CN104880258A - 超短光脉冲近场关联脉宽测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超短光脉冲近场关联脉宽测量装置和测量方法，所述的测量装置包括第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、非线性晶体、柱面镜、第一光电探测器、第二光电探测器和图像处理单元。本发明在单次自相关过程中使用了两个光电探测器，分别测量包含近场误差的自相关信号和近场分布信息，并通过图像处理单元校正近场分布导致的误差，得到真实、准确的脉冲宽度，高测量结果的准确性和可靠性。

Description

超短光脉冲近场关联脉宽测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及激光脉冲参数诊断，特别是一种超短光脉冲近场关联脉宽测量装置和测量方法。

背景技术

J.Janszky在1977年从理论上提出了自相关方法实现超短脉冲的脉冲宽度测量的技术方案(参见Optics Communications，Vol.23(3)，1977，293～298)。此后，该技术方案通过不同的实验方案得到了证实。F.Salin在1987年实现了52fs的超短脉冲的脉冲宽度测量结果(参见Applied Optics，Vol.26(21)，1987，4528～4531)。A.Brun在1991年详细阐述了超短脉冲的脉冲宽度测量中的重复频率脉冲和单次脉冲的自相关技术方案的各自特点(参见Journal of Physics D:Applied Physics，Vol.24，1991，1225～1233)。R.A.Ganeev在1995年通过调节自相关过程中两束脉冲的夹角的方法，实现了0.2ps～50ps的超短脉冲的脉冲宽度测量结果(参见OpticsCommunications，Vol.114，1995，432～434)。M.Raghuramaiah在2001年完善了自相关方法测量超短脉冲时间波形的理论分析方法(参见SADHANA-ACADEMYPROCEEDINGS IN ENGINEERING SCIENCES，Vol.26，2001，603～611)。张福领在2010年提出了基于光栅产生脉冲前沿倾斜的方法，采用脉冲前沿倾斜的方法，提高了自相关方法的时间测量范围(参见Chinese Optics Letters，Vol.8，2010,1053～1056)。

在自相关仪的相关专利技术方面，王益民在1998年提出了一种单脉冲自相关仪的技术方案，该技术方案通过调节两个位于平移台上的反射镜来改变自相关晶体中光束夹角的方法调节时间测量范围(参见专利CN2293817Y)。帅斌在2002年提出了一种单次定标二阶单发自相关测量仪的技术方案，该技术方案通过在透射脉冲的一块反射镜上增加阶梯反射面的方法得到定标用双脉冲，从而兼顾脉冲宽度测量和定标这两种功能(参见专利CN1358987A)。傅喜泉在2012年提出了一种超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统及其测量方法，该技术方案通过在反射光路中增加可移动狭缝的方法，实现被测光束的不同空间位置的脉冲宽度测量，用于分析超短脉冲的不同空间位置的脉冲宽度。

单次自相关技术的基本原理，是通过两束具有一定宽度的倾斜光束的相交，在相交平面的不同位置产生不同的时间差，从而在单个脉冲条件下实现自相关过程中的时间延迟和扫描过程。在现有的自相关测量技术方案中，均默认待测光脉冲横截面上的空间强度分布是均匀的，即近场是均匀的。但是，应用于工程的激光束的近场是不均匀的。常见激光束的近场分布理论上是高斯型分布的。大型激光装置的光束近场分布理论上是超高斯分布的。但损伤点和硬边剪切会产生衍射条纹，泵浦不均匀性会产生强弱分布。某些处于实验室研制阶段的超短脉冲激光器，由于工作在线性放大区域，其近场分布不仅均匀性差，而且还不能保持稳定性，经常发生变化。因此，近场分布的均匀性和稳定性必然影响超短脉冲中脉冲宽度测量的准确性。欧阳小平在2012年提出了基于奇数反射镜和偶数反射镜的左右手镜像的方法，有效改善了待测光脉冲近场的线性分布和台阶分布导致的测量误差(参见AppliedOptics，Vol.51(18)，2012，3989～3994)。但该技术方案无法解决近场不均匀性的随机分布导致的测量误差。

