阅读说明：本技术 用于生成在空间上定位的高强度激光束的系统和方法 (System and method for generating a spatially positioned high intensity laser beam ) 是由 F·佐默 P·费维尔 A·库尧德 于 2018-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于产生在空间上定位的高强度激光束的系统,它包括：适于产生N个激光脉冲的连发的激光源(80),所述N个激光脉冲具有小于或等于1皮秒的持续时间并具有大于或等于0.5吉赫的第一重复频率(f<Sub>1</Sub>)；适于接收和存储所述N个激光脉冲的连发光学谐振腔(10),该光学谐振腔(10)适于将所述N个激光脉冲的连发聚焦到所述光学谐振腔(10)的相互作用区域(25)；以及伺服控制系统(13),该伺服控制系统适于相对于光学谐振腔中的往返距离来控制第一重复频率(f<Sub>1</Sub>),以使所述连发的N个脉冲在相互作用区域(25)中通过相长干涉在时间上和空间上相互叠加,以形成超短且高能量的巨脉冲。(The invention relates to a system for generating a spatially positioned high intensity laser beam, comprising: a laser source (80) adapted to generate bursts of N laser pulses having a duration less than or equal to 1 picosecond and having a first repetition frequency (f) greater than or equal to 0.5 gigahertz 1 ) (ii) a A burst optical resonator (10) adapted to receive and store said N laser pulses, the optical resonator (10) being adapted to excite said N laser pulses-the burst of light pulses is focused to an interaction region (25) of the optical resonator (10); and a servo control system (13) adapted to control the first repetition frequency (f) with respect to a round trip distance in the optical cavity 1 ) So that the successive N pulses overlap each other temporally and spatially by constructive interference in the interaction region (25) to form ultrashort and high-energy giant pulses.)

用于生成在空间上定位的高强度激光束的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及激光领域。

更具体地，本发明涉及一种激光系统，该激光系统产生定位在空间中的点上的非常高强度的激光束。

本发明还涉及一种非常高强度的激光系统，该激光系统旨在通过与带电粒子束或待分析样品的非弹性散射在定位点相互作用。

本发明尤其涉及一种用于测量由激光束和带电粒子束之间的相互作用产生的逆康普顿散射的方法和设备。

背景技术

粒子加速器是伟大的科学仪器，特别是在基础物理中使用。寻求在科学仪器或医疗设备领域中开发这些粒子束的新应用。这些应用需要开发出强度高且紧凑的X射线源，以用于例如医学或艺术史环境。

特别地，寻求基于电子包和激光束之间的康普顿相互作用来产生逆康普顿散射辐射。现在，由非弹性散射产生的辐射强度既取决于光子数量，也取决于相互作用时的电子数量。而且，逆康普顿散射辐射的强度不是各向同性分布的。实际上，逆康普顿散射辐射的强度高度取决于电子束与激光束之间的角度和/或入射激光束与散射束之间的角度。因此，寻求使检测到的逆康普顿散射辐射的强度最大化。

可以考虑使用线性或环形类型的不同类型的加速器来产生低能电子包(50MeV量级)。储物环由于其紧凑、低成本和易于使用而具有有利的构造。紧凑性和低能量在粒子加速器的选择以及粒子束和激光束之间的耦合配置方面提出了挑战。

已知一种ELI-NP-GS源，它使用一个光学再循环器，该光学再循环器包括两个抛物面镜和31对螺旋排列的镜，以使同一个200-mJ激光脉冲循环32次。因此，这个200-mJ激光脉冲在同一焦点上与32个以100Hz的速率产生的电子包顺序地相互作用。但是，这种类型的光学再循环器体积庞大。此外，在真空室中设置64个镜特别复杂。

