CN103063315B - 基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置，能够测量单次脉冲的信噪比。其原理是利用光克尔效应构建泵浦探测光路，该测量装置是通过光栅或棱镜将探测光展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的激光脉冲。探测光因光克尔效应从检偏器透射，再由科学级CCD采集透射的信号，得到待测激光脉冲的信噪比信息。本方法通过光栅或棱镜引入较大的负色散量，将探测光脉冲展宽到几百皮秒或更宽，能够使时间窗口达到几百皮秒或更宽。而且可通过在探测光路中插入空间光调制器，最终增加动态范围。<!--1-->
Description
技术领域
本发明是一种基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置。
背景技术
超短超强激光脉冲与物质相互作用是一个强场作用过程，脉冲信噪比是直接影响激光与物质相互作用效果的一个非常重要的参数，精确的测量出超短超强激光脉冲的信噪比对于强场物理是至关重要的。
对于皮秒和飞秒脉冲信噪比的测量，通用的条纹相机等电子测量技术已无法满足需要，最常用的测量方法是三阶自相关法等技术。三次相关法采用一次倍频和一次和频过程得到三倍频信号，可以比较准确的测量脉冲的子脉冲、前沿、后沿等噪声信息。该方法通常采用扫描测量方式，可用于测量重复频率较高（10Hz以上）、能量稳定输出的超短脉冲。但当脉冲放大到焦耳量级、强度达到帕瓦量级时，重复频率低，通常都是单次脉冲，对于这类单次运行的超强激光装置，必须采用单次测量。
现在的单次测量系统通常是基于三倍频或差频相关的方式，采用各种方法将单脉冲进行复制或者不同延迟时间，最终实现单次测量，通常可探测时间窗口仅为几十皮秒。
光克尔效应是由介质的三阶非线性引起的效应，现在已经广泛应用于超短脉冲的泵浦探测实验中。光克尔效应可表示为：
IOKS是光克尔效应透射光强，Iprobe是探测光强，θ是泵浦光和探测光偏振方向的夹角，Δφ是非线性相移。当非线性相移较小时，可近似为。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置，克服了现有单次信噪比测量方法和装置时间窗口较窄（一般为几十皮秒）的缺点，本方法可单次测量几百皮秒。
本发明的技术解决方案是：
基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，包括以下步骤，
（1）产生光克尔信号；
（2）CCD采集光克尔信号得到光强在空间上的分布；
（3）根据光强在空间上的分布信息计算得到信噪比；
其特殊之处在于：步骤（1）中产生光克尔信号的具体步骤是：
（1.1）将待测激光分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光；
（1.2）探测光经展宽装置展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的脉冲，展宽后脉冲经过第一偏振器后，聚焦到非线性介质中；
（1.3）泵浦光通过光延迟装置，继而通过半波片调整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向与探测光的偏振方向所成角度为a，a≠90°，聚焦到非线性介质中；
（1.4）调整光延迟装置使泵浦光和探测光同步到达非线性介质，即使得泵浦光和探测光在时间上重合；调节泵浦光光路上各器件的倾角和位置，使探测光与泵浦光聚焦焦点重合在非线性介质中，即泵浦光和探测光在空间上重合；
（1.5）将透过非线性介质的探测光准直后，再经过第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向与第一偏振器的透射偏振方向垂直，能够透过第二偏振器的光信号即光克尔信号。
展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同三棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上，第一偏振器设置于第二块光栅的出射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。
光栅为反射光栅或透射光栅。
三棱镜是具有色散性质的三棱镜。
基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，包括将待测激光分成泵浦光和探测光的分束装置和将探测光进行展宽的展宽装置，其特殊之处在于：所述展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。
测量装置还包括设置于展宽装置与CCD之间的空间光调制器或衰减元件，所述空间光调制器或衰减元件用于对CCD上探测到强信号进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测的动态范围。
CCD选用科学级CCD。
非线性介质选用三阶非线性系数较大的液体或固体材料，优选的，所述非线性介质是CS2、铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃。
偏振器为偏振棱镜或偏振片。
偏振器为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰-泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜。
