不同角度超短脉冲在靶点的同步精确控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及超短脉冲同步控制方法领域，具体是一种不同角度超短脉冲在靶点的同步精确控制方法。
【背景技术】
[0002]随着超高功率超短脉冲技术的发展，目前已经能够产生飞秒(10 15 S)，拍瓦(1015W)的超短脉冲。超短脉冲技术在物理实验中，如激光快点火，光参量放大和等离子体背向拉曼放大中都得到了广泛的应用。在物理实验中，往往要求多束不同方向的短脉冲同时打靶，对脉冲的同步也提出了非常高的要求，脉冲之间延时要求在I皮秒(10 12 s)以下。
[0003]当前测量短脉冲的同步主要用快速光电二极管，其响应时间为皮秒量级。采用快速光电二极管和高速示波器测量精度极限为10皮秒左右，已经无法满足目前高能物理实验对脉冲同步的要求。另一中比较常用的短脉冲同步测量方法为脉冲的谱相干测量法，其主要原理为通过延时脉冲的谱相干图像获得脉冲的延时信息。通过这种方法可以使得脉冲同步误差控制在I PS以下。然而，这种方法主要用于同向脉冲延时的测量，对于逆向或者成一定角度的激光脉冲，非常难以实现脉冲之间的谱相干。此外，在物理打靶实验中，需要把激光脉冲进行聚焦，谱相干法也无法测量脉冲在革E点的延时。
[0004]所以，当前同步控制技术难以实现不同角度短脉冲在焦点处的同步。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种不同角度超短脉冲在靶点的同步精确控制方法，以解决现有技术存在的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
不同角度超短脉冲在靶点的同步精确控制方法，其特征在于:
首先将飞秒主激光通过分光镜进行分束，90%的光通过分光镜聚焦到靶点击穿空气产生等离子体形成等离子体区域，10%的飞秒短脉冲作为诊断光，随后，诊断光经过一个延迟线后通过等离子体区域对等离子体进行成像，利用成像透镜、CCD采集图像，根据等离子体像的有无来判定诊断光与主激光的提前或者落后；
接着调节诊断光的延时，获得有无等离子体构成的状态相反的两幅图像，然后把诊断光的延时调节到两幅图像对应的延时正中间，采集到一副图像，该图像与上一步其状态相反的图像构成新的有无等离子体两幅图像，由于脉冲的延时差总是处于有无等离子体图像对应的延时差之间，重复上述过程可以逐步缩小脉冲之间的延时差，最终可以把诊断光和主激光的同步差控制在百飞秒量级，采用同样的方法可以控制诊断光与其它主激光的同步差。
[0007]本发明原理为:当聚焦功率密度达到一定的程度的时候，激光会电离空气产生等离子体。最初的电离方式为多光子电离，电离功率密度约为113 ff/cm2,多光子电离时间约为皮秒到纳秒(10 9 s)之间。进一步提高激光功率密度，会使得空气产生隧穿电离，电离功率密度高于115 W/cm2，电离时间为几个激光周期(10 fs左右)，此时，可以认为在脉冲通过的瞬间产生等离子体，通过监测等离子体的状态就可以实现对脉冲同步的精确控制。当诊断光通过等离子体区域时，由于等离子体的折射率和空气折射率有一定的差别，在CCD上可以采集到等离子体的像。可以通过CCD上有无等离子体判定诊断光和聚焦激光之间的延时。
[0008]本发明能控制不同角度脉冲的延时，并且具有精确度高，操作简单等优点，能把脉冲的同步误差控制在百飞秒量级。
[0009]本发明具有以下优点:
1、能实现不同角度多束超短脉冲的同步精确控制，同步精度能控制到飞秒范围内。
[0010]2、通过CXD采到等离子体通道的有无来判定和调节脉冲之间的延时，无需另外的数据处理过程，操作实用简单。
[0011]3、测量中只要诊断光通过等离子体区域即可，能实现物理实验中脉冲同步的在线控制。
【附图说明】
[0012]图1为本发明原理示意图。
[0013]图2为本发明方法获得的诊断光和飞秒主激光I和7之间延时对应的等离子体图像。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，本发明包括三个部分:一个部分由飞秒主激光1，45°全反镜
3.1-3.3，聚焦透镜，4，聚焦透镜6，主激光7 (脉宽为飞秒或者皮秒量级)组成，主要作用是通过透镜把短脉冲1，7聚焦到靶点击穿空气产生等离子体；第二部分由分光镜2，延迟线5，45°全反镜3.4组成。其中分光镜2作用为从飞秒主激光I分出一小部分光作为诊断光，延迟线5则对诊断光产生一个可调节的延时；第三部分由成像透镜8和CXD 9组成，为等离子体的成像系统。