还存在将激光束耦合到法布里-珀罗腔的系统，以放大稳态激光束。

通常，期望具有定位在确定点处的高强度激光系统。

更特别地，寻求开发这样一种用于带电粒子束与高强度激光束之间的相互作用的系统，该系统易于实现并且能通过由此相互作用产生的逆康普顿效应来增加非弹性散射束的强度。

发明内容

为弥补现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种用于产生在空间上定位的高强度激光束的系统。

更具体地，根据本发明提出这样一种系统，它包括：激光源，该激光源适于产生N个激光脉冲的连发(脉冲群，rafale)，其中N是大于1的自然整数，所述N个激光脉冲具有第一重复频率(f₁)，这些激光脉冲是持续时间小于或等于1皮秒的超短激光脉冲，所述第一重复频率(f₁)大于或等于0.5吉赫(千兆赫)；光学谐振腔，该光学谐振腔适于接收和存储所述N个激光脉冲的连发，该光学谐振腔适于使所述N个激光脉冲的连发聚焦(聚集)到该光学谐振腔的相互作用区域，该光学谐振腔内的往返距离等于c/f₁，其中c是光速；以及伺服控制系统，该伺服控制系统适于相对于所述光学谐振腔中的往返距离来控制第一重复频率(f₁)，以使所述连发中的所述N个脉冲在该相互作用区域中通过相长干涉(建设性干涉，interférence constructive)在时间上和空间上相互叠加，从而形成超短且高能量的巨脉冲(impulsion géante)。

该系统允许产生确定的相互作用区域，激光束具有非常高的强度，该激光脉冲的持续时间极短，并具有由光学谐振腔乘以约N倍的功率。

优选地，N是介于10至1000之间的自然整数，并且更优选地，它介于100至300之间。

在特定实施例中，激光源包括以第一重复频率(f₁)发射的振荡器。

在另一特定实施例中，激光源包括再生放大器，优选光纤型的再生放大器，其中，光学放大器包括初级光学腔，并且伺服控制系统适于调节所述初级光学腔的长度，以便控制所述第一重复频率(f₁)。

优选地，第一重复频率(f₁)高于或等于1GHz(吉赫)。

有利地，激光源包括脉冲选择器，它适于选择具有小于或等于4MHz的第二重复频率(f₂)的N个超短激光脉冲的连发。

优选地，所述光学谐振腔包括以平面配置(在平面中设置，configurationplanaire)布置的镜(反射镜)。

根据一个特定且有利的实施例，光学谐振腔包括两个球面镜和两个平面镜，所述两个球面镜和所述两个平面镜以平面配置布置。

根据一种变型，光学谐振腔包括两个球面镜和仅一个平面镜。

有利地，光学谐振腔包括曲率半径为R/2的第一凹球面镜(M3)、曲率半径为R/2的第二凹球面镜(M4)，所述第一凹球面镜(M3)和所述第二凹球面镜(M4)同心地布置，第一凹球面镜(M3)和第二凹球面镜(M4)之间的距离等于R。

根据一个特定方面，伺服控制系统包括检测器，该检测器适于检测代表光学谐振腔中的连发的N个脉冲的相长干涉的信号。

根据一个实施例，光学谐振腔布置在真空室中，该真空室包括适于接收N个超短激光脉冲的连发的至少一个开口，所述至少一个开口适于接收带电粒子束，所述光学谐振腔布置成使得所述带电粒子束在相互作用区域中、在相对于所述相互作用区域中的激光脉冲的连发的传播方向处于小于或等于5°的入射角下传播。

特别有利的是，光学谐振腔的体积小于数个dm³，优选小于1dm³。

本发明还提出了一种拉曼光谱设备，它包括用于产生在空间上定位的高强度激光束的系统，在该系统中，相互作用区域旨在接收待分析的样品，所述拉曼光谱设备包括拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪布置为测量由所述超短巨脉冲在相互作用区域的样品上的散射而形成的拉曼散射光束。

本发明还提出了一种用于产生在空间上定位的高强度激光束的方法，该方法包括以下步骤：

-以第一重复频率(f₁)产生持续时间小于或等于1皮秒的激光脉冲，该第一重复频率大于或等于0.5吉赫，

-选择处于所述第一重复频率(f₁)的N个激光脉冲的连发，其中N是大于或等于1的自然整数；

-将所述N个激光脉冲的连发注入到光学谐振腔中，该光学谐振腔具有等于c/f₁的往返距离，其中c是光学谐振腔中的光速，光学谐振腔适于使所述N个激光脉冲的连发聚焦到该光学谐振腔的相互作用区域；以及

-相对于光学谐振腔的往返距离来控制第一重复频率(f₁)，使得所述连发中的所述N个脉冲在相互作用区域中通过相长干涉而在时间上和空间上彼此叠加，从而形成超短且高能量的巨脉冲。