本发明的原理是利用光克尔门效应构建泵浦探测光路，该测量装置是通过光栅或棱镜将探测光展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的激光脉冲；测量过程中可选啁啾脉冲半高宽区域内作为测量窗口。当泵浦光在非线性介质中形成光克尔门，对探测光形成时间上的选通信号，也就是由于非线性介质的三阶非线性对探测光中时间同步的部分产生了偏振旋转。最终通过检偏器，再由科学级CCD采集透射的信号，得到光强IOKS在空间上的分布。由可知，CCD上各点归一化的IOKS与Iprobe强度分布开方后就反映了待测激光脉冲（即泵浦光）的信噪比信息。
本发明的优点在于：
（1）本方法通过光栅或棱镜等展宽装置引入较大的色散量，将探测光脉冲展宽到几百皮秒或更宽，能够使单次信噪比测量装置的时间窗口达到几百皮秒以上。
（2）本测量信噪比装置的时间分辨率由非线性介质的响应时间和CCD的空间分辨率决定。因此，选用铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃（响应时间可达到飞秒量级）等响应时间快的非线性介质有利于信噪比测量时间分辨率的提高；选择高空间分辨率和大横向尺寸的CCD的利于时间分辨率与时间窗口的提高。
（3）本测量信噪比装置的动态范围取决于第一偏振器和第二偏振器的消光比以及CCD的动态范围。因此，在调节到两偏振器严格垂直的情况下，要求第一偏振器和第二偏振器的消光比越高越好，通常可高于105；同时CCD的动态范围越大越好。
（4）在展宽装置与CCD之间插入空间光调制器或衰减元件，对CCD上探测信号光强较强的部分进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测信噪比的动态范围。
附图说明
图1利用啁啾脉冲特性测量信噪比原理图；
图2利用光栅对的脉冲激光信噪比测量装置图；
图3利用棱镜对的脉冲激光信噪比测量装置图。
其中：1-脉冲激光器；2-分光束；3-小孔光阑；4-光栅；5-三棱镜；6-第一偏振器；7-第一聚焦透镜；8-非线性介质；9-准直透镜；10-第二偏振器；11-CCD；12-半波片；13-第二聚焦透镜。
具体实施方法
本发明的原理是利用光克尔门效应构建泵浦探测光路，该测量装置是通过光栅或棱镜将探测光展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的激光脉冲；而泵浦光是待测的被压缩的超短脉冲，通常是皮秒或飞秒脉冲，如图1所示，测量过程中可选啁啾脉冲半高宽区域内作为测量窗口（见图1中虚线框内区域）。当泵浦光在非线性介质中形成光克尔门，对探测光形成时间上的选通信号，也就是由于非线性介质的三阶非线性对探测光中时间同步的部分产生了偏振旋转。最终通过检偏器，再由科学级CCD采集透射的信号，得到克尔信号光强IOKS在空间上的分布。由可知，CCD上各点归一化的IOKS与Iprobe强度分布开方后就反映了待测激光脉冲（即泵浦光）的信噪比信息。
基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，包括以下步骤：
（1）产生光克尔信号：
（1.1）将待测激光分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光；
（1.2）探测光经小孔光阑后经展宽装置展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的脉冲，展宽后的脉冲经过第一偏振器，然后聚焦到非线性介质中；
（1.3）泵浦光通过光延迟装置，继而通过半波片调整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向与探测光的偏振方向所成角度为a，a≠90°，a以45°最佳，聚焦到非线性介质中；
（1.4）调整光延迟装置使泵浦光和探测光同步到达非线性介质，即使得泵浦光和探测光在时间上重合；调节泵浦光光路上各器件的倾角和位置，使探测光与泵浦光聚焦焦点重合在非线性介质中，即泵浦光和探测光在空间上重合；
（1.5）将透过非线性介质的探测光准直后，再经过第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向与第一偏振器的透射偏振方向垂直，能够透过第二偏振器的光信号即光克尔信号。
（2）CCD采集光克尔信号得到光强在空间上分布的图像；
（3）测量经过展宽的啁啾脉冲宽度、光谱及CCD横向上各点位置对应的光谱成分，可将CCD像素和光克尔信号的时间坐标相对应，CCD横向像素上光强的分布就对应了信噪比在时间上的分布，由此得到信噪比的测量结果。
为增加该装置的测量动态范围，可在展宽装置与CCD之间插入空间光调制器或衰减元件，对CCD上探测信号光强较强的部分进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测信噪比的动态范围。此时，在步骤3中还应对衰减的信号进行恢复处理，恢复处理的方法为公知方法。
展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路上，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上，第一偏振器设置于第二块光栅的出射光路上；棱镜对同样设置。
本方法通过光栅或棱镜引入较大的色散量，将探测光脉冲展宽到几百皮秒或更宽，能够使时间窗口达到几百皮秒以上。
本发明装置的方案一参见图2，由脉冲激光器1出射的激光是经过压缩后的短脉冲，经过分束装置分为两束，分束装置为分束片2，其中一束作为探测光，探测光经过小孔光阑3和一对光栅4，由于光栅对提供的是负色散，所以激光脉冲在时间上展宽为负啁啾脉冲，同时也具有空间啁啾特性，即各光谱成分在空间上是分开的，如图2中长波长和短波长成分分开；然后经过第一偏振器6后由第一聚焦透镜7聚焦到非线性介质8上；另一束激光脉冲作为泵浦光经过反射镜M1，再经过由M2、M3、M4、M5组成的光延迟装置，然后激光脉冲经过半波片12调整偏振方向旋转45°，使泵浦光和探测光偏振方向夹角为45°，由第二聚焦透镜13聚焦到非线性介质8上，45°为最佳实施方式，泵浦光和探测光偏振方向的夹角也可以是除90°之外的任意角度。非线性介质设置于第一聚焦透镜出射光路与第二聚焦透镜出射光路的交汇处，使得探测光和泵浦光在空间上重合在非线性介质8中；调整光延迟装置使得探测光和泵浦光在时间上重合在非线性介质8中。透过非线性介质后的探测光由准直透镜9准直，再经过第二偏振器10后由CCD11接收，所述第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直。
