用于特别是激光辐射的多周期脉冲的快速相位评估的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于特别是激光辐射的多周期脉冲的快速相位评估的 方法和装置。

背景技术

绝对相位被定义为激光脉冲的电场的载波的脉冲包络的最大值与最近 的最大值之间的偏移。绝对相位常常还被称为载波包络相位（CEP）。因而， 这是一个描述任何种类的激光脉冲的电场的精确历程所需的量。CEP起到重 要作用，特别是在脉冲包络具有仅少数光学周期的FWHM（半最大值全宽 度）的激光脉冲（即所谓的周期量级脉冲或单周期脉冲）中，这是因为这些 脉冲的电场具有特别大的依赖于CEP的不对称性。然而，在具有多周期脉 冲的试验中也观察到了CEP依赖性。

自1997年就已经可以产生单周期脉冲（M.Nisoli,S.Stagira,S.De  Silvestri,O.Svelto,S.Sartania,Z.Cheng,M.Lenzner,C.Spielmann,F.Krausz: A novel high energy pulse compression system:Generation of multigigawatt  sub-5-fs pulses,Applied Physics B-Lasers And Optics,1997,Vol.65;189-196 （新型高能脉冲压缩系统：多千兆瓦亚5飞秒脉冲的产生，应用物理学B： 激光与光学，1997年，第65卷，第189至196页））。从此之后，这些激 光脉冲以及它们与物质的相互作用构成了中心兴趣的研究领域并进行了广 泛的研究。

在2001年，在惰性气体的光致电离中直接检测到了绝对相位的作用 （G.G.Paulus,F.Grasbon,H.Walther,P.Villoresi,M.Nisoli,S.Stagira,E. Priori,S.De Silvestri:Absolute-phase phenomena in photoionization with  few-cycle laser pulses,NATURE,2001,Vol.414,182-184（利用周期量级激光 脉冲进行光致电离中的绝对相位现象，自然，2001年，第414卷，第182 至184页））。为此，单周期脉冲的依赖于CEP的不对称性被以在空间上 不对称的光电子的形式观察到。为此，使用了两个相对布置的飞行时间光谱 仪（立体飞行时间光谱仪）。

从此以后，还提出了其他用于CEP测量的装置并且部分地实现了这些 装置。在这些情况下，为了确定激光脉冲的CEP，通常必须在由几百或几千 的激光脉冲引起的作用上求平均值。类似地，这些方法中的大多数方法都只 有在激光脉冲比近似两个光学周期（半宽度）（在激光的800nm的中心波长 处为大约6fs）短时才起作用。（T.M.Fortier,P.A.Roos,D.J.Jones,S.T. Cundiff,R.D.R.Bhat,J.E.Sipe:Carrier-Envelope Phase-Controlled Quantum  Interference of Injected Photocurrents in Semiconductors,Phys.Rev.Letters, 2004,Vol.92,No.14（半导体中的注射光电流的载波包络相位控制的量子干 涉，物理评论快报，2004年，第92卷，第14期）;A.Apolonski,P.Dombi, G.G.Paulus,M.Kakehata,R.Holzwarth,Th.Udem,Ch.Lemell, K.Torizuka,J.T.W.F.Krausz:Observation  of Light-Phase-Sensitive Photoemission from a Metal.Phys.Rev. Letters,2004,Vol.92,No.7（从金属观察光相位敏感的光电发射，物 理评论快报，2004年，第92卷，第7期）;M.Kreβ,T.M.D.Thomson, R.H.Gimpel,K.Zrost,T.Ergler,R.Moshammer,U.Morgner,J. Ullrich,H.G.Roskos:Determination of the carrier-envelope phase of few-cycle  laser pulses with terahertz-emission spectroscopy,Nature Physics Let.,2006,Vol. 2,327-331（利用太赫兹发射光谱仪确定周期量级激光脉冲的载波包络相位， 自然物理快报，2006年，第2卷，第327至331页）;C.A.Haworth,L.E. Chipperfield,J.S.Robinson,P.L.Knight,J.P.Marangos,J.W.G.Tisch: Half-cycle cutoffs in harmonic spectra and robust carrier-envelope phase retrieval, Nature Physics,2007,Vol.3,52-57（谐波光谱中的半周期截止以及强大的载 波包络相位恢复，自然物理学，2007年，第3卷，第52至57页）;G.G.Paulus, F.Lindner,H.Walther,A.Baltuska,E.Goulielmakis,M.Lezius,F.Krausz: Measurement of the phase of few-cycle laser pulses,Phys.Rev.Let.,2003,Vol. 91,Issue 25（周期量级激光脉冲的相位测量，物理评论快报，2003年，第 91卷，第25期））。

