CN107063480B - 基于四波混频扫描式超短激光脉冲时域对比度测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于四波混频扫描式超短激光脉冲时域对比度测量仪，包括分束片、短通滤波片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、电动平移台、第五平面反射镜、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、三阶非线性晶体、衰减片、滤波片、探测器和计算机；通过分束片将激光分解为两束频率不同的激光脉冲，这两束频率不同的激光脉冲以一定角度入射聚焦到三阶非线性材料上，产生两束与入射激光频率不同且传播方向不同的四波混频(拉曼)信号光束，产生的信号光强度直接反映了入射激光的时域对比度。本发明直接获得与入射光束频率不重合的四波混频信号光，装置更加简单，稳定性更高，所使用的元件和非线性介质材料经济便宜。
Description
技术领域
本发明涉及一种超短激光脉冲时域对比度测量技术，是一种基于频率非简并四波混频(或拉曼效应)的扫描式超短激光脉冲时域对比度测量方法和相应测量仪器装置。
技术背景
1985年啁啾脉冲放大技术的出现，迅速提升了激光脉冲的峰值功率，高能量的激光脉冲在激光聚变、粒子激光加速和高能辐射源等领域有着重要应用，而随着激光脉冲峰值功率的提高，激光脉冲的对比度这一参数也越来越重要。激光脉冲对比度定义为激光主脉冲的强度与其脉冲前沿的噪声信号强度的比值。如果激光的峰值强度达到1022W/cm2，即使对比度达到1010，它的噪声的峰值强度仍然可能达到1012W/cm2，物质在这么高的峰值强度的作用下会产生等离子体，而等离子体对激光脉冲具有很高的反射率，因此就会阻挡后续的主脉冲，影响主脉冲和物质的相互作用。为了更好的研究激光脉冲的对比度，对脉冲对比度大小的准确测量十分重要。
目前激光脉冲对比度的测量通常是测量待测光和取样光的相关信号的强度随他们之间的延迟时间的变化，主要方法是采用两级二阶非线性过程的三阶互相关方法，并且已经有相关商品化的三阶互相关仪Sequoia(Amplitude Technology)。这三阶互相关方法的测量原理是待测光先被分束镜分为两束，一束光通过BBO晶体倍频获得高对比度的取样光，再在另一BBO中和待测光和频作用从而获得互相关信号并使用高动态范围的光电倍增管作为信号光的接收器，也就是通过两次二阶非线性过程获得最终的三阶非线性互相关信号光。Sequoia对比度的测量动态范围在1011左右，一定程度上可以满足研究人员的要求并得到了广泛的应用。这种装置也存在一些不足，包括：1)，为了获得三阶互相关信号光，装置采用了先倍频再和频的两步走设计，即通过两次二阶非线性过程获得三阶非线性互相关信号光，装置比较复杂且非线性晶体BBO价格较贵；2)，通过先倍频再和频获得的三阶互相关信号光能量比较弱且其波长处于深紫外范围，对探测器性能的要求比较高；3)，由于倍频以及和频晶体的相位匹配限制，待测光波长范围也有一定的限制。
发明内容
为了解决目前扫描式对比度测量三阶互相关仪的不足，本发明采用单次四波混频这个三阶非线性过程替代两级二阶非线性过程直接获得互相关信号光，大大精简化了实验装置并提高了系统的稳定性；而通过使用柱面镜聚焦参与四波混频的入射光，提高了三阶互相关信号光的能量且避免打坏三阶非线性介质材料；同时四波混频过程所需要的非线性介质材料可以为任意透明材料，拓展了非线性介质材料的选择范围，从而扩展了待测光的光谱范围，提高了材料的破坏阈值等。
本发明原理如下：
待测激光脉冲通过分光镜(比如滤光片)，将激光分解为两束频率不同的激光脉冲，这两束频率不同的激光脉冲以一定角度入射聚焦到三阶非线性材料上，由于四波混频效应(或拉曼效应)产生两束与入射激光频率不同且传播方向不同的四波混频(拉曼)信号光束。由于这一过程是三阶非线性过程，可以直接等效于三阶互相关光学过程，产生的信号光强度直接反映了入射激光的时域对比度。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于四波混频扫描式超短激光脉冲时域对比度测量仪，特征在于其构成包括分束片、短通滤波片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、电动平移台、第五平面反射镜、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、三阶非线性晶体、衰减片、滤波片、探测器和计算机；
