CN101339076A - 皮秒脉冲对比度单次测量仪 - Google Patents

Abstract

一种皮秒脉冲对比度单次测量装置，由分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、基频达曼光栅、基频补偿光栅组、第五反射镜、第六反射镜、二倍频晶体、二倍频达曼光栅、二倍频补偿光栅组、反射镜组、合束镜组、三倍频晶体组、滤光片组和光电倍增管组构成，本发明采用达曼光栅实现待测脉冲及其二倍频信号的多路分光，以实现10⁸以上的对比度测量。而且，可以利用达曼光栅分光时产生的不同角度，得到渐变的光程延迟。改变达曼光栅之间的距离，以及达曼光栅和补偿光栅之间的距离，可以调节光程延迟的最大值，实现100ps的时间延迟测量。

Description

皮秒脉冲对比度单次测量仪

技术领域

本发明涉及激光参数诊断，特别是一种皮秒脉冲对比度单次测量装置。

背景技术

高功率的激光脉冲被广泛应用在激光等离子体相互作用、X射线激光、多光子电离、高次谐波产生等强场物理研究中。利用超短超强激光脉冲打靶时，主脉冲之前的噪声信号如果超过一定强度，就会破坏靶面并产生等离子体，产生复杂的不利影响。因此，需要监测激光脉冲之前的噪声信号强度。

为了获得超短超强的拍瓦激光，采用了光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术。该技术是将欲放大的一束低能量飞秒宽带种子信号光脉冲，通过正啁啾色散的方法在时域上展宽，展宽后的脉冲在时域上表现为啁啾脉冲。然后用一束高能量纳秒级窄带泵浦光与展宽后的啁啾种子光在非线性晶体中进行参量耦合，使种子光脉冲放大。放大之后的种子光脉冲再通过负啁啾色散的方法被压缩成飞秒脉冲输出。神光II第九路系统改造成的拍瓦激光装置，就是采用了OPCPA技术，实现1000J、1ps的脉冲输出。

在OPCPA中，利用光栅对实现脉冲的展宽与压缩，分别称之为展宽器和压缩器。由于光栅本身的面型缺陷，以及展宽器、压缩器之间的不完全匹配，会导致压缩之后的脉冲形状与种子光的脉冲形状有所区别。在时间上表现为，主脉冲前后有一个很长的台阶(pedestral)，如图4所示。为了监测并控制压缩之后的皮秒脉冲的时间波形，使之满足物理实验的需要，需要测量主脉冲之前10ps及其以外的信号强度，保证这些时刻的激光信号强度相对于主脉冲的强度的比值小于＜10^-8，即脉冲对比度＜10^-8。

现有的短脉冲激光对比度单次诊断装置的基本结构如图1所示。待测脉冲作为基频光，聚焦透镜1聚焦到一个二倍频晶体2上，产生二倍频光。然后用准直透镜3得到基频和二倍频的平行光束，柱面透镜4将入射的矩形光束聚焦成直线，由沃拉斯顿棱镜5将并行的基频信号和倍频信号在空间上分开。再通过一个菲涅耳双棱镜6将分开的基频信号和倍频信号偏转，以实现倾斜相交。在两信号的相交位置放置三倍频晶体7，可以得到三倍频光。通过成像透镜8，并使用滤波片9过滤掉残余的基频光和二倍频光，CCD10上接收到三倍频信号，通过一定的计算，从而得出最后结果。

该技术存在的问题是：不能实现高动态范围的对比度测量，而且时间延迟有限。其光程延迟的产生是基于分波前的原理，将基频和二倍频两个宽光束倾斜相交，两束光到达三倍频晶体表面时，在晶体表面的不同位置，基频光和二倍频光之间就存在逐渐变化的光程差，从而实现不同时间延迟位置的同时测量。现有的对比度单次测量技术中，同一个晶体中同时测量多个时间延迟位置，从而不同时间延迟之间对应的光束会相互干扰。因此，其可测动态范围只能达到10⁴数量级。另一方面，可测量的时间延迟受基频信号与倍频信号的光束宽度以及双棱镜大小的限制，只能测到±10ps以内的范围。因此，现有单次测量系统的动态范围和时间延迟都不能满足应用需求。

