CN105675153B - 大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法，装置包括设置在脉冲输出端的迈克尔逊干涉仪、二阶自相关仪，示波器，以及用于合束光路校正的近场光阑和远场光路。本发明大大降低了测量装置中所需光学元件的尺寸，而且不需要引入额外的理想参考光或是通过引入额外光学元件来产生理想参考光；首次实现了高峰值功率激光系统输出的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的直接测量，具有调节方便、简单高效，实用性强的特点。
Description
技术领域
本发明是一种基于自参考、二阶互相关技术，测量超强超短激光系统中由一系列透射式扩束系统所引入的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的装置和方法。
背景技术
超强超短激光脉冲与物质相互作用是一个强场作用过程，脉冲远场聚焦强度直接决定激光与物质相互作用效果，而脉冲前沿的径向群延迟是影响聚焦强度的一个至关重要的参数。因此简单、精确地测量出超短超强激光脉冲的径向群延迟，为其补偿做出参考，具有重要意义。
为了避免非线性效应以及光学损伤，高峰值功率激光系统必然伴随着大口径光斑输出。由于反射镜式的扩束系统具有较大的像差，而抛面镜式的扩束系统的价格昂贵，且很难调节。同时考虑到光学元件的损伤阈值问题，目前很多高峰值功率激光系统都采用透射式扩束系统来对激光脉冲进行扩束。然而透镜具有色差，当短脉冲经过透镜时不同频率成分将会产生不同的群速度，从而使脉冲前沿发生径向群延迟。径向群延迟使不同位置处脉冲前沿到达焦点的时间不同，也就是使脉冲远场焦点处时域展宽，从而使聚焦强度下降。早在1988年Z.Bor就发现了径向群延迟效应，并利用光线追迹法计算了脉冲经过扩束系统后所引入的径向群延迟大小。短脉冲经过一透射式准直扩束系统后，任意半径处脉冲前沿相对于光轴处脉冲前沿的延时为
其中，r为任意位置处脉冲前沿到光轴的距离；c为真空中的光速；f2为扩束系统中第二个透镜的焦距；n和dn/dλ为透镜材料的折射率和色散；λ为待测脉冲的中心波长；M为扩束系统的扩束比。
可见，由透射式扩束系统所引入的脉冲前沿径向群延迟是关于光束半径的二次曲线，且根据透镜的径向对称性，可知扩束系统所引入的径向群延迟也是径向对称分布的。
为了量化分析径向群延迟的影响，很多测量技术已经提出。现有测量方法大致可以分为三类：空间干涉、光谱干涉以及时间相关。它们成功地应用于由透镜、扩束系统所引入的径向群延迟的测量。然而，这并不能直接用于测量高峰值功率激光系统中的径向群延迟，因为这些方法都需要引入额外的具有平面脉冲前沿的参考光，或是通过引入额外的光学元件来产生理想参考光，这些要求大大的限制了此类方法在高峰值功率激光系统中的应用。另外一些基于自参考的测量方法又使用了望远系统，这必然会引入额外的脉冲前沿径向群延迟。而且，在高峰值功率系统中，大口径光学元件的需求也加大了径向群延迟测量的难度与费用。因此，发明一套简单、经济、实用性强的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种能够用于超强超短激光系统中由一系列透射式扩束系统所引入的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置和测量方法，为脉冲前沿径向群延迟的补偿提供了依据，从而能够实现更高强度的激光脉冲输出。该方法克服了现有测量方法中由于理想参考光、所需大尺寸光学元件而带来的局限性，实现了高峰值功率激光系统中大口径超短脉冲径向群延迟的直接测量。操作简单、科学有效，实用性强。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：
一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪、二阶自相关仪和示波器，所述的迈克尔逊干涉仪包括分束片、沿光路依次由第一反射镜、延迟线和第五反射镜组成的一臂和沿光路依次由第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成的另一臂，两路光通过所述的分束片合束，其特征在于，还包括用于该合束光路校正的近场光阑和远场光路；
所述的远场光路依次包括第六反射镜、第七反射镜、透镜、第八反射镜和CCD，所述的第六反射镜设置在平移台上；
