CN103994830A - 一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法和系统，所述方法，包括：将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲；将所述两个脉冲经过调制后引入自相关仪，获得双脉冲的自相关曲线；对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，这样能够实现对飞秒激光双脉冲间隔、宽度和强度比进行测量。

Description

一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法和系统
技术领域
本发明涉及飞秒激光双脉冲测量技术，特别是指一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法和系统。
背景技术
飞秒激光是一种以脉冲形式发射的激光，持续时间在飞秒量级。由于飞秒激光具有高瞬间功率、高靶向聚焦定位精度和超短脉冲宽度等特点，在微加工和超快过程探测等领域被广泛应用。其中，通过对飞秒激光双脉冲泵浦的超快瞬态过程的研究，可获得许多物质结构变化或能量转化等领域的重要结果，如何实现对飞秒激双脉冲的脉冲参数的实时测量显得尤为重要。
目前，对飞秒激光的脉冲参数测量主要有两种方法，一种是自相关检测方法，另一种是互相关检测方法。传统的自相关检测法的特点在于其方法简单、技术成熟，但仅适用于单脉冲的测量。互相关检测法的特点在于容易检测长序列、多脉冲的参数，因而常用于多脉冲的脉冲参数检测。但是，互相关法在检测多脉冲序列参数时由于飞秒激光脉冲序列的群速度和相速度不同，因此在空气中用互相关法测量飞秒激光脉冲序列参数时必须考虑如色散等因素的影响。
因此，本专利提出了一种用自相关法测量飞秒激光双脉冲的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种获得飞秒激光双脉冲间隔、宽度和强度比的方法和系统，能够解决无法对飞秒激光双脉冲间隔、宽度和强度比进行测量的问题。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法和系统，所述方法，包括：
将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲；
将所述两个脉冲经过调制后引入自相关仪，获得双脉冲的自相关曲线；
对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
其中，所述分束调节，具体为：通过分光平片或双折射晶体进行分束。
其中，所述对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，具体为：利用非线性拟合的方法，拟合出与实验自相关曲线方差最小的规则的基于高斯函数的自相关曲线，根据双脉冲自相关曲线的旁瓣、主峰的拟合值，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
本发明还提供了一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的系统，所述系统包括：分束调节模块、自相关仪和拟合模块，其中，
所述分束调节模块，用于将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲，调制后发送给自相关仪；
所述自相关仪，用于根据调制后的两个脉冲，获得双脉冲的自相关曲线，将结果发送给拟合模块；
所述拟合模块，用于对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
其中，所述分束调节模块进行分束调节，具体为：通过分光平片或双折射晶体进行分束。
其中，所述拟合模块对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，具体为：所述拟合模块利用非线性拟合的方法，拟合出与实验自相关曲线方差最小的规则的基于高斯函数的自相关曲线，根据双脉冲自相关曲线的旁瓣、主峰的拟合值，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比
本发明实施例提供的一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法，所述方法，包括：将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲；将所述两个脉冲经过调制后引入自相关仪，获得双脉冲的自相关曲线；对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，这样能够实现对飞秒激光双脉冲间隔、宽度和强度比进行测量。
附图说明
图1为本发明一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法流程示意图；
图2为分束结构示意图；
图3为分束后的两个飞秒激光脉冲的示意图；
图4为双脉冲的自相关曲线的示意图；
图5为本发明一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的系统结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施例对本发明实施例再做进一步的详细说明。
本发明实施例提供了一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法，图1为本发明一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
步骤101，将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲；
具体的，所述分束调节，具体为：通过分光平片或双折射晶体进行分束。进一步的除了分光平片或双折射晶体外，还包括其他常用的分束器件。图2为分束结构示意图，如图2所示，分光平片21用于将飞秒激光单脉冲分束；延迟线22和延迟线23用于将分束后的单脉冲调节为两个具有飞秒级时间间隔的脉冲。
步骤102，将所述两个脉冲经过调制后引入自相关仪，获得双脉冲的自相关曲线；
具体的，图3为分束后的两个飞秒激光脉冲的示意图，其中显示了两个时序上分开的高斯型脉冲信号。图4为双脉冲的自相关曲线的示意图，由图可知，由于自相关曲线值正比于脉冲函数的卷积，所以对于高斯型的双脉冲自相关曲线的旁瓣是两个高斯型函数的卷积，因此依旧是高斯函数，但是，中间主峰就是两个高斯函数的叠加，是一个类高斯函数。