发明内容

本发明所要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种皮秒脉冲对比度单次测量装置，提高对比度测量的动态范围，扩展对比度测量的时间延迟，以满足物理实验对超短超强激光系统的对比度要求。

本发明的技术解决方案是：

一种皮秒脉冲对比度单次测量装置，特点在于由分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、基频达曼光栅、基频补偿光栅组、第五反射镜、第六反射镜、二倍频晶体、二倍频达曼光栅、二倍频补偿光栅组、反射镜组、合束镜组、三倍频晶体组、滤光片组和光电倍增管组构成，其位置关系如下：

入射的待测脉冲作为基频光，经过所述的分光镜被分为透射光束和反射光束，该透射光束通过由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成的光程延迟机构，入射到基频达曼光栅上，形成基频多路子光束，每一路子光束都各自对应所述的基频补偿光栅组的一块基频补偿光栅，然后射向合束镜组的相应的合束镜，所述的反射光束通过第五反射镜、第六反射镜，进入所述的二倍频晶体，得到二倍频光，该二倍频光入射到二倍频达曼光栅上，形成二倍频多路子光束，每路二倍频子光束都对应二倍频补偿光栅组的一块二倍频补偿光栅，得到二倍频多路子光束，该二倍频多路子光束通过反射镜组相应的反射镜反射后进入所述的合束镜组，与所述的基频子光束合束后共线传输，一起进入三倍频晶体组，得到三倍频光，该多束三倍频光通过滤光片组，被光电倍增管组探测三倍频信号的强度，计算后就可以得到待测脉冲的对比度。

所述的基频补偿光栅组由五块结构相同的基频补偿光栅构成，所述的二倍频补偿光栅组由五块结构相同的二倍频补偿光栅构成，所述的反射镜组由五块结构相同的反射镜构成，所述的合束镜组的由五块结构相同的合束镜构成、所述的三倍频晶体组由五块结构相同的三倍频晶体构成、所述的滤光片组由五块结构相同的滤光片构成，所述的光电倍增管组由五块结构相同的光电倍增管构成。

本发明采用分振幅方法，通过达曼光栅得到5个相同、相互分离的子光束，分别在5块三倍频晶体中实现不同时间延迟位置的对比度测量。由于各个子光束在空间上是分离的，角度不同情况下，相邻两光束之间就存在着光程差。偏折的角度越大，传播距离越长，其光程差也就越大。因此能够用此方法实现大的时间延迟。

短脉冲对比度测量的基本原理是三阶互相关过程。

待测脉冲关于时间t的函数是I(t)，对应的三阶互相关信号为

I₃(τ)＝∫I(t)I²(t-τ)dt         (1)

式中：τ为时间延迟。I²(t)可以通过二倍频晶体得到，附加上时间延迟τ之后，在三倍频晶体中得到该三阶互相关信号。

本发明的技术效果是，

1)能够实现动态范围在10⁸以上的对比度测量。本方案中，每一块三倍频晶体只对应一个时间延迟位置，因此不存在上述现有技术的干扰。这种方法类似于5个重复频率下的对比度测量装置的叠加，每个重复频率下的对比度测量装置测量一个时间延迟位置，能够实现高动态范围的对比度测量。

2)时间延迟能够扩展到100ps。因为基频光子光束和二倍频光子光束之间的光程延迟，是由角度和空气中的传输距离共同决定的，改变两块达曼光栅之间的距离，或者达曼光栅和补偿光栅之间的距离，都能实现光程延迟的调节。