待测大口径脉冲中间位置放置所述的第一反射镜，使光束分为两束等口径的半光斑光束，一半光斑光束进入迈克尔逊干涉仪的一臂，即经第一反射镜反射后通过延迟线，再经第五反射镜反射后，入射到分束片，经该分束片透射；另一半光斑光束直接进入迈克尔逊干涉仪的另一臂，即依次经过第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜反射后，入射到分束片，经该分束片反射，两路半光斑光束形成合束光；
在所述的分束片后放置与合束光等口径的小孔作为近场光阑，利用平移台把第六反射镜移入合束光路，使合束光被第六反射镜反射，被反射后的合束光经所述的第七反射镜反射后，再经所述透镜聚焦，最后经第八反射镜反射，使得聚焦光束的焦点成像在所述的CCD上；当两束光在近场光阑处重合，且CCD中两光束的焦斑重合，移走第六反射镜，使合束光注入二阶自相关仪，该二阶自相关仪安置在平移台上，且该二阶自相关仪与所述的示波器相连。
所述的迈克尔逊干涉仪，利用一反射镜将待测大口径超短脉冲分为两束等口径的半光斑光束，分别注入迈克尔逊干涉仪的两臂，一路作为参考光，另一路作为待测光。且迈克尔逊干涉仪中延迟线所引入延迟量的变化对最终脉冲前沿径向群延迟的测量结果无影响。
所述的远场光路中采用长焦透镜和高分辨率CCD。
本发明为解决上述问题所采用的又一技术方案为：
一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量方法，包括下列步骤：
①利用第一反射镜将待测大口径超短脉冲分为两束等口径的半光斑光束，分别注入迈克尔逊干涉仪的两臂，一路作为参考光，另一路作为待测光，并使两路光在分束片后合束。
②调节迈克尔逊干涉仪其中一臂中的延迟线，使两路光之间存在一相对延时。
③调节平移台使第六反射镜进入光路，使合束光被反射进入远场光路。根据两束光在近场光阑处的重合程度以及远场CCD中两光束焦斑的重合程度判断两路光在分束片后的合束效果。
④通过调节第四反射镜、第五反射镜以及分束片，使两束光在近场光阑处重合，以及CCD中两焦斑重合，从而实现两束光的合束校正。
⑤移走第六反射镜，使合束光注入二阶自相关仪，利用二阶自相关仪横向扫描合束光，基于互相关原理测量不同位置处两半光斑光束脉冲前沿间的相对延时，并通过示波器记录两脉冲前沿间的相对延时量。
⑥拟合所测得的不同位置处的相对延时，是关于光束半径分布的线性函数。根据线性函数的斜率及所测大口径超短脉冲的直径推导出所测脉冲前沿的径向群延迟，即径向群延迟分布函数的二次项系数a，
a＝k/d。
其中，k为上述拟合直线的斜率，d为所测脉冲的直径。
所述步骤②中调节延迟线所引入的两光束间延时量的不同对最后径向群延迟的测量结果无影响。
所述步骤⑤中示波器所显示的相关信号包括三个尖峰，中间尖峰对应着两个自相关信号的叠加，两边的尖峰对应着两个互相关信号。且自相关信号与互相关信号之间的时间间隔就是所测两脉冲前沿间的相对延时量。
所述的大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟是由激光系统中一系列透射式扩束器所引起入的、关于光束半径径向对称分布的二次函数。
由透射式扩束器所引入的脉冲前沿径向群延迟，遵循以下数学规律：对称分布的二次曲线AOB：y＝ax2，x∈(-r,r)，把其中一半AO平移至A’O’，使之与另一半OB拥有相同的变化区间(0,r)，则它们之间的差值变化是关于x的线性函数。且该直线的斜率k为上述二次曲线半径r与其二次系数a乘积的2倍，即k＝2ar。
所述的合束光中不同位置处两半光斑光束脉冲前沿间的相对延时可拟合成一条直线，然后根据其斜率就可算出所测大口径超短脉冲前沿的径向群延迟分布。脉冲径向群延迟分布曲线的二次项系数为该直线斜率与所测脉冲直径的比值。
与先技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.该技术为自参考，不需要引入额外的参考光(具有平面脉冲前沿)，或者通过引入额外的光学元件来产生“理想”参考光。
2.没有使用透射式光学元件，不会引入额外的脉冲前沿径向群延迟。
3.大大降低了测量装置中所需的光学元件的尺寸，不仅节约成本，也提高了高峰值功率激光系统输出脉冲的可测量口径。
附图说明
图1：本发明装置结构示意图；
图2：扩束系统所引入的脉冲前沿径向群延迟；
图3：本发明实施实例的结构示意图；
图4:示波器采集到的具有相对延迟的两脉冲的互相关信号示意图；
图5：对应的数学模型。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪、二阶自相关仪14、示波器15。其中迈克尔逊干涉仪包括两臂，一臂依次由第一反射镜1,延迟线6和第五反射镜5组成；另一臂依次由第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4组成；然后两臂通过分束片7完成合束。该装置的还包括用于合束光路校正的近场光阑8和远场光路。远场光路依次由第六反射镜9、第七反射镜10、长焦透镜12、第八反射镜11以及CCD13组成，其中第六反射镜9设置在平移台上。
