一种飞行焦点移动速度的精确测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种飞行焦点移动速度的精确测量装置，属于等离子体光学与测量学领域，包括第一光路和第二光路，其中，所述第一光路上依次设置有光栅对（3）和色差透镜或菲涅尔透镜（4），所述第二光路上依次设置有延时调节模块（2）和消色差透镜（5）；还公开了采用上述装置进行飞行焦点移动速度测量的方法，采用本发明专利技术的方法，飞行焦点移动速度测量的精确度可以远超传统条纹相机方法，理论上最高可达到十飞秒量级，并且，本发明专利技术的方法也能够实现对于电离激光的脉宽在在百飞秒量级时飞行焦点移动速度的测量，从而使飞行焦点的速度与目标激光或种子光的速度相匹配，使飞行焦点技术能够得到更广泛的应用。更广泛的应用。更广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行焦点移动速度的精确测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及等离子体光学与测量学领域，尤其涉及一种飞行焦点移动速度的精确测量装置及方法。

技术介绍

[0002]激光的飞行焦点，是一种宽带激光被色差透镜或菲涅尔透镜聚焦时产生的奇特现象。如图1所示，一束具有一定啁啾率的宽带激光6被一块色差透镜或菲涅尔透镜4聚焦时，由于色差效应，焦点将成为一条焦线，不同频率的激光将聚焦在焦线前后的不同位置，即图中的透镜的焦点区域7。设频率为ω的激光聚焦到l(ω)处，则从透镜到达焦点需要的时间为l(ω)/c，由于激光具有一定的啁啾率C，不同频率的激光到达透镜的时间τ(ω)ω/C不同，因此不同频率的激光将耗费不同的时间间隔在不同的位置聚焦，焦点看起来就像是具有了一定的“飞行速度”：v= l(ω)/( l(ω)/c+τ(ω))。对于正色散材料的透镜，当激光初始啁啾为负值时，焦点的飞行速度为(0,c)，当激光初始啁啾为正值时，焦点的飞行速度为(
‑
∞,
‑
c)∪(c,+ ∞)。
[0003]飞行焦点技术具有很多极具潜力的应用价值，例如在电离升频技术中，通过让目标激光跟随在主激光产生的飞行焦点后面移动，同时主激光的飞行焦点持续电离气体生成梯度等离子体，可以让目标激光在很长的一段长度内持续得到升频。又如在基于等离子体的后向拉曼放大技术中，用泵浦光在种子光前沿持续产生飞行焦点，可以让种子光一直遇到“新鲜”的等离子体从而得到放大，有效的避免了其它有害不稳定性的干扰。
[0004]将飞行焦点技术变为一项实用技术的前提条件是能够精确测量飞行焦点的移动速度，使飞行焦点的速度与目标激光或种子光的速度相匹配。
[0005]但是，目前测量飞行焦点速度的唯一方法是通过条纹相机拍照测量。其具体方法是：使用皮秒级条纹相机每间隔～5ps对焦点区域拍照一次，通过高分辨率图像确定焦点的位置，就可以计算出飞行焦点的移动速度。由于产生飞行焦点的啁啾激光的脉宽通常在～10ps量级，条纹相机在此范围内只能采集3～5个点的数据，若调节啁啾率（等价于调节焦点的移动速度）使得电离激光的脉宽在在百飞秒量级（这常常是必要的，因为许多应用希望飞行焦点的速度达到光速量级），则条纹相机将完全无法使用，可见目前的条纹相机方法只能得到飞行焦点移动速度的一个十分粗略的测量结果。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一，就在于提供一种飞行焦点移动速度的精确测量方法，以解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种飞行焦点移动速度的精确测量装置，包括第一光路和第二光路，其中，所述第一光路上依次设置有光栅对和色差透镜或菲涅尔透镜，所述第二光路上依次设置有延时调节模块和消色差透镜。
[0007]作为优选的技术方案：还包括激光器和分光镜，所述激光器和分光镜依次设置于
第一光路和第二光路的起始端。
[0008]作为优选的技术方案：所述延时调节模块由三块反射镜构成，通过角度设计使光束折返通过该模块，调节右侧两块反射镜相对于左侧反射镜的垂直距离从而调节第二光路的延时。
[0009]本专利技术的目的之二，在于提供一种采用上述的装置进行飞行焦点移动速度精确测量的方法，采用的技术方案包括下述步骤：（1）将一束激光即主激光通过光栅对引入与飞行焦点移动速度相匹配的啁啾，再通过色差透镜或菲涅尔透镜聚焦到气体中；（2）将另一束激光即诊断光依次通过延时调节模块和消色差透镜从另一方向即第二光路聚焦到气体中；（3）调节所述诊断光的延时调节模块和消色差透镜的前后位置，使得所述主激光和诊断光的焦点在时空上重合；（4）再次移动消色差透镜的前后位置，调节诊断光的延时调节模块直到所述主激光和诊断光的焦点在时空上重新重合；（5）记录消色差透镜的移动距离和相应的延时，移动多个点进行测量，计算出飞行焦点的移动速度。