在2009年，第一次可以以单脉冲模式（single-shot mode）使用上述立 体时间飞行光谱仪装置高精度地确定单周期脉冲的CEP（T.Wittmann,B. Horvath,W.Helml,M.G.Schatzel,X.Gu,A.L.Cavalieri,G.G.Paulus,R. Kienberger:Single-shot carrier-envelope phase measurement of few-cycle laser  pulses,Nature Physics,2009,Vol.5;357-362（周期量级激光脉冲的单脉冲载 波包络相位测量，自然物理学，2009年，第5卷，第357至362页））。该 装置也只适合于测量半峰持续时间小于8fs的单周期脉冲的CEP。

在2010年，展示了另一种方法，该方法使得能够以所述单脉冲模式测 量具有38fs的脉冲持续时间的超短脉冲的CEP（P.Tzallas,E.Skantzakis,and  D.Charalambidis:Measuring the absolute carrier-envelope phase of many-cycle  laser fields,PHYSICAL REVIEW A 82,061401(R),2010（测量多周期激光场 的绝对载波包络相位，物理学评论A 82，061401（R），2010））。这里， 与惰性气体相互作用地使用具有依赖于时间的极化作用的激光脉冲来产生 位于远紫外范围内的辐射（所谓的高频谐波）。超短脉冲的CEP可以通过 精确测量远紫外辐射的光谱强度来确定。然而，该方法只能以非常高的脉冲 能量（高于50mJ）来实现，从而需要相对昂贵的设备。此外，该方法在数 据传送和CEP计算中涉及到高成本，从而使得脉冲重复率受到限制。因而， 该方法既不能确定CEP或对CEP的任何影响，也不能将CEP测量与其他物 理量的测量实时地相互关联。具体地说，对于非常高脉冲能量的需求使得该 方法仅仅对于提供低脉冲重复率和几十mJ的脉冲能量的激光系统来说才能 作为基础来用于CEP控制或CEP测量与其他物理量测量的实时（CEP标记） 相互关联。

还已经提出了一种用于单周期脉冲的快速相位评估的装置（DE 10 2010  019 814.5），通过该装置，可以基于立体飞行时间光谱仪的原理而显著提高 CEP的确定。该装置使得可以以KHz范围内的重复率对单周期脉冲的CEP 实时地进行单脉冲确定。同时，相当大地降低了CEP测量所需的设备，并 且实现了在低于200mrad的范围内的高精度CEP测量，同时需要在大约10uJ 量级的相对比较适度的脉冲能量。因而，该装置可以用作用于CEP控制或 CEP测量（CEP标记）与其他物理量测量的实时相互关联的基础（A.M.Sayler, Tim Rathje,Walter Müller,Klaus Rühle,R.Kienberger,G.G.Paulus:Precise, real-time,every-single-shot,carrier-envelope phase measurement of ultrashort  laser pulses,OPTICS LETTERS,Vol.36,No.1,2011（超短脉冲的精确、实时、 每次脉冲的载波包络相位测量，光学快报，第36卷第1期，2011）），不过 其对于CEP测量的不利之处在于，在从单周期脉冲向多周期脉冲过度时输 出半径参数r减小，而散射度△r很大程度上保持恒定（A.M.Sayler,Tim  Rathje,W.Müller,Ch.Kürbis,Klaus Rühle,Gero Stibenz,and G.G.Paulus: Real-time pulse length measurement of few-cycle laser pulses using  above-threshold ionization,Optics Express Vol.19,Iss.5,2011,4464-4471（使 用上阈值离子化实时测量周期量级激光脉冲的脉冲长度，光学快报，第19 卷第5期，2011年，4464－4471））。由于CEP测量△的不确定性近似像 △r/r(△～△r/r)一样表现，这对实时CEP确定和单脉冲模式来说导致两个 基本问题：