本发明还提出一种用于通过使由根据本发明的方法产生的超短巨脉冲与在光学谐振腔的相互作用区域中与所述超短巨脉冲同步传播的带电粒子束相互作用来测量非弹性散射的方法。

最后，本发明提出了一种通过使由根据本发明的方法产生的超短巨脉冲与被置入光学谐振腔的相互作用区域中的样品相互作用来测量非弹性散射的方法。

附图说明

通过下面参照附图作为非限制性示例给出的描述将允许对本发明由什么以及如何实现本发明有很好的理解。

在附图中：

-图1示意性地示出了根据本发明的超短巨激光脉冲发生系统；

-图2示意性地示出了根据一个实施例的包括光学共振腔的真空室的透视图；

-图3示意性地示出了图2的光学谐振腔的镜框架的布置的透视图；

-图4示出了具有微精度调整的镜框架示例；

-图5示意性地示出了镜框架的布置的示例性实施例，该镜框架形成了具有共面布置的4个镜的光学共振腔；

-图6以透视图示意性地示出了带电粒子束与聚焦在四镜光学共振腔的一个点处的超短且高能量的巨型激光脉冲的耦合，以形成逆康普顿散射束；

-图7示意性地示出了在四镜光学共振腔中带电粒子束与高能脉冲激光束之间的相互作用以形成逆康普顿散射束的另一视图；

-图8示出了三镜光学谐振腔的变型；

-图9示意性地示出了根据本发明的变型的超短巨激光脉冲发生系统。

具体实施方式

在图1中示出了超短激光巨脉冲发生系统。

在本文中，“超短脉冲”是指持续时间通常在20fs和约10ps之间且光谱宽度为0.1至50nm的光脉冲。

图1的系统包括激光源80，其适于产生超短和高能激光脉冲的连发，并与光学谐振腔10和反馈回路控制系统结合。

在一个实施例中，激光源80包括脉冲型振荡器1、分束器2、脉冲选择器3、光学放大系统4、光束组合器5、反射镜6和反射镜7。振荡器1基于可调激光腔。振荡器1适于以第一重复频率f₁产生源脉冲100。有利地，第一重复频率高于或等于500MHz，并且优选地高于或等于1GHz，或者甚至数千兆赫。根据第一重复频率f₁，源脉冲100以处于0.3ns和2ns之间的时间间隔彼此分开。

分束器2和光束组合器5例如是偏振分束器立方型的。在本例中，源脉冲100在振荡器1的出口处被极化，例如被线性极化。分束器2布置并定向成将源脉冲束100在空间上分成脉冲束110和其他脉冲束120。脉冲束110在反射镜6、7上被反射并以第一重复频率f₁形成低功率脉冲束110。

脉冲选择器3例如基于电光调制器。脉冲选择器3接收来自振荡器1的其他脉冲束120，并选择N个源脉冲的连发，其中N是大于1的自然整数，优选地在25-10000之间，并且更优选地在100-300之间。有利地，脉冲选择器3以小于或等于4MHz的第二重复频率f₂运行。作为替代，脉冲选择器3也可以通过选择单个脉冲连发来运行。在N个脉冲的同一连发中，这些脉冲通过由第一重复频率f₁确定的时间间隔被间隔开。

光学放大系统4包括一个或多个串联布置的光学放大器。光学放大系统4可以基于光纤、盘和/或固体放大器。光放大系统4接收N个脉冲的连发并且将它们放大以形成N个高功率光脉冲的连发。因此，光学放大系统4传送由N个脉冲的连发组成的高功率脉冲束120，该连发通常以第二重复频率f₂发射。

根据一种变型，替代高频脉冲振荡器和一个或多个线性光学放大器，激光源80包括再生放大器，优选地为光纤类型。优选地，在本例中，再生放大器包括光学再生腔、用于以重复周期T₁在所述光学再生腔中注入源脉冲的装置、以及用于从所述光学再生腔提取所述激光脉冲的装置。在本例中，光学再生腔呈现出的总长度使得在所述光学再生腔中每个脉冲的往返持续时间在周期T₁的N-1至N倍之间，其中N是大于或等于2的整数，所述注入装置适于在所述再生光腔中捕获N个激光脉冲的连发，所述提取装置适于提取所述再生光腔中的所述N个激光脉冲的连发，所述光放大器介质适于形成放大的激光脉冲的连发。有利地，所述注入装置和所述提取装置包括普克尔斯盒，所述普克尔斯盒被配置为完全阻挡所述脉冲连发的注入与所述脉冲连发的提取。优选地，光学再生腔是多通腔，放大器介质布置在所述多通光学再生腔中，从而使多个脉冲中的脉冲连发多次通过放大器介质。有利地，光学再生腔是包括光学系统的多通道腔，该光学系统的镜布置成使得每个所述镜上的入射光束在所述多通道腔中的每个通道处在空间上偏移，并且放大器介质布置在光学再生腔内。

