第３８卷 第２期２０１４年３月
激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．２Ｍａｒｃｈ，２０１４
文章编号：１００１－３８０６（２０１４）０２－０２５１－０４
高能阿秒脉冲聚焦及光谱分析复合系统设计
王 超，王 兴，田进寿，卢 裕，曹希斌，王俊锋，徐向晏，温文龙
（中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安７１０１１９）
摘要：为了减小阿秒脉冲聚焦反射过程的能量损失、降低阿秒脉冲测量过程中由聚焦像差引起的测量误差以
及提高阿秒光脉冲光谱分析监测的可操作性，采用各环节性能分别优化的方法，设计了一种高能阿秒光脉冲聚焦及光谱分析复合系统，聚焦及光谱分析元件分别采用镀金掠入射型超环面镜和掠入射型凹面聚焦光栅，并给出了其具体结构和特性参量。结果表明，此系统适用于以短脉宽、高能量阿秒脉冲为新型探针的阿秒光谱学研究。
关键词：光谱学；阿秒脉冲；平场光谱仪；超环面镜；像散
中图分类号：Ｏ４３３；Ｏ４３７ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０畅７５１０／ｊｇｊｓ畅ｉｓｓｎ畅１００１－３８０６畅２０１４畅０２畅０２２
Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｃｏｍｂｉｎｅｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍ－ａｎａｌｙｚｉｎｇ
ｏｆｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅ
ＷＡＮＧＣｈａｏ，ＷＡＮＧＸｉｎｇ，ＴＩＡＮＪｉｎｓｈｏｕ，ＬＵＹｕ，ＣＡＯＸｉｂｉｎ，
ＷＡＮＧＪｕｎｆｅｎｇ，ＸＵＸｉａｎｇｙａｎ，ＷＥＮＷｅｎｌｏｎｇ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒａｎｓｉｅｎｔＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡ－ｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ’ａｎ７１０１１９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｒｅｄｕｃｉｎｇａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｓｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓｉｎｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｇｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｃａｕｓｅｄｂｙａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｆｏｃｕｓｉｎｇａｂｅｒｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｓｗｅｌｌａｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙｏｆａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｃｏｍｂｉｎｅｄｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍ－ａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｔｅｐ－ｂｙ－ｓｔｅｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍ－ａｎａｌｙｚｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｇｏｌｄ－ｃｏａｔｅｄｇｒａｚｉｎｇｉｎｃｉｄｅｎｃｅｔｏｒｏｉｄａｌｍｉｒｒｏｒａｎｄｇｒａｚｉｎｇｉｎｃｉｄｅｎｃｅｃｏｎｃａｖｅｆｏｃｕｓｉｎｇｇｒａｔｉｎｇ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｙｓｔｅｍｃａｎｆｉｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｐｌａｔｆｏｒｍｏｆａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｕｓｉｎｇｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｓｈｏｒｔａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅａｓｂａｓｉｃｐｒｏｂｅｔｏｏｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ａｔｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅ；ｆｌａｔ－ｆｉｅｌｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｔｏｒｏｉｄａｌｍｉｒｒｏｒ；ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
作者简介：王 超（１９８０－），男，博士，主要从事原子、分子与光物理方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｉｇｏｄｗａｎｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ收稿日期：２０１３－０４－２３；收到修改稿日期：２０１３－０５－２４
引 言
随着飞秒脉冲产生及控制技术的成熟，如空心
光纤脉冲压缩技术和载波包络相位锁定技术的出现，促成了可重复性良好的超短超强疏周期飞秒脉冲产生技术的出现，而这使得光学已经从微扰非线性光学机制阶段进入非微扰非线性光学机制———强场非线性光学（或称为极端非线性光学）机制阶段［１］
。其中，法国原子能委员会光子、原子和分子研究所以及奥地利维也纳理工大学于２００１年首次报道在实验上通过高阶谐波产生过程，成功产生了
阿秒光脉冲（１ａｓ＝１０
－１８
ｓ），拉开了以这种新型光源
为探测工具的阿秒研究热潮
［２－８］
。截至目前，阿秒光
脉冲宽度已达到６７ａｓ［９］
，单能量却仅仅达到亚纳焦
量级，基于这个水平虽然已经开展了一些原子内部俄歇电子弛豫等现象的诊断研究，但这样的能量距离其被预测所具有的广泛应用层面还存在着一定的差距。因此，产生脉宽更短、能量更高的阿秒光脉冲必将是当前和今后较长一段时间内阿秒科学界的主要目标之一。根据脉冲时间宽度（脉宽τｐ）与其对应频谱宽度Δν之间由傅里叶变换所决定的约束关系τｐ?Δ
ν≈０．４４可知（这里考虑的是变换限定脉冲的情况），阿秒光脉冲在时间宽度上的缩短直接意味着其频谱的变宽，这使得用于阿秒光脉冲传输及特性分析测等关键部件的性能也要作相应的匹配调整。当前，在脉宽为几百个阿秒的阿秒脉冲的聚