1）CEP确定的不确定性随着脉冲持续时间而增加，这是因为半径参数 r在增加的脉冲时间时降低，并且△～△r/r同样如此。

2）如果△r达到r的尺寸量级，则CEP测量将不再可行，因为CEP确 定的不确定性将变得过大。极限通常为8fs（在800nm的中央波长处）。

还已知在激光脉冲与物质的相互作用的检查和优化中应用具有极化方 向依赖于时间改变的激光脉冲。极化方向依赖于时间改变的激光脉冲的产生 在所谓的极化选通阶段发生，这可以以各种方式实现。（O.Tcherbakoff,E. Mével,D.Descamps,J.Plumridge,and E.Constant:Time-gated high-order  harmonic generation,PHYSICAL REVIEW A 68,2003,043804（时间选通的高 阶谐波产生，物理学评论A 68,2003,043804）;G.Sansone,E.Benedetti,F. Calegari,C.Vozzi,L.Avaldi,R.Flammini,L.Poletto,P.Villoresi,C.Altucci,R. Velotta,S.Stagira,S.De Silvestri,M.Nisoli:Isolated Single-Cycle Attosecond  Pulses,Science 314,2006,443（孤立单周期阿秒脉冲，科学，314，2006，443）; P.Tzallas,E.Skantzakis,C.Kalpouzous,E.P.Benis,G.D.Tsakiris,D. Charalambidis:Generation of intense continuum extreme-ultraviolet radiation by  many-cycle laser fields,Nature Physics,Vol.3,2007（通过多周期激光场产生强 连续远紫外辐射，自然物理学，第3卷，2007）;P.B.Corkum,N.H.Burnett,M.Y. Ivanov:Subfemtosecond pulses,Optics Letters,Vol.19,No.22,1994（亚飞秒脉 冲，光学快报，第19卷，No.22，1994））。

一个特殊的可能是与一个或若干个布鲁斯特窗组合地使用不同厚度的 不同的双折射石英板（S.Gilbertson,Y.Wu,S.D.Khan,M.Chini,K.Zhao,X. Feng,and Z.Chang:Isolated attosecond pulse generation using multicycle pulses  directly from a laser amplifier,PHYSICAL REVIEW A 81,2010,043810（使用 直接来自激光放大器的多周期脉冲产生孤立阿秒脉冲））。迄今为止，都在 使用这些技术产生阿秒激光脉冲。使用这些技术用于快速CE相位评估是未 知的。

发明内容

本发明的目的是使得能够对激光脉冲（也针对多周期脉冲）进行特别是 实时的快速CE相位评估。

该目的通过一种对特别是激光辐射的多周期脉冲进行快速相位评估的 方法来实现，其中所述激光脉冲均包括至少一个近似线性极化区域和至少一 个非线性极化区域，其中测量所述至少一个近似线性极化区域的各个相位。

在具体情况下，为了产生不同地极化的脉冲区域，从每个线性极化的激 光脉冲产生与原始脉冲部分重叠的至少第二时间延迟的脉冲，以用于线性极 化的激光脉冲的相位评估，其中在均由第一以及相应地相关联的至少第二时 间延迟的脉冲构成的激光脉冲组合当中，重叠的脉冲区域均包括近似线性的 极化，并且该线性极化的相位被测量。

一种用于对特别是激光辐射的多周期脉冲进行快速相位评估的装置包 括用于在相位方面改变待评估的激光脉冲的极化选通级以及连接至该极化 选通级以便测量所改变的激光脉冲的相位位置的相位评估级。

所述极化选通级和所述相位评估级可以由不同的光学和/或电子或计算 装置实现。在从属权利要求中示出了这种装置的实施方式。

当前已知的选择允许仅针对单周期脉冲实时地确定单脉冲模式的CE相 位。相比而言，本发明还允许对多周期脉冲以单脉冲模式高精度地实时确定 CE相位。

附图说明

在下文中，将通过图中所示的示例性实施方式更详细地说明本发明。在 附图中：

图1示出了示意性图示的激光脉冲；

图2示出了示意性图示的激光脉冲，该激光脉冲具有重叠的、时间延迟 的拷贝；

图3示出了激光脉冲的极化；

图4示出了用于超短激光脉冲的快速相位评估的可能布置的方案。激光 脉冲在与气体相互作用之前通过极化选通级以依赖于时间的方式在极化方 向方面发生改变。

具体实施方式

图1示意性地图示了已知激光脉冲1的强度历程。在图2中，相对于第 一激光脉冲1时间延迟的第二激光脉冲2在第一激光脉冲1后面作为第一激 光脉冲1的拷贝以虚线示出，这两个激光脉冲1、2彼此部分重叠。形成了 重叠的激光脉冲3。

该重叠的激光脉冲3在其中央脉冲区域中被线性极化，而在其两个外部 脉冲区域5、6中被椭圆极化。

图3示出了在两个外部脉冲区域5、6中的椭圆极化的历程16。在区域 4中，线性极化仅仅大约两个光学周期。

图4图示了本发明的可选实施方式，该可选实施方式作为用于超短激光 脉冲的快速相位评估的一个装置。对于其极化的依赖于时间的变化来说，激 光脉冲序列7首先碰到极化选通级8，该极化选通级8包括光圈9、石英玻 璃的全波板10、一个或若干个布鲁斯特窗11和最后的零阶四分之一波长板 12。

