝exp(-ar2)×exp(-jφ(r，t))exp(-Tt2+j(ω0t+bt2))(1)2b是探测激光的啁啾系数，ω0是探测激光的中心频率。a和T分别与探测激光的腰斑尺寸和脉宽有关。等离子体区引起的相移随时间的变化可以表示为 rc(t)是等离子体通道的半径，φ0(t)是等离子体区对探测光波前引起的相移随时间的变化过程。根据光的传播衍射定理，探测光在经过一透镜后在传播一段距离d1处的光场可以用菲涅尔积分表示U2(x，y，t)∝U(x，y，t)＝∫∫∫∫U0(ξ，η，t)exp(-jβ(ξ′2+η′2))exp(ja0×(3)exp(ja1dξdηdξ′dη′其中a0=π/λd0,a1=π/λd1,β=π/λf,]]>d0是等离子体区与透镜之间的距离，如图2示。d1是透镜与探测器CCD之间的距离。坐标(ξ，η)，(ξ′，η′)，(x，y)分别代表物平面、透镜平面和探测平面的坐标。通过公式推导可以计算在频域衍射条纹随光谱的强度分布 其中A0=πλd1(1-11+d0d1-fd1),A1=πλd0(1-11+d1d0-fd0),A2=2π&la本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种啁啾脉冲纵向衍射干涉仪，其特征在于包括一光栅对（２），在该光栅对（２）的输出光路上，依次设有半波片（３）、分束片（４）、偏振片（８）、衍射透镜（９）和面阵ＣＣＤ光谱仪（１０），一聚焦透镜（６）位于该分束片（４）一侧并平行于光栅对（２）的输出光路，使垂直于该聚焦透镜（６）的驱动光束（５）经分光片（４）反射的反射光束与透过分束片（４）的探测光束（１）共线。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘建胜，段作梁，曾志勇，李儒新，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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