待测大口径脉冲经第一反射镜1之后被分为两束等口径的半光斑光束，其中由第一反射镜1反射获得的半光斑光束进入迈克尔逊干涉仪的其中一臂，经过延迟线6后被第五反射镜5反射，再透过分束片7；另一半光斑光束进入迈克尔逊干涉仪的另一臂，连续经过第二反射镜2、第三反射镜3、最后被第四反射镜4反射到分束片7上，并在分束片7处发生反射。此时，两路半光斑光束在分束片7之后形成合束光。为了实现更好的合束效果，在分束片7之后加入了与合束光等口径的小孔作为近场光阑8。同时也加入了一个远场光路，利用平移台把第六反射镜9移入光路，被反射后的合束光经第七反射镜10反射后被一长焦透镜12进行聚焦，最后经第八反射镜11反射后，聚焦光束的焦点成像在CCD13上。当两束光在近场光阑8处重合，且CCD13中两光束的焦斑重合，说明此时两路光已完成合束校正。最后移走第六反射镜9，使合束光注入二阶自相关仪14，横向移动二阶自相关仪14对合束光进行扫描测量，并将测量结果显示在示波器15上,其中二阶自相关仪14安置在平移台上。
测量方法包括下述步骤：
①利用第一反射镜1将待测大口径超短脉冲分为两束等口径的半光斑光束，分别注入迈克尔逊干涉仪的两臂，一路作为参考光，另一路作为待测光，并使两路光在分束片7后合束。
②调节迈克尔逊干涉仪其中一臂中的延迟线6，使两路光之间存在一相对延时。
③调节平移台使第六反射镜9进入合束光路，使合束光被反射进入远场光路。根据两束光在近场光阑8处的重合程度以及远场CCD13中两光束焦斑的重合程度判断两路光在分束片7后的合束效果。
④通过调节第四反射镜4、第五反射镜5以及分束片7，使两束光在近场光阑8处重合，以及CCD中两焦斑重合，从而实现两束光的合束校正。
⑤移走第六反射镜9，使合束光注入二阶自相关仪14。利用二阶自相关仪14横向扫描合束光，基于互相关原理测量不同位置处两半光斑光束脉冲前沿间的相对延时，并通过示波器15记录两脉冲前沿的相对延时量。
⑥拟合所测得的不同位置处的相对延时，是关于光束半径分布的线性函数。根据线性函数的斜率及所测大口径超短脉冲的直径推导出所测脉冲前沿的径向群延迟，即径向群延迟分布函数的二次项系数a，
a＝k/d。
其中，k为上述拟合直线的斜率，d为所测脉冲的直径。
如图2所示，超短脉冲经过一透射式扩束器之后，平面脉冲前沿将会引入径向对称二次分布的群延迟。以图3为例来实施一个具体方案：待测激光脉冲来自于200TW/1Hz钛宝石激光系统，经历了四级伽里略扩束，最终输出光束尺寸为80mm直径。根据理论计算，脉冲经过上述200TW/1Hz激光系统中的所有扩束器之后，任意半径处脉冲前沿相对于光轴处脉冲前沿的延时为
T(r)＝-0.0348·r2。
首先利用第一反射镜1使Φ80mm待测激光脉冲分为两束半圆光束，再分别倒入迈克尔逊干涉仪的两臂，调节延迟线6给两路光之间引入一定延时。迈克尔逊干涉仪在分束片7处完成合束之后，通过平移台使第六反射镜9进入光路，把合束光反射到远场光路中，根据近场光阑8以及CCD13中两光束焦斑的重合程度判断合束效果，并通过调节第四反射镜4、第五反射镜5和分束片7使两束光都恰好通过近场光阑8，且CCD13中两焦斑重合，此时两束光已完成合束校正。移走第六反射镜9使合束光注入到二阶自相关仪14中，横向移动二阶自相关仪14对合束光进行扫描测量，并将测量结果显示在示波器15上。根据示波器的显示(如图4)，在光束半径2mm、8mm、14mm、17mm、20mm、26mm、32mm、38mm处两脉冲前沿的相对延迟分别为170fs、185fs、203fs、212fs、222fs、232fs、251fs、269fs。拟合曲线表达式为
ΔT(r)＝2.723·r+164.4。
根据图5所示的数学模型，我们可推导出所测脉冲前沿的径向群延迟，即径向群延迟分布曲线的二次项系数，为上述所得拟合直线的斜率与所测大口径脉冲的直径之比，2.723÷80＝0.0340。因此，所测200TW/1Hz激光系统的输出脉冲前沿径向群延迟为
T(r)＝-0.0340·r2。
测量结果与理论计算一致。
Claims (5)
1.一种大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量装置，包括：迈克尔逊干涉仪、二阶自相关仪(14)和示波器(15)，所述的迈克尔逊干涉仪包括分束片(7)、沿光路依次由第一反射镜(1)、延迟线(6)和第五反射镜(5)组成的一臂和沿光路依次由第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)组成的另一臂，两路光通过所述的分束片(7)合束，其特征在于，还包括用于该合束光路校正的近场光阑(8)和远场光路；
