CN104075815B

CN104075815B - 基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置及方法

Info

Publication number: CN104075815B
Application number: CN201410298229.8A
Authority: CN
Inventors: 刘红军; 韩靖; 孙启兵; 黄楠
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: CN104075815A

Abstract

本发明属于光学技术领域，涉及一种测量装置及方法，具体涉及一种基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置及方法。该装置包括分束镜、双面反射镜、反射镜、第一和频晶体、第二和频晶体、二向色镜、λ/2半波片、透镜、步进电机以及探测器CCD；被测单次脉冲被上述元件获得三次谐波脉冲序列的强度随延迟量变化的曲线，通过该曲线计算被测单次脉冲的信噪比；本发明的方法原理简单，装置结构紧凑，调试简单、测试精度高。

Description

基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种测量装置及方法，具体涉及一种基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置及方法。

背景技术

飞秒激光脉冲作为一种短脉宽、高强度的激光光源，在强场物理、物质微观性质探测、大容量信息存储、高速光通信等方面应用倍受青睐，但是这些应用对脉冲的信噪比都有很高的要求。当预脉冲的峰值功率超过介质的电离阈值，就会先于主脉冲与介质表面发生电离反应，形成等离子体表面，从而改变介质的属性，影响主脉冲与介质的相互作用，甚至主脉冲与介质完全不能发生预期作用。这点在大型激光点火装置、超精细激光加工领域是非常重要的，都需要稳定、高对比度、合适波形的脉冲才能使用。因此我们必须得知待使用的激光脉冲信噪比参数是否达到要求，也就是要实现对激光脉冲信噪比的测量。

以往基于强度相关函数的测量方式都建立在大量超短激光脉冲的基础上，也就是高重频的脉冲。对于单次激光脉冲，目前的测量方式无法提供多次采样数据，也就是不能利用强度相关函数的方法测量信噪比。

现有的一些单次脉冲复制成脉冲序列，以实现强度相关函数的方法，比如光纤复制环等，在复制环内同时注入单次信号光和泵浦光，以输出大量的等强度信号光的复制序列，对序列进行切割然后累积平均。然而该方法结构比较复杂，需要利用到光衰减器、光纤耦合器、光纤隔离器、波分复用器、掺镱增益光纤等元器件，涉及到增益光纤中的色散问题，并且一般只能适用于纳秒级的单次脉冲复制，另外还需要大量的软件处理以消除噪声积累，因此在单次脉冲测量中并不能实用化和集成化。另外一些直接测量单次脉冲的方法，如某些扫描式光快门方法，也会存在低的时域分辨率及动态范围不高的缺点。高的时域分辨率及动态范围、宽的时域窗口是实现单次激光脉冲信噪比测量的三个最重要的指标，时域分辨率基本在飞秒及数个皮秒量级为宜，分辨率越高，测量结果越精确。现有的方法动态范围一般在10⁵至10⁶左右，受限于各种因素难以提高，但是更高的动态范围明显有利于检测信噪比净化更好的脉冲。时域窗口要尽量宽，要能包含单次脉冲的整个时域波形，对于单次的飞秒激光脉冲，时域窗口在数十个皮秒为宜。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种测量精度高、结构简单的基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置及方法。

本发明的具体技术方案是：

一种基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置，其特征在于：包括分束镜、双面反射镜、反射镜、第一和频晶体、第二和频晶体、二向色镜、λ/2半波片、透镜、步进电机以及探测器CCD；

所述分束镜将被测单次脉冲分成第一基频脉冲和第二基频脉冲；

所述第一基频脉冲的光路上正对设置有双面反射镜；

所述第二基频脉冲的光路依次设置有反射镜、第一和频晶体、二向色镜和λ/2半波片；

所述第一基频脉冲经双面反射镜后形成的等时间间隔、脉冲强度递减的脉冲序列；所述第二基频脉冲经反射镜、第一和频晶体、二向色镜和λ/2半波片后形成倍频脉冲；所述倍频脉冲的行进路线方向与所述脉冲序列相同且相互平行；所述倍频脉冲的偏振方向与脉冲序列相互平行；

所述脉冲序列和倍频脉冲经过透镜的聚焦后经过第二和频晶体产生三次谐波脉冲序列；

所述步进电机位于脉冲序列的行进路线上或倍频脉冲的行进路线上或第二和频晶体与探测器CCD之间；

所述三次谐波脉冲序列垂直入射至探测器CCD。

上述第二和频晶体和探测器CCD之间的设置有环形挡光板。

基于上述测量装置，现提出该装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)被测单次脉冲的分束；

被测单次脉冲经过分束镜分成第一基频脉冲和第二基频脉冲；

2)三次谐波脉冲序列的获取；

2.1)第一基频脉冲正射入双面反射镜，经双面反射镜的前后两个镜面多次反射，产生等时间间隔、脉冲强度递减的脉冲序列；同时，所述第二基频脉冲依次经过反射镜、第一和频晶体、二向色镜和λ/2半波片产生倍频脉冲；所述倍频脉冲的行进路线方向与所述脉冲序列相同且相互平行；所述倍频脉冲的偏振方向与脉冲序列相互平行；