[0015]实施过程如下所示:首先，用光阑挡住主激光7。调整好短脉冲1，45°全反镜
3.1-3.3和透镜4，使得飞秒主激光I在靶点击穿空气产生等离子体。随后调整好分光镜2，让飞秒主激光I分出一部分光作为诊断光，调整好45°全反镜3.4使得诊断光通过靶点，接着调整好透镜8和CXD 9，在CXD 9上采集到靶点的像。如果CXD 9上能采集到等离子体图像，说明诊断光晚于飞秒主激光I到达靶点，反之说明诊断光早于飞秒主激光I到达靶点。调节延迟线5获得有无等离子体两幅图像，则飞秒主激光I和诊断光延时处于两幅图像对应的延时之间。继续调节诊断光的延时线5，到两幅图像对应的延时正中间，观察此时CCD采集到的图像。如果有等离子体，则它和上一步没有等离子体的图像组成新的两幅有无等离子体图像(反之，如果没有等离子体，则和上一步有等离子体的图像构成新的图像组)，这时，诊断光与飞秒主激光I的延时应处于新图像组对应的延时之间。重复上述步骤，直到最后的两幅图像之间的延时差足够小而满足同步精度的要求。接下来为调节诊断光和主激光7之间的同步，方法同前面一致，不同的是这时以诊断光为基准，调节主激光7的延时。这时候需要挡住飞秒主激光1，而让主激光7在靶点产生等离子体，同样通过获得有无等离子体两幅图像对应延时来确定诊断光与主激光之间的延时。当图像的延时差小到满足同步精度要求是即达到目标。这样，以诊断光为标准，可以实现多束不同角度主激光同步的精确控制。
[0016]图2给出了用本发明方法获得的诊断光和飞秒主激光I之间延时对应的等离子体图像，它们对应的延时差为0.7 ps (a、b)，说明诊断光和飞秒主激光之间的延时差小于0.7PS0同时，获得了诊断光和主激光7对应的两幅等离子体图像，它们对应的延时差为0.5 ps(c、d)，说明诊断光和飞秒短脉冲之间的延时差小于0.5 pso
[0017]下面是本发明实施例的具体参数:
1、飞秒主激光I波长为800 nm，脉宽为30 fs，能量为5_10 mj，聚焦之前光束直径约为10 mm0
[0018]2、分光镜2的分光比例约为9:1，90%的光通过分光镜作为产生等离子体的主激光，10%的光由分光镜反射作为诊断光。
[0019]3、45°反射镜对3.1-3.4对800 nm激光全反。延迟线5包含一个移动导轨和两个45°全反镜，导轨的量程为10 mm，调节精度为0.02 mm，对应延时约为70 fSo
[0020]4、聚焦透镜4、6焦距约为50-200 mm,透镜8焦距不限。
[0021]5、主激光7波长不限，传播方向不限，脉宽30 fs到100 ps之间，能量10 mj到40
J0
[0022]6、CCD 9能对800 nm激光感应。
【主权项】
1.不同角度超短脉冲在靶点的同步精确控制方法，其特征在于: 首先将飞秒主激光通过分光镜进行分束，90%的光通过分光镜聚焦到靶点击穿空气产生等离子体形成等离子体区域，10%的飞秒短脉冲作为诊断光，随后，诊断光经过一个延迟后通过等离子体区域对等离子体进行成像，利用成像透镜、CCD采集图像，根据等离子体像的有无来判定诊断光与主激光的提前或者落后； 接着调节诊断光的延时，获得有无等离子体构成的状态相反的两幅图像，然后把诊断光的延时调节到两幅图像对应的延时正中间，采集到一副图像，该图像与上一步与其状态相反的图像构成新的有无等离子体两幅新图像，由于脉冲的延时差总是处于有无等离子体图像对应的延时差之间，重复上述过程可以逐步缩小脉冲之间的延时差，最终可以把诊断光和主激光的同步差控制在百飞秒量级，采用同样的方法可以控制诊断光与其它主激光的同步差D
【专利摘要】本发明公开了一种不同角度超短脉冲在靶点的同步精确控制方法，用飞秒主激光和其它主激光产生等离子体，通过诊断光对等离子体成像来测量脉冲的同步。本发明能控制不同角度脉冲的延时，并且具有精确度高，操作简单等优点，能把脉冲的同步误差控制在百飞秒量级。
【IPC分类】H01S3/11
【公开号】CN105024270
【申请号】CN201510416830
【发明人】吴朝辉, 左言磊, 周凯南, 魏晓峰, 焦志宏
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年7月16日