本发明装置的方案二参见图3所示，将光栅替换为棱镜，对将激光脉冲展宽为时间上和空间上的啁啾脉冲。
光栅为反射光栅或透射光栅；棱镜可以是三棱镜，尤其是各种具有色散性质的三棱镜。非线性介质选用三阶非线性系数较大的液体或固体材料，优选CS2、铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃。偏振器为偏振棱镜或偏振片或半波片。最好选用消光比高的偏振器，消光比越高才能使最终测量精度高。偏振器优选为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰-泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜，其消光比可高于105。
测量装置还包括设置于展宽装置与CCD之间的空间光调制器或衰减元件，空间光调制器或衰减元件用于对CCD上探测信号光强较强的部分进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测信噪比的动态范围。
本测量装置测量信噪比的时间窗口由探测光的时间啁啾量确定，探测光经过光栅对或棱镜对获得的色散量越大，则包含的啁啾量越大，即脉冲展得越宽，最终可测量的时间窗口就越大。通常可展宽到百皮秒至纳秒量级。
本测量信噪比装置的时间分辨率由非线性介质的响应时间和CCD的空间分辨率决定。非线性介质的响应时间越快（如铋酸盐玻璃可达到飞秒量级）越有利于信噪比测量时间分辨率的提高；CCD的空间分辨率越高和横向尺寸越大越利于时间分辨率的提高。
本测量信噪比装置的动态范围取决于第一偏振器和第二偏振器的消光比以及CCD的动态范围。在调节到两偏振器严格垂直的情况下，两偏振器的消光比越高越好，通常可高于105；同时CCD的动态范围越大越好，优选科学级CCD，要求具有大动态范围，如16位。总之，第一偏振器和第二偏振器的消光比越高、CCD动态范围越大，最终测量的信噪比结果动态范围越大。
Claims (7)
1.基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，包括以下步骤，
(1)产生光克尔信号；
(2)CCD采集光克尔信号得到光强在空间上的分布；
(3)根据光强在空间上的分布信息计算得到信噪比；
其特征在于：步骤(1)中产生光克尔信号的具体步骤是：
(1.1)将待测激光分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光；
(1.2)探测光经展宽装置展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的脉冲，展宽后脉冲经过第一偏振器后，聚焦到非线性介质中；
(1.3)泵浦光通过光延迟装置，继而通过半波片调整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向与探测光的偏振方向所成角度为a，a≠90°，聚焦到非线性介质中；
(1.4)调整光延迟装置使泵浦光和探测光同步到达非线性介质，即使得泵浦光和探测光在时间上重合；调节泵浦光光路上各器件的倾角和位置，使探测光与泵浦光聚焦焦点重合在非线性介质中，即泵浦光和探测光在空间上重合；
(1.5)将透过非线性介质的探测光准直后，再经过第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向与第一偏振器的透射偏振方向垂直，能够透过第二偏振器的光信号即光克尔信号。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于：所述展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同三棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上，第一偏振器设置于第二块光栅的出射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于：所述光栅为反射光栅或透射光栅。
4.根据权利要求2所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于：所述三棱镜是具有色散性质的三棱镜。
5.根据权利要求4所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于：所述偏振器为偏振棱镜或偏振片。
6.根据权利要求5所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于：所述偏振器为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰-泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜。
7.根据权利要求6所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于：所述非线性介质选用三阶非线性系数较大的液体或固体材料。
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