2.2)调节延迟量使得所述脉冲序列和倍频脉冲分别通过透镜后同步到达第二和频晶体，产生三次谐波脉冲序列；

3)被测单次脉冲信噪比获取；

3.1)所述三次谐波脉冲序列正射入探测器CCD，得到三次谐波脉冲序列强度随延迟量发生变化的相关曲线；所述曲线由若干个峰组组成，每个峰组包括左侧峰、中间峰以及右侧峰，一个峰组代表一个三次谐波脉冲信号；曲线的横坐标为延迟量，纵坐标为三次谐波脉冲序列强度；

3.2)根据步骤3.1)中获得曲线，计算被测单次脉冲的信噪比。

上述步骤3.2)的具体步骤如下：

3.2.1)根据曲线得到每个峰组的左侧峰、中间峰以及右侧峰的强度值；

3.2.2)计算中间峰/左侧峰、左侧峰/右侧峰、中间峰/右侧峰的强度值之比，得到每个峰组的三个信噪比；

3.2.3)累加所有峰组的信噪比，求平均值，得出被测单次脉冲的信噪比。

本发明的优点在于：

1、本发明采用的装置结构简单，解决了以往脉冲复制结构非常复杂而且只能用于纳秒级脉冲复制的缺点，该方法对于皮秒、飞秒级脉冲均适用；

2、本发明采用将单次脉冲转化为等比强度的三次谐波脉冲序列，时域窗口能达到百皮秒级，能够用步进电机实时调节延迟，解决了以往单次脉冲测量无法使用强度相关技术的缺点。

3、本发明采用三阶相关法不仅能精确给出预脉冲相对于主脉冲的相位，还能比二阶相关法有更高的精确度。

4、本发明采用累计平均值的方式获取单次脉冲信噪比，解决了单个脉冲测量误差大的缺点。

附图说明

图1为本发明装置的结构简图。

图2三次谐波脉冲序列强度变化与延迟量的关系曲线。

附图标记如下：1-双面反射镜、2-分束镜、3-第二基频脉冲、4-反射镜、5-第一和频晶体、6-二向色镜、7-λ/2半波片、8-倍频脉冲、9-透镜、10-光栅、11-探测器CCD、12-三次谐波脉冲序列、13-第二和频晶体、14-步进电机、15-脉冲序列、16-第一基频脉冲。

具体实施方式

本发明提出了一种基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置及方法，结合附图1，对本发明中的测量装置结构进行描述：该装置包括分束镜2、双面反射镜1、反射镜4、第一和频晶体5、第二和频晶体13、二向色镜6、λ/2半波片7、透镜9、步进电机14以及探测器CCD11；

分束镜2将被测单次脉冲分成第一基频脉冲16和第二基频脉冲3；

第一基频脉冲16的光路上正对设置有双面反射镜1；

第二基频脉冲3的光路依次设置有反射镜4、第一和频晶体5、二向色镜6和λ/2半波片7；

第一基频脉冲16经双面反射镜1后形成的等时间间隔、脉冲强度递减的脉冲序列15；

第二基频脉冲3经反射镜4、第一和频晶体5、二向色镜6和λ/2半波片7后形成倍频脉冲8；倍频脉冲8的行进路线方向与脉冲序列15相同且相互平行；倍频脉冲8的偏振方向与脉冲序列15相互平行；

脉冲序列15和倍频脉冲8经过透镜9的聚焦后经过第二和频晶体13产生三次谐波脉冲序列12；

步进电机14位于脉冲序列15的行进路线上或倍频脉冲8的行进路线上或第二和频晶体13与探测器CCD11之间；

三次谐波脉冲序列12垂直入射至探测器CCD11。

第二和频晶体和探测器CCD之间的设置有环形挡光板。

根据上述装置的描述，现对该装置具体测试的方法进行详述：

步骤1)被测单次脉冲的分束；

步骤2)三次谐波脉冲序列的获取；

步骤2.1)第一基频脉冲正射入双面反射镜，经双面反射镜的前后两个镜面多次反射，产生等时间间隔、脉冲强度递减的脉冲序列；具体强度变化的规律是：假设被测单次脉冲的强度为I，双面反射镜的前后表面的反射率分别为R₁、R₂，则获得经双面反射镜第一次反射得到的脉冲强度为R₁I,第二次反射得到的脉冲强度为(1-R₁)²R₂I，第三次反射得到的脉冲强度为(1-R₁)²R₁R₂ ²I,以此类推，第N次反射的脉冲强度为(1-R₁)²R₁ ^N-1R₂ ^N-2I,即除第一次脉冲强度以外之后经双面反射镜每一次的脉冲随着R₁R₂的比例系数递减；N:双面反射镜获得的脉冲序列个数；

脉冲之间的时间延迟取决于双面反射镜玻璃板的厚度h与双面反射镜对单次脉冲的折射率n，延迟时间为2nh/c,其中c为真空中光速，该脉冲序列可以在时域窗口上达到百皮秒级别。

