脉冲激光频域干涉技术在泵浦探测实验中的应用

　　0 引 言

　　研究材料在飞秒脉冲激光作用下的冲击动力学性质，需要精确测量材料在飞秒脉冲激光作用下的冲击波速度和波后粒子速度[1]，以获取材料在高压、高应变率冲击加载状态下的状态方程、熔化规律等[2]。目前常采用泵浦-探测实验方法测量靶材在飞秒脉冲激光作用下的冲击动力学参数[3-5]，泵浦-探测实验方式是将一束强脉冲分成两束，第一束脉冲用来驱动待测材料产生冲击压缩，第二束脉冲则用来探测第一束脉冲作用后待测材料在某一时刻的冲击动力学参数，并采用光路延迟器改变泵浦脉冲和探测脉冲之间的传输时间差以获得冲击动力学参数随时间的变化过程。由于待测靶的厚度通常只有几百纳米至几个微米，冲击波在靶材内的传播时间一般只有几个皮秒至几百个皮秒，因此如何精确计算泵浦脉冲和探测脉冲到达待测靶的时间差[6]是飞秒激光泵浦-探测实验的关键问题之一。另外，为了得到产生冲击波的零时刻，需要精确同步泵浦脉冲和探测脉冲到达待测靶的时刻。以往常采用测量泵浦光路和探测光路传输光程的方法得到探测脉冲和泵浦脉冲的传输时间差，受光路结构及光斑尺寸的影响，这种方法的测量精度只能达到几个毫米，而激光脉冲传输几个毫米的时间约为几十皮秒，与冲击波在待测靶材中的传输时间相当，因此采用测量光程差的方法难以满足飞秒激光泵浦-探测实验对时间同步精度的要求。最近，我们利用啁啾脉冲的频域干涉方法，研制了一种可精确控制泵浦-探测实验中探测脉冲和泵浦脉冲传输时间差的实验技术。我们把飞秒脉冲激光器(工作波长为 800 nm，脉宽约 35 fs，能量为 1 mJ)发出的单脉冲分成两束，第一束作为泵浦脉冲照射在 K9 玻璃和铝膜的界面，另一束作为探测脉冲作用在铝膜与空气的界面，采用飞秒脉冲激光频域干涉技术精确调节探测脉冲和泵浦脉冲到达待测铝膜的传输时间差。理论分析结果和动态实验数据均表明，这种新型飞秒脉冲激光频域干涉技术的时间分辨力优于激光器脉宽，可作为飞秒脉冲激光泵浦-探测实验的传输时间差标定方法。

　　1 频域干涉原理

　　两束频率相等、初相位稳定和偏振方向相同的光波在非平衡马赫-曾德(以下简称 M-Z)干涉仪中进行干涉叠加时，只要干涉仪两臂的光程差小于光源的相干长度，M-Z 干涉仪总可以输出不随时间改变的时域干涉条纹。如果采用宽光谱连续激光器作为非平衡 M-Z 干涉仪的光源，当光程差大于光源的相干长度时，干涉仪将不能输出稳定的干涉条纹，这时如果采用宽光谱脉冲激光器替代连续激光器，并采用光谱仪作为记录工具，M-Z 干涉仪则可以输出清晰的频域干涉条纹[7]。因此频域干涉与时域干涉的根本区别在于前者是光波中不同频率成份均参与干涉叠加，也即频域干涉场是不稳定的，需要借用超短脉冲激光将各单色成份的强度分布场快速“凝固”在光电记录设备上，从而得到频域条纹;时域干涉是光波中同一频率成份之间参与干涉叠加，需要使用连续单频激光器作为光源。以下阐述频域干涉仪的基本工作原理。典型的频域干涉仪结构如图 1 所示，脉冲激光器的出射光波被分束器分成两束，一束经过直通臂延迟t0后到达光谱仪作为本征光波参与干涉，另一束经过延迟臂延迟 t0+T 后到达光谱仪作为信号光波参与干涉，其中传输时间差 T 的大小可通过延迟臂或直通臂中的光路延迟器改变。由于光谱仪中的精密光栅可以展宽具有宽光谱分布的飞秒脉冲激光，因此传输时间差为 T 的两个飞秒脉冲激光通过光栅展宽后有可能在光谱仪的光电记录设备 CCD 上产生频域干涉条纹，形成频域干涉条纹的条件如下。