CN104296883A - 基于光克尔快门的单次信噪比测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光克尔快门的单次信噪比测量装置及方法。包括对待测信号光进行分束的分束单元，用于待测信号光通行的待测信号光通道，还包括光克尔介质与偏振方向垂直的两个偏振器构成的光克尔快门及用于接收测量数据进行探测的探测装置。本发明提供了一种时间分辨率高、时间窗口大、光谱接收范围大、结构简单，方便实用，成本低的基于光克尔快门的单次信噪比测量装置及方法。

Description

基于光克尔快门的单次信噪比测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及一种信噪比测量装置及方法，尤其涉及一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置及方法。

背景技术

近年来，随着啁啾脉冲放大技术(CPA)和光学参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)的不断发展，超短超强脉冲激光技术的研究实现了跨越式发展，这一技术与用于激光核聚变的高功率固体激光器相耦合，形成了全新的一代超短超强脉冲固体激光器，所获得的脉冲宽度一般为数十飞秒～数百飞秒，输出功率超过1PW，聚焦功率密度高达10¹⁹～10²²W/cm²。这样的功率密度创造了实验室中前所未有的强电场、强磁场、高压强和高温度等极端物理条件，为强场物理和高能密度物理等许多领域的研究提供了强有力的工具，为科学家们探索新现象、新规律和可能的应用提供了关键技术基础和支撑，已经被广泛应用于高能物理、惯性约束核聚变、高强度X射线辐照源、粒子加速、产生激光等离子体、阿秒物理、天体物理等许多与超强激光相融合的交叉学科和备受科学界关注的前沿领域，给科学家们带来了未曾想到的一些新奇物理现象。然而，随着超短超强脉冲峰值功率的增加，强场物理实验对脉冲信噪比的要求也越来越高，尤其是当超短超强脉冲激光用于与物质相互作用有关的研究领域中时，其关键技术难题就是信噪比不高和预脉冲的存在。信噪比是指激光主脉冲峰值强度和预脉冲峰值强度或放大的自发辐射强度的比值，已经成为高功率激光系统最重要的参数之一。聚焦光强越大，对信噪比的要求越高，激光系统就要有更加严格的设计以达到实验的要求，同时也就对现有的脉冲信噪比测量技术提出了新的挑战。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。信噪比的测量已成为超短超强激光及其应用研究中一个不可或缺的重要环节，是一切研究和使用的重要前提。高重复率激光脉冲的信噪比通常采用扫描方式测量，可以比较准确的测量脉冲的子脉冲、前沿、后沿等噪声信息。而对于低重复频率甚至没有重复频率(单次)的超短超强激光脉冲的信噪比测量，扫描方式不再适用，必须发展具备高动态范围的单次信噪比测量技术，即要求只根据一个激光脉冲，就可以测出在一定时间窗口内的脉冲前沿信噪比信息，但现有单次信噪比测量技术仍然只能达到约10⁶的动态范围。因此，探索全新的大动态范围单次信噪比测量技术就显得尤为重要。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，实现单次激光脉冲的信噪比测量，本发明提供了一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置及方法。利用级联光克尔快门测量超短超强激光脉冲信噪比的技术，有效地实现单次激光脉冲的信噪比测量；这种技术方法原理简单，结构紧凑，调试方便。

本发明的技术解决方案是：一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，其特殊之处在于：包括对待测信号光进行分束的分束单元，用于待测信号光通行的待测信号光通道，还包括光克尔介质与偏振方向垂直的两个偏振器构成的光克尔快门及用于接收测量数据进行探测的探测装置；

上述分束单元包括用于将待测信号光变为线偏振光的第一偏振器，用于将待测信号光分为两束的第一分束镜，其中一束作为第一级光克尔快门的快门光；另一束再通过第二分束镜分束，再次分束的信号光其中一束作为待测信号光通过待测信号通道，另一束作为第二级光克尔快门的快门光；

