CN104089710B - 时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法及装置，该装置包括平凸柱透镜、相关晶体、平凸圆透镜和信号接收系统，该信号接收系统依次包括光纤阵列、光电倍增管和数字示波器，该方法为：聚焦系统将待测光一维(x维度)聚焦至非线性晶体前表面；远场待测光束与取样光束在非线性晶体的两个横向空间维度(x‑y)分别进行空间域和时间域的互相关作用；时空互相关产生沿空间分布的二维相关信号；成像系统将相关信号两维成像至接收系统探测面；信号接收系统高动态地测量相关信号x和y维度的强度分布。本发明可以测量具有时空耦合特性的噪声并能够甄别噪声的具体来源，适用于测量和研究高峰值功率激光的远场脉冲信噪比。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种时空分辨的远场脉冲信噪比的测量方法和装置以及时空噪声来源的在线甄别方法。
背景技术
脉冲信噪比(或对比度)是超高峰值功率激光的一个重要技术参数，定义为脉冲峰值强度与其本底噪声强度的比值。如果激光脉冲的信噪比不高，那么强的光噪声会干扰主脉冲与物理靶的相互作用。因此控制和测量脉冲信噪比有利于顺利实施激光-物质相互作用实验。
脉冲信噪比的测量主要依赖光学互相关技术，它要求有一束比待测光信噪比更高的取样光，与待测光在非线性晶体中发生互相关作用，通过探测产生的相关信号强度与两作用光之间时间延时的变化关系，得到待测脉冲的信噪比。扫描式三阶互相关器已经商品化(Sequoia,Amplitude Technologies,France)，它采用倍频装置产生取样脉冲，然后与待测脉冲在晶体中进行和频作用，产生三倍频信号，被光电倍增管接收。为了测量低重复率的脉冲信噪比，单次互相关器也被开发出来，主要采用待测光与取样光的非共线作用将待测光的时间强度信息转换成相关信号的空间强度信息。
现有的扫描或单次的互相关技术都仅作用在时域，并且绝大多数发生在光束的近场。然而目前物理实验均是在光束焦点处(即远场)进行。最新的研究表明某些激光噪声在光束远场会出现时空耦合的特性，使得远场脉冲信噪比本质上是空间依赖的，这要求脉冲信噪比的测量必须同时在时间域和空间域进行，而且要在光束远场进行测量。现有的时域互相关技术无法实现这种测量能力。
发明内容
本发明针对上述需求，提出一种时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法和装置。具体途径是将互相关从时域扩展到时空域，形成时空互相关器。利用时空互相关器，既可以在时空域进行两维测量，同时可以诊断时空噪声的具体来源。本发明可以指导高信噪比高强度激光系统的设计，为直接在强场物理实验靶所在位置研究信噪比铺平了道路。
本发明方法原理如下：
聚焦系统将待测光一维(x维度)聚焦至非线性晶体前表面；远场待测光束与取样光束在非线性晶体的两个横向空间维度(x-y)分别进行空间域和时间域的互相关作用；时空互相关过程产生两维分布的相关信号，其在x和y维度的强度分布分别对应待测脉冲空间域和时间域的信噪比信息；成像系统将相关信号二维成像至接收系统探测面；信号接收系统高动态地测量相关信号x和y维度的强度分布，即得到待测脉冲的远场信噪比。
本发明的技术解决方案如下：
一种时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法，其特点在于包含以下步骤：
1)在空间x维度聚焦待测光，使其焦点落在相关晶体的前表面；
2)远场待测光束与取样光束在非线性晶体的两个横向空间维度(x-y)分别进行空间域和时间域的互相关作用，产生两维空间分布的相关信号；
3)将所述的二维相关信号成像至接收系统的探测面；