发明内容

本发明要解决的问题是针对上述现有测量技术方案的不足，提供一种超短光脉冲近场关联脉宽测量装置和测量方法。该测量装置能够基于被测激光脉冲的近场分布情况，结合自相关的测量值，分析得到真实、准确的脉冲宽度。

本发明的技术解决方案是：

一种超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，特点在于其构成包括第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、非线性晶体、柱面镜、第一光电探测器、第二光电探测器和图像处理单元，上述元部件的位置关系如下：

待测光脉冲首先入射到第一分光镜，第一分光镜将所述的待测光脉冲分为第一反射光和第一透射光，所述的第一反射光称为第一相关光束，沿第一相关光束方向依次是第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和非线性晶体；在所述的第一透射光方向为第二分光镜，所述的第二分光镜将入射光分为第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光为第二相关光束进入所述的非线性晶体，第二透射光为近场探测光束，在所述的近场探测光束方向为第二光电探测器；第一相关光束和第二相关光束同步地进入所述的非线性晶体产生并输出自相关信号，在该自相关信号方向上依次是第四反射镜、柱面镜和第一光电探测器，所述的第一光电探测器的输出端接所述的图像处理单元的第一输入端，所述的第二光电探测器的输出端接所述的图像处理单元的第二输入端。

所述的第一分光镜为反射率R＝50±10％的镀膜反射镜或偏振分光棱镜。

所述的第二分光镜为反射率R＝85±10％的镀膜反射镜或偏振分光棱镜。

所有反射镜为反射率>99％的镀膜反射镜。

所述的非线性晶体为BBO、LBO、KDP或YCOB晶体。

所述的第一光电探测器、第二光电探测器为CCD相机或CMOS相机。

所述的图像处理单元为计算机、工控机或图形工作站。

利用上述超短光脉冲近场关联脉宽测量装置对超短光脉冲近场关联脉宽的测量方法，该方法包括下列步骤：

1)首先将待测光脉冲输入所述的第一分光镜，调整第一反射镜、第二反射镜，使第一相关光束的中心和第二相关光束的中心同时到达所述的非线性晶体，使所述的非线性晶体产生包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)；

2)所述的第二光电探测器采集得到第二相关光束的近场分布信息为并输入所述的图像处理单元，由第一相关光束和第二相关光束的左右对称关系，将第二相关光束的近场分布信息沿x轴取反，得到第一相关光束的近场分布信息

3)所述的第一光电探测器采集所述的包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)并输入所述的图像处理单元：

${I_A}^{,}(x,\mathrm{\τ})=f\left(\frac{x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)f\left(\frac{-x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2]$

式中，x为待测光脉冲的空间坐标，和分别表示第二相关光束和第一相关光束的近场分布，R表示待测光脉冲的光束半径，t表示时间，Δt为待测光脉冲的脉冲宽度，Φ是第一相关光束和第二相关光束之间的非共线夹角，τ是第一相关光束和第二相关光束的右边光束和左边光束到达所述的非线性晶体的时间延迟量，x'为第一相关光束和第二相关光束之间存在非共线夹角Φ时，x投影在非线性晶体上的坐标，即x'＝x/cos(Φ/2)；

4)所述的图像处理单元将近场分布信息和从包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)中分离出去，得到准确的自相关信号I_A(τ)：

$I_A\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2];$

5)所述的图像处理单元根据得到的自相关信号I_A(τ)，首先计算I_A(τ)的脉宽τ_A，计算过程为：首先计算自相关信号I_A(τ)的峰值高度为一半时的像素数n，然后计算n个像素的宽度为n×S₀(um)，所述的第一光电探测器每个像素的宽度为S₀um，最后计算脉宽τ_A＝n×S₀×T₀(um)，其中T₀是本发明装置定标之后的时间分辨率，T₀＝0.046fs/20um，然后计算待测脉冲的脉宽为