上述待测信号光通道沿待测信号光路径依次设置有第二光束整形器、第一光克尔介质、第三光束整形器、第二偏振器、第四光束整形器，第二光克尔介质、第三偏振器、第五光束整形器；所述第五光束整形器输出至探测装置；

上述第一级光克尔快门包括沿快门光路径依次设置的用于控制快门光的偏振方向的第一半波片、第一反射镜、第一光束整形器及用于吸收剩余的快门光的第一吸收盒，所述第一光克尔介质位于第一光束整形器和第一吸收盒之间；所述第二级光克尔快门包括沿快门光路径依次设置有第二反射镜、用于控制快门光的偏振方向的第二半波片、第三反射镜、第六光束整形器及第二吸收盒，所述第二光克尔介质位于第六光束整形器和第二吸收盒之间；

上述第一半波片、第二半波片均使快门光和待测信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间；

上述第一分束镜与第一半波片之间、第二偏振器与第四光束整形器之间均设置有用于使快门光和待测信号光时间精确同步的延迟线；

上述光克尔快门为级联光克尔快门，所述第一光克尔介质与第二光克尔介质均设置在偏振方向垂直的两个偏振器之间。

一种基于光克尔快门的单次信噪比测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】通过分束单元的第一分束镜将待测信号光分成两束，一束作为第一级光克尔快门的快门光，另一束再通过第二分束镜分束，再次分束的信号光其中一束作为待测信号光通过待测信号通道，另一束作为第二级光克尔快门的快门光；

2】利用第一半波片、第二半波片控制快门光的偏振方向，使快门光和待测信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间；利用时间延迟线调节快门光或信号光的光程，保证快门光和信号光的时间精确同步；

3】用光束整形器将快门光空间整形为微小的圆斑，将待测信号光空间整形为条状分布；

4】光克尔介质置于偏振方向垂直的两个偏振器之间构成光克尔快门，并将整形后的信号光和快门光注入到光克尔快门中，发生交叉相位调制效应，使信号光的偏振发生变化，其中一部分待测信号光从偏振器输出，再注入到第二级光克尔快门中，利用探测装置记录级联光克尔快门输出信号光的空间分布，再恢复为信号光的时间分布，获得信号光的时间信息，实现单次信噪比的测量。

本发明的优点是：

1.本发明采用光克尔快门测量单次激光脉冲信噪比的动态范围达10⁸，克服了传统单次信噪比测量方法动态范围低的缺点，适用于飞秒和皮秒级脉冲。

2.时间分辨率高，达几百飞秒，极大地提升了单次信噪比测量的时间分辨率。

3.时间窗口大，达百皮秒级，精确的测量出脉冲的子脉冲、前沿、后沿等噪声信息。

4.光谱接收范围大，适用于0.8μm和1μm等激光波段。

5.结构简单，方便实用，成本低，且具有动态范围大、时间分辨率高、时间窗口大等特点。

附图说明

图1为本发明的原理框架图；

图2为本发明的实施结构图；

图3为本发明的动态范围结果图；

其中1-第一偏振器、2-第一分束镜、3-第一半波片、4-第一反射镜、5-第一光束整形器、6-第二分束镜、7-第二光束整形器、8-第一光克尔介质、9-第一吸收盒、10-第三光束整形器、11-第二偏振器、12-第四光束整形器、13-第二光克尔介质、14-第二吸收盒、15-第三偏振器件、16-第五光束整形器、17第二反射镜、18-第二半波片、19-第三反射镜、20-第六光束整形器。