4)所述的接收系统高灵敏探测二维相关信号，给出待测脉冲信噪比的时空分布。
聚焦发生的x维度是光噪声具有时空耦合特性的维度；如果噪声在两个维度均有时空耦合特性，则x维度指的是其中一个维度，此时要测量噪声沿y维度的远场分布，需要在y维度进行聚焦。
所述的取样光束光斑在相关晶体表面的光斑是大光斑，或是聚焦光斑，聚焦方向与待测光束聚焦方向相同。
所述的待测光束与所述的取样光束在y维度进行非共线互相关作用，实现单次时间测量；在x维度进行空域互相关作用，根据取样光束是大光斑还是聚焦光斑，可工作在空域单次或扫描模式。
所述的探测系统具备较高的两维空间分辨能力，并且具有高的探测灵敏度。
实施上述测量方法的远场脉冲信噪比单次测量装置，其构成包含：平凸柱透镜、相关晶体、平凸圆透镜和信号接收系统，该信号接收系统依次包括光纤阵列、光电倍增管和数字示波器，所述的光纤阵列由依次的N根光纤通道、每一根光纤通道所加的衰减器和光纤集束端构成，所述的光纤通道从光纤阵列的一端到光纤集束端的长度依次增大，递增间隔为L米，所述的相关晶体位于所述的平凸柱透镜的焦平面和所述的平凸圆透镜的物平面，所述的光纤阵列位于所述的平凸圆透镜的像平面，所述的N根光纤阵列的线阵列与所述的平凸柱透镜的焦线平行，所述的光电倍增管的输出端与所述的数字示波器的输入端相连。
所述的光纤为通信光纤或紫外光纤，所述的光纤阵列固定于可在x维度平移的机构上，所述的光纤通道依次的递增间隔L为1-2米，所述的N的选取范围为50-200。
所述的光纤阵列将接收到的y维度的相关信号转换成时间串行的脉冲序列，依次被光电倍增管接收。
使用上述装置的时空噪声来源的在线甄别方法，其特点在于光纤阵列处于某个空间位置，监视示波器显示图像，利用一张镜头纸干扰某个光学表面上的光束，此时示波器上显著增强的那个信号峰即是该光学表面不理想引起的。
由于该装置在时间域是单次测量，所以在某个空间x位置，示波器上会同时显示一组数据，这使得该装置可在线甄别时空噪声的来源。时空噪声一般来源于激光放大系统所用脉冲展宽器和压缩器中不理想的光学件表面。一般来说，不同的光学元件产生的时空噪声的斜率不同，因此会出现在示波器的不同时刻位置。甄别时，将光纤阵列固定在某个x位置，监视示波器，一般在示波器上会看到几个信号峰；使用一张镜头纸，干扰某个光学表面上的光束(相当于增强该光学件表面的不理想)，此时在示波器上会观察到某个信号峰突然增强，这样可以判定增强的这个噪声峰即是来源于该光学表面。
本发明可以测量具有时空耦合特性的噪声并能够甄别噪声的具体来源，适用于测量和研究高峰值功率激光的远场脉冲信噪比。本发明将在高对比度激光系统的建设和优化过程中发挥不可替代的优势。除此以外，本发明还有望应用于光学亚表面损伤探测、超快非线性光学和时空分辨的光谱学等领域。
附图说明
图1为本发明时空分辨的远场脉冲信噪比测量装置的结构示意图。
图2为一种实施例的光路框图。
图3为实施例所用的脉冲展宽器结构图。
图4为实施例所用的脉冲压缩器结构图
图5为实施例的测量结果图。
图6为实施例噪声来源的甄别结果图。
图中标号：1为待测光，2为取样光，3为平凸柱透镜，4为非线性晶体，5为晶体表面的取样光斑，6为晶体表面的待测光斑，7为相关信号，8为平凸圆透镜，9为光纤阵列，10为光纤通道，11为衰减器，12为光纤集束，13为光电倍增管，14为数字示波器，15为钛宝石再生放大器，16为光参量放大装置，17为交叉极化波产生装置，18为脉冲展宽器(详见图3)，19为脉冲压缩器(详见图4)，20为时空分辨的远场脉冲信噪比测量装置(详见图1)，21为展宽器光栅，22为凹面镜，23为凸面镜，24为展宽器竖直屋脊镜，25～28分别为第1～4次通过凹面镜的光束，29为压缩器光栅，30为水平屋脊镜，31为压缩器竖直屋脊镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