因此可以获得这样的激光源，该激光源产生N个超短且高功率激光脉冲的连发，同一连发中的脉冲处于第一重复频率f₁，该第一重复频率大于或等于0.5吉赫(GHz)，并且优选高于或等于1GHz。

在下文中，以下术语被同义地使用：脉冲连发、脉冲序列、脉冲系列或宏脉冲(多束)。

光束组合器5布置和定向成使处于第一重复频率f₁的低功率脉冲束110与由N个脉冲的连发组成的高功率脉冲束120在空间上重组为光脉冲束150。

该光脉冲束150通过开口9注入到包括光学共振腔的真空室8中。

图2至图7详细示出了根据本发明的第一实施例的四镜光学谐振腔。

光学谐振腔10包括两个平面镜M1、M2和两个球面镜M3、M4。镜M1、M2、M3、M4以平面构型布置在细长的四边形的端部。镜M3和M4以同心构型布置，并且优选地具有相同的曲率半径R/2，镜M3和M4之间的距离等于R。脉冲束150通过平面镜M1被注入到光学谐振腔中，然后向镜M2前进，镜M2将其反射到球面镜M3。镜M3将脉冲束150朝向M4反射，同时将该脉冲束聚焦到位于镜M3和镜M4之间的光轴上的相互作用区域25。该镜将脉冲束150朝向镜M1反射，从而形成闭环光路。因此，光学谐振腔10允许在X形折叠环之后传播脉冲束150(参见图7-8)。调节光学谐振腔中往返的总长度，以使相同脉冲连发的N个脉冲通过相长干涉彼此相干叠加，从而在光学谐振腔中形成巨脉冲。此外，光学谐振腔10将巨脉冲聚焦到相互作用区域25，例如聚焦到位于镜M3和M4之间的焦平面20。巨脉冲以GHz速率在腔中循环N次。光学谐振腔10以脉冲连发的速率—即第二重复频率f₂—被填充和排空。

巨脉冲具有与激光源的激光脉冲相同的持续时间。

对于持续时间约为200fs的N≈2000的脉冲连发，以及约20-30mJ的每个源脉冲的能量，在相互作用区域25中可获得强度为约10¹⁵W/cm²的脉冲。激光束腰部的横向尺寸约为30微米。因此，连发脉冲的能量存储在相互作用点。此外，可以在同一个相互作用区域25中以第二重复频率重复巨脉冲。因此，可以与巨激光脉冲相互作用多次。

根据第一重复频率f₁确定光学谐振腔10中往返期间的光路长度。更准确地说，该往返长度等于c/f₁，其中c是光学谐振腔中的光速。例如，对于约1GHz的第一重复频率f₁，选择光学谐振腔中约30cm的往返长度。在这种情况下，光学谐振腔的物理长度L约为15cm，并且镜M3和M4的曲率半径约为8cm。光学谐振腔的物理长度L在此比具有相同往返长度的双镜光学谐振腔低四倍。在另一示例中，对于以3GHz的第一重复频率f₁运行的振荡器，选择在光学谐振腔中约10cm的往返长度，其中镜M3、M4的曲率半径为约2.5cm。镜M1、M2、M3、M4的直径在1mm至几厘米之间，例如大约6mm(或1/4英寸)。然而，这种配置带来了光学共振腔的光学对准的技术困难，限制了维持该光学共振腔的效率。这种配置需要小型化和非常高精度的光机械调整，以获得所需的干涉测量调整。因此获得非常紧凑的光学谐振腔。光学谐振腔被折叠，这允许减小相互作用区域周围的光学谐振腔的体积。光学谐振腔非常便利。这种紧凑性允许将光学谐振腔放置在小体积的真空室中，从而显著简化了该系统的实施。真空室和光学谐振腔的紧凑性使得可以更好地隔离周围的振动，并降低整个系统的成本。此外，即使将光学共振腔放置在真空室中，其体积也很小，因此可以更轻松地将该系统插入带电粒子束线中，其环境通常被各种科学仪器所扰乱。这种配置允许在确定的相互作用区域中更容易地使非常高强度的激光脉冲与带电粒子束之间的相互作用。