在极化选通级8内，激光脉冲序列7首先通过可变直径的圆形光圈9， 以手动调节脉冲能量。各个激光脉冲的强度曲线在图1中示出（参见激光脉 冲1）。

在激光脉冲序列7的光路中，石英玻璃的全波板10被布置在光圈9后 面，该全波板相对于线性输入极化以角α＝45°取向，并且产生相同幅度的脉 冲拷贝，这些脉冲拷贝均彼此垂直（参见图2中的激光脉冲1、2），但是仍 具有相互延迟的脉冲中心。所产生的延迟取决于全波板10的厚度l，该厚度 l被选择成使得所产生的延迟对应于超短激光脉冲的中心波长T₀处的周期持 续时间的整数倍。对于大约l₀＝88.6μm（在800nm的中心波长处）的厚度， 将实现精确地为一个周期持续时间的延迟。据此，用于更高阶延迟l＝nl₀的 全波板10的厚度可以通过δ＝nT₀来计算，其中n表示全波板10的阶。所 得到的激光脉冲1、2的脉冲中心之间的延迟由δ＝nT₀来产生。其他角α将 改变脉冲拷贝的幅度之间的比以及它们相对于实验室坐标系的轴x和y的极 化方向。因而，α可以用来将极化方向优化到在DE 10 2010 019 814.5中提 出的装置的轴上。

之后，相互延迟的脉冲拷贝经过超薄布鲁斯特窗11，所述布鲁斯特窗 11根据它们相对于实验室坐标系的竖直轴的取向（以角γ表示）改变水平场 分量，因而改变水平场和竖直场分量之间的比。这致使位于激光脉冲1、2 的重叠区域外部的重叠激光脉冲3的脉冲区域5、6中的椭圆率发生改变。

连续地布置在激光脉冲序列7的光路中的零阶四分一至波长板12的光 轴与实验室坐标系的水平轴一起包封一角β＝0°。这使得水平场分量相对于 竖直场分量之间产生T₀/4的延迟，因而在重叠区域（参考图2和图3中的脉 冲区域4）中产生线性极化。在重叠区域外侧，脉冲拷贝被椭圆极化（参照 图2和图3中的脉冲区域5、6）。

在已经经过极化选通级8之后，激光脉冲序列7的随后产生的重叠的激 光脉冲3被平面镜13反射并由聚焦镜14引导到相位评估级15，以便测量激 光脉冲序列7的改变的激光脉冲的相位位置。优选由DE 10 2010 019 814.5 中提出的装置实现的该相位评估级15输出角度参数θ和半径参数r（参见图 3）。

在离子化过程中重叠的激光脉冲3（其因而包括依赖于时间的极化方向） 与气体的相互作用和具有时间无关性极化方向的激光脉冲的相互作用不同。 仅通过足够恒定的极化方向就有效地产生高能电子。同时，这些高能电子的 产生率具有最高的CEP依赖性。因而，这些对CEP特别敏感的电子专门在 近似恒定的极化方向的时间段期间产生，也就是说，在两个脉冲拷贝的重叠 区域的中心产生。

因此，结果得到了这样的情形，即展示了与单周期脉冲类似的CEP敏 感性。相应地，由极化方向依赖于时间的激光脉冲产生的光电子分布具有能 够与由单周期脉冲产生的光电子分布相当的不对称性。由根据DE 10 2010  019 814.5的已经提出的装置输出的半径参数r因而将是增加的。

由于在近似恒定的散射率Δr时该半径参数r的增加，装置的精度也得 以提高。可用的应用范围因而扩大至持续时间高达大约12fs（在800nm的中 心波长处）的激光脉冲。

作为图3中所示的极化选通级8的另选方案，相同的功能也可以通过干 涉测量装置（未在图中示出）（例如，P.Tzallas,E.Skantzakis,C.Kalpouzous, E.P.Benis,G.D.Tsakiris,D.Charalambidis:Generation of intense continuum  extreme-ultraviolet radiation by many-cycle laser fields,Nature Physics,Vol.3, 2007（通过多周期激光场产生密集连续远紫外辐射，自然物理学，第3卷， 2007））实现，或者还可以通过利用具有略微不同平均频率的相互垂直的线 性极化激光脉冲的节拍的装置（也没有在图中示出）（例如P.B.Corkum,N.H. Burnett,M.Y.Ivanov:Subfemtosecond pulses,Optics Letters,Vol.19,No.22, 1994（亚飞秒脉冲，光学快报，第19卷第22期，1994））实现。

所使用的附图标记的列表

1   －   激光脉冲

2   －   激光脉冲（激光脉冲1的适时偏移拷贝）

3   －   重叠的激光脉冲

4   －   （重叠的激光脉冲3的）中央脉冲区域

5，6－   （重叠的激光脉冲3的）外部脉冲区域

7   －    激光脉冲序列

8   －   极化选通级

9   －   光圈

10  －   全波板

11  －   布鲁斯特窗

12  －   零阶四分之一波长板

13  －   平面镜

14  －   聚焦镜

15  －   相位评估级

16  －   在外部脉冲区域5、6中的椭圆极化的曲线

r   －   由相位评估级15输出的半径参数

θ   －   由相位评估级15输出的角参数