在进行步骤2.1)的同时，第二基频脉冲依次经过反射镜、第一和频晶体、二向色镜和λ/2半波片产生倍频脉冲；

其中，第二基频脉冲经过第一和频晶体后，产生了频率为第二基频脉冲的2倍，波长为第二基频脉冲的1/2，且偏振方向与脉冲序列相垂直的倍频脉冲；

由于产生的倍频脉冲中还可能含有第二基频脉冲，因此本装置中还加入了二向色镜用于滤掉倍频脉冲中夹杂的基频脉冲，只让倍频脉冲通过；之后再经过1/2半波片使倍频脉冲偏振方向旋转90度，保证倍频脉冲的偏振方向与脉冲序列相同；

根据以上描述的技术手段可知；倍频脉冲的的行进路线方向与所述脉冲序列相同且相互平行；倍频脉冲的偏振方向与脉冲序列相互平行；

步骤2.2)步骤2.1)产生的脉冲序列和倍频脉冲分别通过透镜，并通过步进电机调节延迟量使得脉冲序列和倍频脉冲同步到达第二和频晶体，产生三次谐波脉冲序列；(此处所说的延迟量指的是倍频脉冲和脉冲序列到达第二和频晶体的时间差，这个时间差小于脉冲序列的总时域宽度从而确保保证倍频脉冲和脉冲序列能发生作用)

步骤3)被测单次脉冲信噪比获取；

步骤3.1)三次谐波脉冲序列正射入探测器CCD，得到三次谐波脉冲序列强度随延迟量发生变化的相关曲线；如图2所示：曲线由若干个峰组组成，每个峰组包括左侧峰、中间峰以及右侧峰，一个峰组代表一个三次谐波脉冲信号；曲线的横坐标为延迟量，纵坐标为三次谐波脉冲序列强度；

由于第二和频晶体产生的三次谐波脉冲序列中有一部分的倍频脉冲或者脉冲序列没有完全被第二和频晶体和频处理为三次谐波脉冲序列，这一部分的倍频脉冲或者脉冲序列按照原来的行进路线行进；因此在第二和频晶体和探测器CCD之间设置有用于过滤未被和频的倍频脉冲或者脉冲序列的环形挡光板。

步骤3.2)根据步骤3.1)中获得如图2曲线，计算被测单次脉冲的信噪比。

其中，步骤3.2)的具体步骤如下：

步骤3.2.1)由图2可以看出该曲线是由若干个峰组组成；由于第一峰和第二峰不能组成一个峰组，无法代表一个三次谐波脉冲序列因此，首先需要去掉曲线中第一峰和第二峰，取第三、四、五峰为第一峰组，之后依次类推，每三峰为一个峰组；

步骤3.2.2完成上述步骤3.2.1)后计算中间峰/左侧峰、左侧峰/右侧峰、中间峰/右侧峰的强度值之比，得到每个峰组的三个信噪比；即一次三次谐波脉冲的信噪比；

现在以第一峰组为例给出具体计算过程：

根据图2曲线得到第一峰组的左侧峰(第三峰)、中间峰(第四峰)以及右侧峰(第五峰)的强度值(不含相位)；分别是：中间峰：左侧峰：右侧峰：

其中：I_m、I_p分别为被测单次脉冲中主脉冲和预脉冲的峰值强度；

第四峰强度值比第三峰强度值等于第四峰强度值比第五峰第三峰强度值比第五峰强度值等于，

其中：a，b值为与脉冲半峰全宽有关的中间变量；

Δτ_m、Δτ_p为被测单次脉冲的主脉冲与预脉冲的半峰全宽；

A为被测峰的信噪比；

步骤3.2.3)根据步骤3.2.2)得到的各个峰组的信噪比，累加所有峰组的信噪比，求平均值，得出被测单次脉冲的信噪比。

通过使用本发明提供的装置和方法对于脉宽较大的单次脉冲，可以选择厚度较大的反射镜。该方法时域分辨率能够达到1ps，时域窗口能达到100ps，当采用分束比α＝50％的分束镜，双面镜反射率为50％时，动态范围可以达到α²(1-α)(1-R₁)²R₁ ⁸R₂ ⁹≈2×10⁷，各参数能很好的符合预期要求。

Claims

1.一种基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置的测量方法，其特征在于：采用的测量装置包括分束镜、双面反射镜、反射镜、第一和频晶体、第二和频晶体、二向色镜、λ/2半波片、透镜、步进电机以及探测器CCD；

所述第一基频脉冲的光路上正对设置有双面反射镜；

所述三次谐波脉冲序列垂直入射至探测器CCD；

采用所述测量装置的测量方法步骤是：

1)被测单次脉冲的分束；

2)三次谐波脉冲序列的获取；

3)被测单次脉冲信噪比获取；

3.2)根据步骤3.1)中获得曲线，计算被测单次脉冲的信噪比；

2.根据权利要求1所述的基于产生脉冲序列的单次脉冲的信噪比测量装置的测量方法，其特征在于：所述第二和频晶体和探测器CCD之间的设置有环形挡光板。