图3示出了镜M1、M2、M3和M4的支撑件在同一平台28上的安装。更精确地，镜M1被安装在支撑件21上，并且镜M2被安装在支撑件22上，镜M3被安装在支撑件23上，镜M4被安装在支撑件24上。支撑件21布置在平移板41上。类似地，支撑件22、23、24分别布置在相应的平移板42、43、44上。

图4更详细地示出镜M1在具有微米调节器31的支撑件21上的安装。

更精确地，以脉冲模式运行的激光振荡器1在光学谐振腔10上的频率受到控制，以便通过相长干涉来存储连发激光脉冲的能量。

在使用再生放大器来产生脉冲连发的变型中，在光学共振腔10上控制光学再生腔的确定第一重复频率的长度，以便通过相长干涉来存储连发的激光脉冲的能量。

镜M1构造成使得与脉冲连发被同时注入的低功率脉冲束的一部分200进入光学谐振腔10。检测器12检测从光学谐振腔中提取的所述低功率脉冲束的部分200。所述低功率脉冲束的部分200也处于第一重复频率f₁。

伺服控制系统13从中推断出误差信号并施加该误差信号，以控制激光振荡器1的腔或再生放大器的光学再生腔。因此，根据光学共振腔的长度来控制第一重复频率f₁，以使光学共振腔的相互作用区域25中的巨脉冲的能量和/或功率最大化。该控制回路以约1MHz的频率运行。因此，根据光学谐振腔10的长度的缓慢漂移来控制激光源的频率。

图5说明了四镜光学谐振腔的光机械安装。特别有利的是，光学共振腔10在球面镜M3下方的框架23上包括第一开口26。同样，光学谐振腔10在镜M4上方的框架24上包括第二开口27。

光学谐振腔可以在粒子加速器上实施。

如图6和7所示，在电子束和激光束之间的相互作用的应用中，电子束40被注入到光学谐振腔10中。更精确地，电子束40被定向为朝向光学谐振腔10的焦点区域穿过第一开口26和/或第二开口27。因此，电子束40可以与在光学谐振腔10的相互作用区域25中形成的巨脉冲相互作用。该相互作用产生能被检测到的逆康普顿散射束50。

球面镜M3、M4的直径确定了带电粒子束40和激光束160之间的最小交叉角。

借助于平移板41、42、43和/或44，可以根据带电粒子包之间的距离来调节镜之间的距离。如果交叉角ALPHA低并且激光束的横向尺寸相对于带电粒子束的横向尺寸小，则巨激光脉冲和带电粒子束的重叠更好。对于往返长度约30cm的腔，获得小于或等于3°或4°的交叉角ALPHA。

该系统在带电粒子的包以约1ns的包间周期—即吉赫量级的频率—发射的情况下特别有利。实际上，振荡器的第一重复频率f₁可以经由第二伺服控制系统在带电粒子包的产生频率上同步。

图8示出了根据三镜变型的光学谐振腔。在该变型中，光学谐振腔10包括用于注入的平面镜M1和两个球面镜M3、M4。三个镜M1、M3、M4以平面配置布置。有利地，两个球面镜M3、M4以同心构造布置。例如，球面镜M3、M4具有相同的曲率半径R/2，并且镜M3和M4之间的距离等于R。因此，巨激光脉冲所聚焦的相互作用区域位于镜M3和镜M4之间的距离的一半处。在此，三镜光学共振腔的物理长度L比具有相同往返长度的二镜光学共振腔的物理长度低三倍。

图9示出了超短且高能量的巨激光脉冲发生系统的变型，其还包括布置成检测来自镜M2和M4的其他泄漏信号的其他检测器14、15、16。

在另一应用中，被控制在光学谐振腔上的激光源可用于产生激光束与样品之间的相互作用，并测量非弹性散射、例如拉曼散射类型。

为此目的，将待分析的样品放入如上所述的系统的光学谐振腔的相互作用区域25中，并且收集通过在样品上散射巨激光脉冲而形成的光束。滤光器将散射的光束分离为代表弹性散射分量或瑞利散射的光束，以及代表非弹性散射例如拉曼散射的分量的光束。光谱仪对非弹性散射光束进行光谱分析。由于入射在样品上的巨激光脉冲的极高强度，该系统允许增加非弹性散射光束的强度。