附图说明

图1是现有的短脉冲对比度单次测量装置示意图；

图2是本发明皮秒对比度单次测量仪示意图；

图3是图2皮秒对比度单次测量仪的俯视示意图；

图4是拍瓦激光装置中压缩器输出的皮秒脉冲的时间特性示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2和图3，图2和图3是本发明的一个具体实施例示意图，由图可见，本发明皮秒脉冲对比度单次测量装置，由分光镜2-1、第一反射镜2-2、第二反射镜2-3、第三反射镜2-4、第四反射镜2-5、基频达曼光栅2-6、基频补偿光栅组2-7、第五反射镜2-8、第六反射镜2-9、二倍频晶体2-10、二倍频达曼光栅2-11、二倍频补偿光栅组2-12、反射镜组2-13、合束镜组2-14、三倍频晶体组2-15、滤光片组2-16和光电倍增管组2-17构成，其位置关系如下：入射的待测脉冲作为基频光，经过所述的分光镜2-1被分为透射光束和反射光束，该透射光束通过由第一反射镜2-2、第二反射镜2-3、第三反射镜2-4和第四反射镜2-5组成的光程延迟机构，入射到基频达曼光栅2-6上，形成基频五路子光束，每一路子光束都各自对应所述的基频补偿光栅组2-7的一块基频补偿光栅，然后射向合束镜组的2-14相应的合束镜，所述的反射光束通过第五反射镜2-8、第六反射镜2-9，进入所述的二倍频晶体2-10，得到二倍频光，该二倍频光入射到二倍频达曼光栅2-11上，形成二倍频五路子光束，每路二倍频子光束都对应二倍频补偿光栅组2-11的一块二倍频补偿光栅，得到二倍频五路子光束，该二倍频五路子光束通过反射镜组2-13相应的反射镜反射后进入所述的合束镜组2-14，与所述的基频子光束合束后共线传输，一起进入三倍频晶体组2-15，得到三倍频光，该五束三倍频光通过滤光片组2-16，被光电倍增管组2-17探测三倍频信号的强度，计算后就可以得到待测脉冲的对比度。

本实施例中的基频多路子光束和二倍频多路子光束均取5路，因此，相应的基频补偿光栅组2-7由五块基频补偿光栅构成，二倍频补偿光栅组2-11由五块二倍频补偿光栅组成，所述的合束镜组的2-14由五块合束镜组成，所述的三倍频晶体组2-15由五块三倍频晶体组成，所述的滤光片组2-16由五块滤光片组成，所述的光电倍增管组2-17由五只光电倍增管组成。

入射的待测脉冲作为基频光，经过分光镜2-1一分为二，透射光束通过第一反射镜2-2、第二反射镜2-3、第三反射镜2-4和第四反射镜2-5组成的光程延迟机构，入射到基频达曼光栅2-6上，转换为基频多路子光束，每一个子光束都对应一个补偿光栅2-7，以补偿达曼光栅产生的色散。分光镜2-1的反射光束通过第五反射镜2-8、第六反射镜2-9，进入二倍频晶体2-10，得到二倍频光，该二倍频光也通过对应的二倍频达曼光栅2-11、二倍频补偿光栅2-12，从而得到二倍频多路子光束。然后该二倍频多路子光束通过反射镜2-13和合束镜2-14，与基频子光束共线传输，一起进入三倍频晶体2-15，得到三倍频光。使用滤光片2-16过滤掉残余的基频光和二倍频光之后，用光电倍增管2-17探测三倍频信号的强度，计算后就可以得到待测脉冲的对比度。第一反射镜2-2、第二反射镜2-3、第三反射镜2-4、第四反射镜2-5构成的光程延迟器，是用来补偿分光镜的反射光在传输中爬升和下降带来的附加延迟。

在达曼光栅分光中的光程延迟方式，如图3所示。错位放置的两块基频达曼光栅2-6和二倍频达曼光栅2-11上出射的子光束，在俯视图中以镜像方式入射到相应的基频补偿光栅2-7上和二倍频补偿光栅2-12上。