本发明的工作原理如下：

在自相关过程中，仅需要考虑自相关过程所在平面内的光束时空特性，即(x,z)平面。因此第一相关光束表示为I₀₁(x,t)，第二相关光束表示为I₀₂(x,t)，它们在时间上和空间上具有一致性，均可以表示为：

$I_{01}(x,t)=I_{02}(x,t)=f\left(\frac{x}{R}\right)\exp [-4\ln 2{\left(\frac{t}{\mathrm{\Δt}}\right)}^2]---\left(1\right)$

公式(1)中，x为空间坐标，用于描述空间上的近场分布，R表示待测光脉冲的光束半径，t表示时间，Δt为待测光脉冲的脉冲宽度。

由于反射脉冲和透射脉冲之间存在某一固定的夹角Φ，并且具有一定的光束宽度，因此它们在自相关用非线性晶体中实现了单次脉冲的自相关过程。产生了包含近场误差的自相关信号I_A'(x',τ)：

I_A'(x',τ)＝∫I₀₁(x',t)I₀₂(x',t-τ)dt   (2)公式(2)中，τ为时间延迟量。x'为第一相关光束、第二相关光束存在非共线夹角Φ时，x投影在非线性晶体上的坐标，即x'＝x/cos(Φ/2)，如图2所示。

结合公式(1)、公式(2)，考虑到图2中的时间延迟量τ与x之间的关系为x＝cτ/[2tan(Φ/2)]，以及光路结构中奇数反射镜和偶数反射镜之间的左右手镜像关系，得到包含近场误差的自相关函数为：

$\begin{array}{c}{I_A}^{\′}(x,\mathrm{\τ})=f\left(\frac{x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)f\left(\frac{-x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2]\\ =f\left(\frac{\mathrm{c\τ}}{2R\sin (\mathrm{\Φ}/2)}\right)f\left(\frac{-\mathrm{c\τ}}{2R\sin (\mathrm{\Φ}/2)}\right)\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2]\end{array}---\left(3\right)$

在本发明的技术方案中，I_A'(x,τ)为第一光电探测器所接收和采集的信号，为第二光电探测器所获取的第二相关光束的近场分布信息，为第一相关光束和第二相关光束的左右对称关系推出第一相关光束的近场分布信息。在图像处理单元中，将近场分布信息和从包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)中分离出去，得到准确的自相关信号I_A(τ)：

$I_A\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2]---\left(3\right)$

然后通过图像处理单元计算得到自相关信号I_A(τ)的脉宽(FWHM，半高全宽)τ_A，最终计算待测脉冲的脉冲宽度为

本发明的技术效果如下：

本发明能够实现自相关过程中的近场分布信息的测量和分离，从而得到真实、准确的脉冲宽度，提高测量结果的准确性和可靠性。

本发明的特点是：在单次自相关过程中，使用两个光电探测器，分别测量包含近场误差的自相关信号和近场分布信息，并通过图像处理单元消除近场分布导致的误差，得到真实、准确的脉冲宽度。

附图说明

图1是本发明超短脉冲的近场关联脉宽测量装置的实施例1的结构简图；

图2是本发明超短脉冲的近场关联脉宽测量装置的坐标变换示意图；

图3是包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)、近场分布信息处理之后的自相关信号I_A(τ)的示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明超短光脉冲近场关联脉宽测量装置实施例1的结构简图。由图可见，本发明超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，构成包括第一分光镜1、第二分光镜8、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜11、非线性晶体6、柱面镜12、第一光电探测器13、第二光电探测器10和图像处理单元14，上述元部件的位置关系如下：