图1是本发明时空分辨的远场脉冲信噪比测量装置实施例结构示意图。由图可见，本发明远场脉冲信噪比单次测量装置，其特征在于构成包含：平凸柱透镜3、相关晶体4、平凸圆透镜8和信号接收系统，该信号接收系统依次包括光纤阵列9、光电倍增管13和数字示波器14，所述的光纤阵列由依次的N根光纤通道10、每一根光纤通道所加的衰减器11和光纤集束端12构成，所述的光纤通道从光纤阵列9的一端到光纤集束端12的长度依次增大，递增间隔为L米，所述的相关晶体4位于所述的平凸柱透镜3的焦平面和所述的平凸圆透镜8的物平面，所述的光纤阵列9位于所述的平凸圆透镜8的像平面，所述的N根光纤阵列9的线阵列与所述的平凸柱透镜3的焦线平行，所述的光电倍增管13的输出端与所述的数字示波器14的输入端相连。
本实施例的光源产生的激光分为两部分，一部分经过非线性滤波后作为取样光2，另一部分经过一个焦距为F的平凸柱透镜3在x空间维度聚焦，其焦线6落在非线性晶体4的表面，这样可以模拟实验的靶点位置(即光束远场位置)。F可以灵活选取，一般在20cm到100cm之间。非线性晶体可以选取常见的BBO晶体或铌酸锂晶体。待测光的焦线6与取样光斑5在晶体4中发生和频相关作用。两光束在y空间维度有一定的非共线角，目的是实现时间域单次测量。非共线角的大小决定了单次时间窗口的大小，比如使用BBO晶体的情况下，如果晶体内的非共线角为38.8°，那么1cm的晶体宽度对应的单次时间窗口为36ps。一般而言，单次时间窗口在40-100ps之间；在x维度，取样光分别与待测光束远场不同空间位置的信号作用，实现空间域互相关。在取样光斑比较大的情况下，空间域互相关工作在单次模式，取样光斑的口径D决定了单次空间角窗口为D/F；而取样光也在x维度聚焦的情况下，空间域互相关工作在扫描模式：取样光焦线要在x维度平移，以探测不同位置的待测脉冲，其可扫描的范围S决定了空间角范围为S/F。聚焦系统和时空互相关系统使得该装置可以工作在光束远场，并且具备了时空分辨的能力，从而弥补了现有技术的不足。
时空互相关产生和频相关信号7，它的x、y维度的强度分布分别表示待测光空间角域θx、时间域τ的信噪比信息。因此需要将相关信号进行精确二维成像。本装置采用包括一块平凸透镜8的单透镜成像系统，成像比例为1:1。根据实际情况，可灵活选用成像系统和成像比例。
探测系统需要具备两维空间分辨能力，以探测二维空间分布的相关信号。本装置采用的探测系统包括沿y维排列的光纤阵列9、光纤通道10、衰减器11、光纤集束12、光电倍增管13和数字示波器14。光纤阵列位于成像系统的像面，接收相关信号。光纤通道数为N，根据信号波长，可选取通信光纤或紫外光纤。光纤阵列可在x维度平移，以探测不同空间x位置的相关信号。在某个x空间位置，光纤阵列接收y维度的相关信号，并将其取样N个点。光纤通道从光纤阵列的一端到另一端的长度依次增大，递增间隔为L米。经过光纤通道传输后，在光纤集束出射的信号变成时间串行信号，时间间隔为Ln/c，其中n为光纤的折射率，c为真空中光速。串行信号被光电倍增管接收，L的选取要保证串行信号的时间间隔大于光电倍增管的响应时间，一般在1-2m。N的选取关系到空间分辨率，一般在50-200。为了保证各光纤通道的信号不超过光电倍增管的测量上限，需要在信号强的光纤通道上加入一定量的光纤衰减器。使用数字示波器分析光电倍增管的输出信号。在一个x空间位置，可得到一组示波器数据，数据个数为N；记录M个x位置的示波器数据，可得到N×M个数据。通过分析这N×M个数据，结合测量时相应光纤通道的衰减值，可得到待测脉冲的时空信噪比信息。