所述的远场光路依次包括第六反射镜(9)、第七反射镜(10)、透镜(12)、第八反射镜(11)和CCD(13)，所述的第六反射镜(9)设置在平移台上；
待测大口径超短激光脉冲中间位置放置所述的第一反射镜(1)，使光束分为两束等口径的半光斑光束，一半光斑光束进入迈克尔逊干涉仪的一臂，即经第一反射镜(1)反射后通过延迟线(6)，再经第五反射镜(5)反射后，入射到分束片(7)，经该分束片(7)透射；另一半光斑光束直接进入迈克尔逊干涉仪的另一臂，即依次经过第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)反射后，入射到分束片(7)，经该分束片(7)反射，两路半光斑光束形成合束光；
在所述的分束片(7)后放置与合束光等口径的小孔作为近场光阑(8)，利用平移台把第六反射镜(9)移入合束光路，使合束光被第六反射镜(9)反射，被反射后的合束光经所述的第七反射镜(10)反射后，再经所述透镜(12)聚焦，最后经第八反射镜(11)反射，使得聚焦光束的焦点成像在所述的CCD(13)上；当两束光在近场光阑(8)处重合，且CCD(13)中两光束的焦斑重合，移走第六反射镜(9)，使合束光注入二阶自相关仪(14)，该二阶自相关仪(14)安置在平移台上，且该二阶自相关仪(14)与所述的示波器(15)相连。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的透镜(12)为长焦透镜。
3.一种利用权利要求1或2所述的测量装置进行大口径超短激光脉冲前沿径向群延迟的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
①在待测大口径超短激光脉冲中间位置放置第一反射镜(1)，将待测大口径超短激光脉冲分为两束等口径的半光斑光束，分别注入迈克尔逊干涉仪的两臂，一路作为参考光，另一路作为待测光，并使两路光在分束片(7)后合束；
②调节迈克尔逊干涉仪中的延迟线(6)，使两路光之间存在一相对延时；
③调节平移台使第六反射镜(9)进入合束光路，使合束光被第六反射镜(9)反射后进入远场光路；
④通过调节第四反射镜(4)、第五反射镜(5)以及分束片(7)，使两束光在近场光阑(8)处重合，同时CCD(13)中两光束焦斑重合，从而实现两束光的合束校正；
⑤移走第六反射镜(9)，使合束光注入二阶自相关仪(14)，利用二阶自相关仪(14)横向扫描合束光，基于互相关原理测量不同位置处两半光斑光束脉冲前沿间的相对延时，并通过示波器(15)记录两脉冲前沿间的相对延时量；
⑥拟合所测得的不同位置处的相对延时，根据拟合所得线性函数的斜率及待测大口径超短激光脉冲的直径推导出待测大口径超短激光脉冲前沿的径向群延迟，即径向群延迟分布函数的二次项系数a，
a＝k/d
其中，k为上述拟合所得线性函数的斜率，d为待测大口径超短激光脉冲的直径。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述步骤②中调节延迟线(6)所引入延迟量的不同对最后径向群延迟的测量结果无影响。
5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述步骤⑤中示波器(15)所显示的相关信号包括三个尖峰，中间尖峰对应着两个自相关信号的叠加，两边的尖峰对应着两个互相关信号，且自相关信号与互相关信号之间的时间间隔就是所测两脉冲前沿间的相对延时量。
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| CN1299067A (zh) * | 2000-12-20 | 2001-06-13 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 啁啾光纤光栅群时延的测量方法 |
| CN101660998A (zh) * | 2008-08-28 | 2010-03-03 | 中国计量科学研究院 | 利用小波变换测量群延迟的方法 |
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| CN105675153A (zh) | 2016-06-15 |
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