待测光脉冲首先入射到第一分光镜1，第一分光镜1将所述的待测光脉冲分为第一反射光和第一透射光，所述的第一反射光称为第一相关光束2，沿第一相关光束方向依次是第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和非线性晶体6；在所述的第一透射光方向为第二分光镜8，所述的第二分光镜8将入射光分为第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光为第二相关光束8进入所述的非线性晶体6，第二透射光为近场探测光束9，在所述的近场探测光束9方向为第二光电探测器10；第一相关光束2和第二相关光束7同步地进入所述的非线性晶体6产生并输出自相关信号，在该自相关信号方向上依次是第四反射镜11、柱面镜12和第一光电探测器13，所述的第一光电探测器13的输出端接所述的图像处理单元14的第一输入端，所述的第二光电探测器10的输出端接所述的图像处理单元14的第二输入端。

利用上述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置对超短光脉冲近场关联脉宽的测量方法，包括下列步骤：

1)首先将待测光脉冲输入所述的第一分光镜1，调整第一反射镜3、第二反射镜4，使第一相关光束2的中心和第二相关光束8的中心同时到达所述的非线性晶体6，使所述的非线性晶体6产生包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)；

2)所述的第二光电探测器10采集得到第二相关光束8的近场分布信息为并输入所述的图像处理单元14，由第一相关光束2和第二相关光束8的左右对称关系，将第二相关光束8的近场分布信息沿x轴取反，得到第一相关光束的近场分布信息

3)所述的第一光电探测器13采集所述的包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)并输入所述的图像处理单元14：

${I_A}^{,}(x,\mathrm{\τ})=f\left(\frac{x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)f\left(\frac{-x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2]$

式中，x为待测光脉冲的空间坐标，和分别表示第二相关光束8和第一相关光束2的近场分布，R表示待测光脉冲的光束半径，t表示时间，Δt为待测光脉冲的脉冲宽度，Φ是第一相关光束2和第二相关光束8之间的非共线夹角，τ是第一相关光束2和第二相关光束8的右边光束和左边光束到达所述的非线性晶体6的时间延迟量，x'为第一相关光束2和第二相关光束8之间存在非共线夹角Φ时，x投影在非线性晶体6上的坐标，即x'＝x/cos(Φ/2)；

4)所述的图像处理单元(14)将近场分布信息和从包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)中分离出去，得到准确的自相关信号I_A(τ)：

$I_A\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2];$

5)所述的图像处理单元14根据得到的自相关信号I_A(τ)，首先计算I_A(τ)的脉宽τ_A，计算过程为：首先计算自相关信号I_A(τ)的峰值高度为一半时的像素数n，然后计算n个像素的宽度为n×S₀(um)，所述的第一光电探测器13每个像素的宽度为S₀um，最后计算脉宽τ_A＝n×S₀×T₀(um)，其中T₀是本发明装置定标之后的时间分辨率，T₀＝0.046fs/20um，然后计算待测脉冲的脉宽为

本发明装置定标之后的时间分辨率为0.046fs/20um。

实施例测试如下所述：选择了一台皮秒激光器，该激光器的重复频率为1Hz，波长为1053nm，脉冲宽度为0.5ps。基于该超短脉冲的近场关联脉宽测量装置得到的包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)、近场分布信息处理之后的自相关信号I_A(τ)如图3所示。包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)，曲线形状呈现出明显的非对称性，计算得到的待测光脉冲的脉宽为0.97ps。校正近场误差之后的自相关信号I_A(τ)，曲线形状具有较好的对称性，更符合自相关信号的对称性特点，计算得到的待测光脉冲的脉宽为0.65ps。

实验表明，本发明测量装置，能够有效校正脉冲宽度测量中的近场分布导致的误差，得到准确的测量结果。

Claims (8)

1.一种超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其构成包括第一分光镜(1)、第二分光镜(8)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(11)、非线性晶体(6)、柱面镜(12)、第一光电探测器(13)、第二光电探测器(10)和图像处理单元(14)，上述元部件的位置关系如下：