图3中使用的为1×10的达曼光栅，由于达曼光栅的对称性，因此只利用了其中的五束分光子光束。L表示达曼光栅和补偿光栅组之间的垂直距离，d₁为基频达曼光栅的光栅常数，d₂为二倍频达曼光栅的常数，d₁＝2d₂，m₁、m₂、m₃、m₄、m₅为基频达曼光栅上的五束子光束到补偿光栅组中对应小光栅的距离，n₁、n₂、n₃、n₄、n₅为基频达曼光栅上的五束子光束到补偿光栅组中对应小光栅的距离，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅为基频和二倍频达曼光栅上的五束子光束的衍射角。这样，基频五个子光束和二倍频五个子光束之间对应的光程延迟可以表示为

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1-n_5=L/\cos {\mathrm{\θ}}_1-L/\cos {\mathrm{\θ}}_5\\ m_2-n_4=L/\cos {\mathrm{\θ}}_2-L/\cos {\mathrm{\θ}}_4\\ m_3-n_3=L/\cos {\mathrm{\θ}}_3-L/\cos {\mathrm{\θ}}_3\\ m_4-n_2=L/\cos {\mathrm{\θ}}_4-L/\cos {\mathrm{\θ}}_2\\ m_5-n_1=L/\cos {\mathrm{\θ}}_5-L/\cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

将基频光和二倍频光的中间一束调节为等光程，即令m₃-n₃＝0。具体通过由第-反射镜2-2、第二反射镜2-3、第三反射镜2-4、第四反射镜2-5构成的光程延迟机构实现。τ＝0时，它输出的三倍频光强记为I₀＝I₃(τ＝0)。在中心光束两侧，基频子光束和二倍频子光束的光程差逐渐增加，从而实现不同的光程延迟。俯视图中，在中心光束上侧，基频子光束的光程依次递减，二倍频子光束的光程依次增加。它们入射到所述的三倍频晶体组2-11上，就会得到不同时间延迟位置τ的对比度强度值。

当需要实现10ps光程延迟的测量时，以中心光束上侧为例，可以建立光栅常数d₁和d₂、衍射角θ₂和θ₄、垂直距离L之间的方程组

$\left\{\begin{array}{c}L/\cos {\mathrm{\θ}}_2-L/\cos {\mathrm{\θ}}_4=-3\mathrm{mm}\left(10\mathrm{ps}\right)\\ d_1\sin {\mathrm{\θ}}_2=3{\mathrm{\λ}}_{1\mathrm{\ω}}\\ d_2\sin {\mathrm{\θ}}_4=7{\mathrm{\λ}}_{2\mathrm{\ω}}\end{array}---\left(3\right)\right.$

方程组中d₁＝200um，d₂＝100um，λ_1ω＝1.053um，λ_2ω＝0.527um，求解得到L＝5352.86mm，θ₂＝0.905°，θ₄＝2.114°。此时中心光束上侧第二路子光束中，基频和二倍频之间的时间延迟为20ps。经过三倍频晶体组2-11的互相关作用之后就得到两个强度值I₊₁＝I₃(τ＝+10ps)、I₊₂＝I₃(τ＝+20ps)。在中心光束下侧，基频子光束的光程依次增加，二倍频子光束的光程依次递减，经过三倍频晶体组2-11的互相关作用之后也得到两个强度值I_-1＝I₃(τ＝-10ps)、I_-2＝I₃(τ＝-20ps)。。

这样就可以通过计算得到±10ps、±20ps这4个时间延迟位置的脉冲对比度(Pulse constract)：

SNR＝I_i/I₀

其中，i＝-2、-1、+1、+2。

为了得到基频光和二倍频光之间100ps的光程延迟，只需要将方程组(3)做如下修改

$\left\{\begin{array}{c}L/\cos {\mathrm{\θ}}_2-L/\cos {\mathrm{\θ}}_4=-30\mathrm{mm}\left(100\mathrm{ps}\right)\\ d_1\sin {\mathrm{\θ}}_2=3{\mathrm{\λ}}_{1\mathrm{\ω}}\\ d_2\sin {\mathrm{\θ}}_4=7{\mathrm{\λ}}_{2\mathrm{\ω}}\end{array}---\left(4\right)\right.$