[0010]本专利技术采用飞行焦点与诊断光焦点的干涉电离实现两个焦点的时空同步，通过测量飞行焦点不同位置的时间差和距离差，从而达到精确测量飞行焦点的移动速度的目的。
[0011]具体测量原理为：首先将一束具有啁啾的激光（即主激光）通过色差透镜聚焦在气体中，形成焦线上的飞行焦点；通过激光器的操控软件调节主激光的强弱（主激光强弱的调节属于现有技术）使得主激光的强度刚好超过电离阈值，这时焦点位置将产生微弱的闪光和爆鸣声，表明有一小部分气体发生了电离；这时将另一束激光（即诊断光，可以通过将主激光分光产生）通过消色差透镜从另一方向聚焦到气体中，由于使用了消色差透镜，诊断光的焦点长度远小于主激光；调节诊断光的延时和消色差透镜的前后位置，可以使得两束激光的焦点在时空上重合，这时在焦点上两束光干涉相长的区域，激光强度变为原来的四倍，由于电离概率与激光强度成指数关系，干涉相长的区域内电离概率可以变为原来的exp(4)倍，这时焦点将产生明亮的闪光和剧烈的爆鸣声，通过目视或CCD照相的方法即可确定焦点在时空上重合；当调节重合完成后，移动消色差透镜的前后位置，使得诊断光的焦点前后移动，与主激光另一频率的焦点在空间上重合；这时由于主激光不同频率成分到达焦点的时间不同，两个焦点在时间上并不重合，不产生强烈的干涉现象；调节诊断光的延时模块使得两个焦点在时间上也达到重合，这时焦点重新产生明亮的闪光和剧烈的爆鸣声，说明两个焦点在时间上也达到了重合；记录消色差透镜的前后位置和相应的诊断光的延时，移动多个点进行测量，即可计算出飞行焦点的移动速度。
[0012]特别地，如果在移动消色差透镜的前后位置时不需要调节延时即可一直观测到干涉现象，则说明飞行焦点的移动速度为
‑
c。
[0013]本专利技术的分辨率取决于诊断光的脉宽，比如若诊断光的脉宽为三十飞秒，则分辨
率即为三十飞秒，相同条件下远高于条纹相机七皮秒的分辨率。在实际操作中，受限于焦点不能连续移动，而只能以平移台的分辨率步进移动，因此测量方法的精度取决于安装消色差透镜和延时模块的平移台的分辨率，但仍远高于条纹相机方法。若使用商用的整步分辨率为0.02mm的精密电动平移台来调节消色差透镜和延时模块的位置，那么在3
‑
5mm的焦线长度范围内就可以测量150
‑
250个点，测出的飞行焦点移动速度的精确度远高于现有条纹相机方法（仅能测量3
‑
5个点），即使采用普通的平移台来调节消色差透镜和延时模块的位置，在3
‑
5mm的焦线长度范围内也可以测量20
‑
33个点。当飞行焦点的移动速度接近光速时，主激光的脉宽在百飞秒量级，这时通过本专利技术的方法仍能测量2
‑
3个点，而条纹相机方法已无法测量。如果使用精度更高的显微镜电动位移台（整步分辨率在μm量级），则我们方法的测量精度还能提高一个量级。
[0014]作为优选的技术方案：所述主激光和诊断光由激光器通过分光镜分光产生。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：采用本专利技术的方法，飞行焦点移动速度测量的精确度可以远超传统条纹相机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行焦点移动速度的精确测量装置，其特征在于：包括第一光路和第二光路，其中，所述第一光路上依次设置有光栅对（3）和色差透镜或菲涅尔透镜（4），所述第二光路上依次设置有延时调节模块（2）和消色差透镜（5）。2.根据权利要求1所述的一种飞行焦点移动速度的精确测量装置，其特征在于：还包括激光器（1）和分光镜（8），所述激光器（1）和分光镜（8）依次设置于第一光路和第二光路的起始端。3.根据权利要求1所述的一种飞行焦点移动速度的精确测量装置，其特征在于：所述延时调节模块（2）由三块反射镜构成，通过角度设计使光束折返通过该模块，调节右侧两块反射镜相对于左侧反射镜的垂直距离从而调节第二光路的延时。4.采用权利要求1的装置进行飞行焦点移动速度精确测量的方法，其特征在于，包括下述步骤：（1）...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钊历，吴朝辉，左言磊，曾小明，王晓东，王逍，母杰，胡必龙，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：