待测光脉冲首先入射到第一分光镜(1)，第一分光镜(1)将所述的待测光脉冲分为第一反射光和第一透射光，所述的第一反射光称为第一相关光束(2)，沿第一相关光束方向依次是第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)和非线性晶体(6)；在所述的第一透射光方向为第二分光镜(8)，所述的第二分光镜(8)将入射光分为第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光为第二相关光束(8)进入所述的非线性晶体(6)，第二透射光为近场探测光束(9)，在所述的近场探测光束(9)方向为第二光电探测器(10)；第一相关光束(2)和第二相关光束(7)同步地经所述的非线性晶体(6)产生并输出自相关信号，在该自相关信号方向上依次是第四反射镜(11)、柱面镜(12)和第一光电探测器(13)，所述的第一光电探测器(13)的输出端接所述的图像处理单元(14)的第一输入端，所述的第二光电探测器(10)的输出端接所述的图像处理单元(14)的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其特征在于所述的第一分光镜为反射率R＝50±10％的镀膜反射镜或偏振分光棱镜。

3.根据权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其特征在于所述的第二分光镜为反射率R＝85±10％的镀膜反射镜或偏振分光棱镜。

4.根据权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其特征在于所有反射镜为反射率>99％的镀膜反射镜。

5.根据权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其特征在于所述的非线性晶体为BBO、LBO、KDP或YCOB晶体。

6.根据权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其特征在于所述的第一光电探测器、第二光电探测器为CCD相机或CMOS相机。

7.根据权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置，其特征在于所述的图像处理单元为计算机、工控机或图形工作站。

8.利用权利要求1所述的超短光脉冲近场关联脉宽测量装置对超短光脉冲近场关联脉宽的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)首先将待测光脉冲输入所述的第一分光镜(1)，调整第一反射镜(3)、第二反射镜(4)，使第一相关光束(2)的中心和第二相关光束(8)的中心同步地到达所述的非线性晶体(6)，使所述的非线性晶体(6)产生包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)；

2)所述的第二光电探测器(10)采集得到第二相关光束(8)的近场分布信息为并输入所述的图像处理单元(14)，由第一相关光束(2)和第反，得到第一相关光束的近场分布信息

3)所述的第一光电探测器(13)采集所述的包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)并输入所述的图像处理单元(14)：

${I_A}^{,}(x,\mathrm{\τ})=f\left(\frac{x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)f\left(\frac{-x}{R\cos (\mathrm{\Φ}/2)}\right)\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2]$

式中，x为待测光脉冲的空间坐标，和分别表示第二相关光束(8)和第一相关光束(2)的近场分布，R表示待测光脉冲的光束半径，t表示时间，Δt为待测光脉冲的脉冲宽度，Φ是第一相关光束(2)和第二相关光束(8)之间的非共线夹角，τ是第一相关光束(2)和第二相关光束(8)的右边光束和左边光束到达所述的非线性晶体(6)的时间延迟量，x'为第一相关光束(2)和第二相关光束(8)之间存在非共线夹角Φ时，x投影在非线性晶体(6)上的坐标，即x'＝x/cos(Φ/2)；

4)所述的图像处理单元(14)将近场分布信息和从包含近场误差的自相关信号I_A'(x,τ)中分离出去，得到准确的自相关信号I_A(τ)：

$I_A\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}\mathrm{\Δt}}\right)}^2];$

5)所述的图像处理单元(14)根据得到的自相关信号I_A(τ)，首先计算I_A(τ)的脉宽τ_A，计算过程为：首先计算自相关信号I_A(τ)的峰值高度为一半时的像素数n，然后计算n个像素的宽度为n×S₀(um)，所述的第一光电探测器(13)每个像素的宽度为S₀um，最后计算脉宽τ_A＝n×S₀×T₀(um)，其中T₀是本发明装置定标之后的时间分辨率，T₀＝0.046fs/20um，然后计算待测脉冲的脉宽为