可以得到L＝53528.6mm，θ₂＝0.905°，θ₄＝2.114°。此时可以得到±100ps、±200ps这4个时间延迟位置的脉冲对比度。但该情况下达曼光栅和补偿光栅之间的距离比较大。从实际应用的角度考虑，测量系统中需要采用1×64的达曼光栅代替1×10的达曼光栅，可利用的为32束子光束，此时为基频光的第一级衍射与二倍频光的第32级衍射相对应，得到方程组

$\left\{\begin{array}{c}L/\cos {\mathrm{\θ}}_1-L/\cos {\mathrm{\θ}}_{32}=-30\mathrm{mm}\left(100\mathrm{ps}\right)\\ d_1\sin {\mathrm{\θ}}_1=(2\×1-1){\mathrm{\λ}}_{1\mathrm{\ω}}\\ d_2\sin {\mathrm{\θ}}_{32}=(2\×32-1){\mathrm{\λ}}_{2\mathrm{\ω}}\end{array}\right.$

可以得到L＝499.4mm，θ₁＝0.603°，θ₄＝19.39°。

本实施例中，每一个时间延迟位置，单独使用一块三倍频晶体，可以避免干扰，提高对比度测量的动态范围。利用达曼光栅分光中的角度以及错位放置，形成静态分布的光程延迟，可以避免在每一路中都使用光程延迟机构，降低对比度测量系统的成本。

Claims (2)

1、一种皮秒脉冲对比度单次测量装置，特征在于由分光镜(2-1)、第一反射镜(2-2)、第二反射镜(2-3)、第三反射镜(2-4)、第四反射镜(2-5)、基频达曼光栅(2-6)、基频补偿光栅组(2-7)、第五反射镜(2-8)、第六反射镜(2-9)、二倍频晶体(2-10)、二倍频达曼光栅(2-11)、二倍频补偿光栅组(2-12)、反射镜组(2-13)、合束镜组(2-14)、三倍频晶体组(2-15)、滤光片组(2-16)和光电倍增管组(2-17)构成，其位置关系如下：

入射的待测脉冲作为基频光，经过所述的分光镜(2-1)被分为透射光束和反射光束，该透射光束通过由第一反射镜(2-2)、第二反射镜(2-3)、第三反射镜(2-4)和第四反射镜(2-5)组成的光程延迟机构，入射到基频达曼光栅(2-6)上，形成基频多路子光束，每一路子光束都各自对应所述的基频补偿光栅组(2-7)的一块基频补偿光栅，然后射向合束镜组的(2-14)相应的合束镜，所述的反射光束通过第五反射镜(2-8)和第六反射镜(2-9)进入所述的二倍频晶体(2-10)，得到二倍频光，该二倍频光入射到二倍频达曼光栅(2-11)上，形成二倍频多路子光束，每路二倍频子光束都对应二倍频补偿光栅组(2-11)的一块二倍频补偿光栅，得到二倍频多路子光束，该二倍频多路子光束通过反射镜组(2-13)相应的反射镜反射后进入所述的合束镜组(2-14)，与所述的基频子光束合束后共线传输，一起进入三倍频晶体组(2-15)，得到三倍频光，该多束三倍频光通过滤光片组(2-16)，被光电倍增管组(2-17)探测三倍频信号的强度，计算后就可以得到待测脉冲的对比度。

2、根据权利要求1所述的皮秒脉冲对比度单次测量装置，其特征在于所述的基频补偿光栅组(2-7)由五块结构相同的基频补偿光栅构成，所述的二倍频补偿光栅组(2-11)由五块结构相同的二倍频补偿光栅构成，所述的反射镜组(2-13)由五块结构相同的反射镜构成，所述的合束镜组的(2-14)由五块结构相同的合束镜构成、所述的三倍频晶体组(2-15)由五块结构相同的三倍频晶体构成、所述的滤光片组(2-16)由五块结构相同的滤光片构成，所述的光电倍增管组(2-17)由五块结构相同的光电倍增管构成。

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