本实施例待测脉冲1经过平凸柱透镜3(焦距为50cm)一维聚焦后，其焦斑6【100-μm(x)×15-mm(y)】落在非线性晶体4的表面上。取样光束2落在晶体4表面为一大光斑5【4-mm(x)×15-mm(y)】。非线性晶体采用BBO晶体，切割角度78°，厚度为3mm。待测焦斑6与取样光斑5在y方向非共线作用，将待测脉冲时间域的强度分布转换到相关信号空间y方向的强度分布，晶体内非共线角为38.8°，产生单次时间窗口约36ps/cm；同时两者在x方向发生空域互相关作用，将待测脉冲远场空间角的强度分布转换到相关信号空间x方向的强度分布。时空互相关作用产生的二维相关信号7被一平凸透镜8(焦距为20cm)1:1成像至光纤阵列9的端面。光纤阵列9包括100根紫外光纤通道10(Ceram Optec，纤芯为105μm)，长度从3m依次增大到102m，相邻光纤长度间隔为1m。光纤阵列9装卡在一个竖直平移台上，即在x方向平移的平移台。光纤通道10上加有衰减器11，根据每个通道内信号的大小可调节衰减值。光纤集束12输出的信号为时间上串行的脉冲序列，被光电倍增管13接收(H6780-04，Hamamatsu)。光电倍增管13输出的信号输入到数字示波器14中进行分析。对于以上设计参数，该装置的空间分辨率和时间分辨率分别为0.2mrad和0.5ps。
下面列举一个实施例，利用图1所示装置测量一个实际展宽-压缩器系统产生的时空噪声，光路图见图2。光源为钛宝石再生放大器15，输出激光中心波长为800nm，能量为3mJ，重复频率为1kHz。其中1mJ的能量泵浦一个光参量放大装置16【详见ScientificReports,Vol.4,pp.3818(2014)】产生约200μJ的取样光2，剩余的2mJ首先经过一个交叉极化波产生装置17【详见Scientific Reports,Vol.4,pp.3818(2014)】滤除激光中携带的噪声，然后依次经过脉冲展宽器18和脉冲压缩器19后作为待测光1。其中脉冲展宽器18为型展宽器，结构见图3，它包括一块光栅21(1480线/mm)、一块凹面镜22(曲率半径为2m)、一块凸面镜23(曲率半径为1m)和一竖直屋脊镜24。落在凹面镜22上总共有四条光束25～28，分别是第1～4次通过凹面镜的光束。脉冲压缩器19包括一块光栅29(1480线/mm)、水平屋脊镜30和竖直屋脊镜31。展宽器和压缩器中所用镜面均为镀金表面，根据理论研究结果【J.Opt.Am.B,Vol.29,pp.1125-1135(2012)】，这些光学件表面的不理想(不是绝对光滑)会在压缩脉冲的远场引发时空噪声。
下面是一个应用实施例：
我们利用本发明时空分辨的远场脉冲信噪比测量装置来测量由展宽器18和压缩器19引发的时空噪声。利用本发明装置测量的远场脉冲信噪比见图5。测量除了远场轴上(θx＝0)进行测量外，还在其余四个空间位置(θx＝±1，±2mrad)进行测量。根据噪声的时空斜率的不同，可将时空噪声分成5组，编号从①～⑤。根据噪声时空斜率α与光学件所在位置脉冲空间-光谱耦合系数δ的关系α＝kδ，可确定每一组噪声的来源。通过计算展宽器18和压缩器19中所有光学件对应的δ，确定了①～⑤号噪声的来源，分别为：①来源于凹面镜22上的光束26和27，②来源于光栅21和屋脊镜24，③来源于水平屋脊镜30，④来源于光栅29和竖直屋脊镜31，⑤来源于凹面镜22上的光束25和28。