步骤103，对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
具体的，所述对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，具体为：利用非线性拟合的方法，其基本原理为最小二乘法，即拟合出与实验自相关曲线方差最小的规则的基于高斯函数的自相关曲线，来求解所需相关参数的方法，根据双脉冲自相关曲线的旁瓣、主峰的拟合值，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
在实际操作中，对于两个已知波形为高斯型的时序激光脉冲信号，可以假设为：
f ( x ) = a 1 e - x 2 / c 1 2 + a 2 e - ( x - t ) 2 / c 2 2 - - - ( 1 )
其中，c1和c2分别表示两个脉冲的脉宽，t是两个脉冲之间的时间延迟，a1和a2分别正比于脉冲的强度。详情可参考图2。
如前所述，由于自相关曲线值正比于脉冲函数的卷积，所以对于高斯型的双脉冲自相关曲线是两个高斯型函数的卷积，所以还是高斯函数，但是，中间主峰就是两个高斯函数的叠加，是一个类高斯函数。它们之间的关系如下式所示：
g(x)＝f(x)*f(x)   (2)
其中，g(x)表示双脉冲的自相关函数，f(x)表示两个脉冲的函数，*表示自相关运算符。
在图4中，旁瓣和主峰的表达式分别可以用下面两个式子表示：
h ( x ) = ( a 1 e - x 2 / c 1 2 ) * ( a 2 e - x 2 / c 2 2 ) - - - ( 3 )
k ( x ) = ( a 1 e - ( x - t ) 2 / c 1 2 ) * ( a 1 e - ( x - t ) 2 / c 1 2 ) + ( a 2 e - ( x - t ) 2 / c 2 2 ) * ( a 2 e - ( x - t ) 2 / c 2 2 ) - - - ( 4 )
其中，h(x)表示旁瓣的自相关曲线，k(x)表示主峰的自相关曲线。
从式中可以看出，双脉冲的脉冲间隔t是两个峰极值点的横坐标之差，因此，从自相关曲线上，可以很快地得到双脉冲的脉冲间隔t，t的表达式如下式所示：
t＝|x2-x1|   (5)
其中，x1和x2分别表示旁瓣和主峰极值点的横坐标值。因此发明人采用式(5)来获得多脉冲的脉冲间隔。
对于(3)和(4)这两个卷积方程，由于无法求出数值解，所以发明人采用了非线性拟合的方法来求解相关参数。经过测试，拟合出的曲线非常接近实验结果。最后，通过拟合得到的a1,a2,c1,c2的数值，就可以获得双脉冲的脉冲宽度和强度参数。根据a1,a2之值可以通过式(6)计算出脉冲的脉冲间隔，根据振幅相关信息a1和a2之比可以获得脉冲能量比。
c 1 = 2 2 d 1 , c 2 = 2 2 d 2 - - - ( 6 )
其中d1，d2表示两个脉冲的脉冲宽度。
图5为本发明一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的系统结构示意图，如图5所示，所述系统包括：分束调节模块51、自相关仪52和拟合模块53，其中，
所述分束调节模块51，用于将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲，调制后发送给自相关仪52；
具体的，所述分束调节模块51进行分束调节，具体为：通过分光平片或双折射晶体进行分束。进一步的除了分光平片或双折射晶体外，还包括其他常用的分束器件。
所述自相关仪52，用于根据调制后的两个脉冲，获得双脉冲的自相关曲线，将结果发送给拟合模块53；
所述拟合模块53，用于对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
具体的，所述拟合模块53对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，具体为：所述拟合模块53利用非线性拟合的方法，其基本原理为最小二乘法，即拟合出与实验自相关曲线方差最小的规则的基于高斯函数的自相关曲线，来求解所需相关参数的方法，根据双脉冲自相关曲线的旁瓣、主峰的拟合值，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法，其特征在于，所述方法，包括：
将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲；
将所述两个脉冲经过调制后引入自相关仪，获得双脉冲的自相关曲线；
对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分束调节，具体为：通过分光平片或双折射晶体进行分束。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，具体为：利用非线性拟合的方法，拟合出与实验自相关曲线方差最小的规则的基于高斯函数的自相关曲线，根据双脉冲自相关曲线的旁瓣、主峰的拟合值，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
4.一种获得双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的系统，其特征在于，所述系统包括：分束调节模块、自相关仪和拟合模块，其中，
所述分束调节模块，用于将飞秒激光单脉冲分束调节为两个具有飞秒级脉宽与脉冲间隔的脉冲，调制后发送给自相关仪；
所述自相关仪，用于根据调制后的两个脉冲，获得双脉冲的自相关曲线，将结果发送给拟合模块；
所述拟合模块，用于对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述分束调节模块进行分束调节，具体为：通过分光平片或双折射晶体进行分束。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述拟合模块对双脉冲的自相关曲线进行拟合，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比，具体为：所述拟合模块利用非线性拟合的方法，拟合出与实验自相关曲线方差最小的规则的基于高斯函数的自相关曲线，根据双脉冲自相关曲线的旁瓣、主峰的拟合值，获得双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比。
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