具体实施方式

参见图1-2，一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，包括对待测信号光进行分束的分束单元，用于待测信号光通行的待测信号光通道，还包括光克尔介质与偏振方向垂直的两个偏振器构成的光克尔快门及用于接收测量数据进行探测的探测装置；分束单元包括用于将待测信号光变为线偏振光的第一偏振器1，用于将待测信号光分为两束的第一分束镜2，其中一束作为第一级光克尔快门的快门光；另一束再通过第二分束镜6分束，再次分束的信号光其中一束作为待测信号光通过待测信号通道，另一束作为第二级光克尔快门的快门光；待测信号光通道沿待测信号光路径依次设置有7第二光束整形器、第一光克尔介质8、第三光束整形器10、第二偏振器11、第四光束整形器12，第二光克尔介质13、第三偏振器15、第五光束整形器16；第五光束整形器16输出至探测装置；第一级光克尔快门包括沿快门光路径依次设置有用于控制快门光的偏振方向的第一半波片3、第一反射镜4、第一光束整形器5及用于吸收剩余的快门光的第一吸收盒9；第一光克尔介质位于第一光束整形器5和第一吸收盒9之间；第二光级克尔快门包括沿快门光路径依次设置有第二反射镜17、用于控制快门光的偏振方向的第二半波片18、第三反射镜19、第六光束整形器20及第二吸收盒14；第二光克尔介质位于第六光束整形器20和第二吸收盒14之间；第一半波片3、第二半波片18均使快门光和待测信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间；第一分束镜2与第一半波片3之间、第二偏振器11与第四光束整形器12之间均设置有用于使快门光和待测信号光的时间精确同步的延迟线；光克尔快门为级联光克尔快门，所述第一光克尔介质8与第二光克尔介质13均设置在偏振方向垂直的两个偏振器之间。

一种基于光克尔快门的单次信噪比测量方法，包括以下步骤：

1】通过分束单元的第一分束镜将待测信号光分成两束，一束作为第一级光克尔快门的快门光，另一束再通过第二分束镜分束，再次分束的信号光其中一束作为待测信号光通过待测信号通道，另一束作为第二级光克尔快门的快门光；

2】利用第一半波片、第二半波片控制快门光的偏振方向，使快门光和待测信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间；利用时间延迟线调节快门光或信号光的光程，保证快门光和信号光的时间精确同步；

3】用光束整形器将快门光空间整形为微小的圆斑，将待测信号光空间整形为条状分布；

4】光克尔介质置于偏振方向垂直的两个偏振器之间构成光克尔快门，并将整形后的信号光和快门光注入到光克尔快门中，发生交叉相位调制效应，使信号光的偏振发生变化，其中一部分待测信号光从偏振器输出，再注入到第二级光克尔快门中，利用探测装置记录级联光克尔快门输出信号光的空间分布，再恢复为信号光的时间分布，获得信号光的时间信息，实现单次信噪比的测量。

本发明提供了基于级联光克尔快门的单次信噪比测量装置的原理图。将待测超短脉冲信号光注入到基于级联光克尔快门的单次信噪比测量装置中，利用探测装置(如科学级CCD等)记录待测信号光的空间信息，再恢复成信号光的时间分布，从而实现超短脉冲的信噪比测量。

本发明提供了基于级联光克尔快门的单次信噪比测量技术。工作原理是：超短脉冲激光经起偏器后变成线偏振光，分成三束，一束作为待测信号光，另两束分别作为两级光克尔快门的快门光；利用半波片控制快门光的偏振方向，使快门光和信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间(最佳夹角为45°)；利用时间延迟线调节快门光或信号光的光程，保证快门光和信号光的时间精确同步；利用光束整形器将快门光空间整形为微小的圆斑，将信号光空间整形为条状分布；光克尔介质置于偏振方向垂直的两个偏振器之间构成光克尔快门，并将整形后的信号光和快门光注入到光克尔快门中，发生交叉相位调制效应，使信号光的偏振发生变化，这样一部分信号光从偏振器输出，再注入到第二级光克尔快门中，利用探测装置(如科学级CCD等)记录级联光克尔快门输出信号光的空间分布，再恢复为信号光的时间分布，获得信号光的时间信息，实现单次信噪比的测量。