下面介绍利用该装置进行在线噪声来源甄别的方法。如图6所示，我们将光纤阵列固定在θx＝2mrad，可在示波器(图6a,d)上看到五个信号峰(①～⑤)，分别对应图6中θx＝2mrad时测量结果的五个噪声峰。我们监视示波器显示，利用一张镜头纸干扰光束25，发现示波器上最右边一个信号峰突然增强(图6b)，数据处理显示该峰增强了约1个数量级(图6c)，这说明该信号峰即是来源于光束25所在的光学表面。同理，利用镜头纸干扰光束26，发现示波器上最左边一个信号峰突然增强(图6e)，数据处理显示该峰增强了1个多数量级(图6f)，这说明该信号峰即是来源于光束26所在的光学表面。利用这种方法可方便地检测展宽器和压缩器中所有的光学表面，省时省力。
Claims (9)
1.一种时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法，其特征在于包含以下步骤：
1)在空间x维度聚焦远场待测光，使其焦点落在非线性晶体的前表面；
2)远场待测光束与取样光束在非线性晶体的两个横向空间维度x-y分别进行空间域和时间域的互相关作用，产生两维空间分布的相关信号；
3)将所述的两维空间分布的相关信号成像至接收系统的探测面；
4)所述的接收系统高灵敏探测二维相关信号，给出远场待测光束信噪比的时空分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于聚焦发生的x维度是光噪声具有时空耦合特性的维度；如果噪声在两个维度均有时空耦合特性，则x维度指的是其中一个维度，此时要测量噪声沿y维度的远场分布，需要在y维度进行聚焦。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的取样光束光斑在相关晶体表面的光斑是大光斑，或是聚焦光斑，聚焦方向与待测光束聚焦方向相同。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的待测光束与所述的取样光束在y维度进行非共线互相关作用，实现单次时间测量；在x维度进行空域互相关作用，根据取样光束是大光斑还是聚焦光斑，工作在空域单次或扫描模式。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述的探测系统具备两维空间分辨能力和探测灵敏度。
6.一种实施权利要求1所述测量方法的远场脉冲信噪比单次测量装置，其特征在于构成包含：平凸柱透镜(3)、相关晶体(4)、平凸圆透镜(8)和信号接收系统，该信号接收系统依次包括光纤阵列(9)、光电倍增管(13)和数字示波器(14)，所述的光纤阵列(9)由依次的N根光纤通道(10)、每一根光纤通道的衰减器(11)和光纤集束端(12)构成，所述的光纤通道从光纤阵列(9)的一端到光纤集束端(12)的长度依次增大，递增间隔为L米，所述的相关晶体(4)位于所述的平凸柱透镜(3)的焦平面和所述的平凸圆透镜(8)的物平面，所述的光纤阵列(9)位于所述的平凸圆透镜(8)的像平面，所述的N根光纤阵列(9)的线阵列与所述的平凸柱透镜(3)的焦线平行，所述的光电倍增管(13)的输出端与所述的数字示波器(14)的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的远场脉冲信噪比单次测量装置，其特征在于所述的光纤为通信光纤或紫外光纤，所述的光纤阵列固定于可在x维度平移的机构上，所述的光纤通道依次的递增间隔L为1-2米，所述的N的选取范围为50-200。
8.根据权利要求6所述的远场脉冲信噪比单次测量装置，其特征在于所述的光纤阵列将接收到的y维度的相关信号转换成时间串行的脉冲序列，依次被光电倍增管接收。
9.一种使用权利要求6所述装置的时空噪声来源的在线甄别方法，其特征在于光纤阵列处于某个空间位置，监视示波器显示图像，利用一张镜头纸干扰某个光学表面上的光束，此时示波器上显著增强的那个信号峰即是该光学表面不理想引起的。
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