参见图3，不同偏振器件消光比下的动态范围。利用光克尔快门将单次信号光的时间分布转换为空间分布、级联光克尔快门提升单次信噪比测量的动态范围，采用对数坐标表示输入信噪比和单次信噪比测量动态范围情况，在偏振器件消光比大于10⁵时，单次信噪比测量动态范围达10⁸。因此，采用级联光克尔快门测量单次信噪比的动态范围达10⁸。本发明将光克尔介质(如二硫化碳等)置于偏振方向垂直的两个偏振器件之间构成光克尔快门，当待测信号光经空间整形后在克尔介质中传播时，利用交叉相位调制效应引起的偏振旋转实现光克尔快门的开关，并利用探测装置(如科学级CCD等)记录下输出信号光的空间信息，再恢复成信号光的时间信息，从而实现单次激光脉冲信噪比的测量，将两个光克尔快门级联后，可以进一步提升单次信噪比测量的动态范围。

Claims (6)

1.一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，其特征在于：包括对待测信号光进行分束的分束单元，用于待测信号光通行的待测信号光通道，还包括光克尔介质与偏振方向垂直的两个偏振器构成的第一级光克尔快门和第二级光克尔快门以及用于接收测量数据进行探测的探测装置；

所述分束单元包括用于将待测信号光变为线偏振光的第一偏振器，用于将待测信号光分为两束的分束镜，其中一束作为第一级光克尔快门的快门光；另一束再通过第二分束镜再次分束，再次分束的信号光其中一束作为待测信号光通过待测信号通道，另一束作为第二级光克尔快门的快门光；

所述待测信号光通道沿待测信号光路径依次设置有第二光束整形器、第一光克尔介质、第三光束整形器、第二偏振器、第四光束整形器，第二光克尔介质、第三偏振器、第五光束整形器；所述第五光束整形器输出至探测装置；

所述第一级光克尔快门包括沿快门光路径依次设置的用于控制快门光的偏振方向的第一半波片、第一反射镜、第一光束整形器及用于吸收剩余的快门光的第一吸收盒，所述第一光克尔介质位于第一光束整形器和第一吸收盒之间；所述第二级光克尔快门包括沿快门光路径依次设置有第二反射镜、用于控制快门光的偏振方向的第二半波片、第三反射镜、第六光束整形器及第二吸收盒，所述第二光克尔介质位于第六光束整形器和第二吸收盒之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，其特征在在于：所述第一半波片、第二半波片均使快门光和待测信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，其特征在在于：所述第一分束镜与第一半波片之间、第二偏振器与第四光束整形器之间均设置有用于使快门光和待测信号光的时间精确同步的延迟线。

4.根据权利要求3所述的一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，其特征在在于：所述光克尔快门为级联光克尔快门，所述第一光克尔介质与第二光克尔介质均设置在偏振方向垂直的两个偏振器之间。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光克尔快门的单次信噪比测量装置，其特征在在于：所述光克尔快门为级联光克尔快门，所述第一光克尔介质与第二光克尔介质均设置在偏振方向垂直的两个偏振器之间。

6.一种基于光克尔快门的单次信噪比测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】通过分束单元的第一分束镜将待测信号光分成两束，一束作为第一级光克尔快门的快门光，另一束再通过第二分束镜分束，再次分束的信号光其中一束作为待测信号光通过待测信号通道，另一束作为第二级光克尔快门的快门光；

2】利用第一半波片、第二半波片控制快门光的偏振方向，使快门光和待测信号光的偏振方向夹角位于22.5°-67.5°之间；利用时间延迟线调节快门光或信号光的光程，保证快门光和信号光的时间精确同步；

3】用光束整形器将快门光空间整形为微小的圆斑，将待测信号光空间整形为条状分布；

4】光克尔介质置于偏振方向垂直的两个偏振器之间构成光克尔快门，并将整形后的信号光和快门光注入到光克尔快门中，发生交叉相位调制效应，使信号光的偏振发生变化，其中一部分待测信号光从偏振器输出，再注入到第二级光克尔快门中，利用探测装置记录级联光克尔快门输出信号光的空间分布，再恢复为信号光的时间分布，获得信号光的时间信息，实现单次信噪比的测量。