在入射光路上设置分束片，该分束片将入射光分为反射光和透射光，所述的透射光依次经过短通滤波片、第一平面反射镜和第二平面反射镜后，入射到第一柱面反射镜，所述的反射光依次经过第三平面反射镜、第四平面反射镜和第五平面反射镜后，入射到第二柱面反射镜，所述第一柱面反射镜和第二柱面反射镜将两束入射光反射聚焦并重合于三阶非线性晶体中；
所述第三平面反射镜第四平面反射镜位于电动平移台上，所述计算机控制所述电动平移台的移动，使得入射到三阶非线性晶体中的入射光脉冲时间重合，从而在非线性过程作用下产生三阶互相关信号，该三阶互相关信号经过衰减片和滤波片最终入射到探测器中，计算机接收并分析处理所述探测器获得的三阶自相光信号的强度信息；每移动一次电动平移台，记录一次所述互相关信号光的强度信息，从而得到脉冲的对比度信息。
所述的互相关信号的产生是在一个三阶非线性过程的作用产生。
本发明的有益效果是：
1，基于单级非简并四波混频在三阶非线性介质中直接获得与入射光束频率不重合的四波混频信号光，装置更加简单，稳定性更高，所使用的元件和非线性介质材料经济便宜；
2，四波混频所需的三阶非线性介质材料可以为任意透明材料扩展了待测光的波长范围；
3，使用柱面镜聚焦参与四波混频的入射光，提高了三阶互相关信号光的能量且避免打坏三阶非线性晶体，提升了测量的动态范围；
4，三阶互相关信号光波长处于可见光区域，使得探测器的选择更加灵活和多样化。
附图说明
图1基于四波混频扫描式对比度测量装置简略图
图2基于四波混频扫描式对比度测量装置脉冲对比度测量结果
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。如图1所示，一种扫描式脉冲对比度测量系统，特征在于其构成包括：在入射光路上设置分束片1，该分束片1将入射光分为反射光和透射光，所述的透射光经过短通滤波片2，第一平面反射镜3，第二平面反射镜4，第一柱面反射镜9之后在水平方向聚焦，所述的反射光经过第三平面反射镜5，第四平面反射镜6，第五平面反射镜8，第二柱面反射镜10之后也在水平方向聚焦，所述第三平面反射镜5和所述第四平面反射镜6位于电动平移台7之上，所述第一柱面反射镜9和第二柱面反射镜10最终把入射光反射聚焦并重合于三阶非线性晶体11中，调节入射脉冲时间空间重合，从而在非线性过程作用下产生互相关信号，所述互相关信号经过衰减片12和滤波片13最终入射到探测器14中，一台计算机15控制电动平移台7的移动并接收和分析处理上述探测器14获得的上述自相光信号的强度信息，每移动一次电动平移台7，记录一次信号光的强度信息，从而得到脉冲的对比度信息。
下面列举一个具体使用实例，使用本发明测量钛宝石再生放大器中出射的1kHz，37fs，4W，800nm飞秒激光脉冲的对比度，为了验证测量的准确性待测脉冲首先经过一枚1mm厚的石英玻璃片在脉冲后沿引入一个小脉冲。此后待测光经过一个截止频率800nm的分束片分成反射光和透射光，反射光的波长成分大于800nm，透射光的波长成分小于800nm；透射光经过一枚短通滤波片进一步滤除部分长波长光谱成分，这样可以使得最终获得的互相关信号光与杂散噪声光的频率成分不同，方便滤波；之后透射光再经过第一第二介质平面反射镜后入射到一片焦距500mm的镀银柱面反射镜；反射光经第三第四第五平面反射镜后也入射到另一枚焦距500mm的镀银柱面反射镜，第三第四平面反射镜搭建在一个电动平移台上，电动平移台在计算机的控制下可以沿着光束的入射方向移动；经两枚柱面反射镜反射的上述反射光和透射光最终在一枚位于柱面反射镜焦点处厚度0.15mm的石英玻璃片中重合，光斑重合大小为15mm*200μm，空气中交叉角度为2°，调节电动平移台，使得入射到玻璃片中的入射光脉冲时间重合，可以在入射光两侧看到多个光斑的产生，这些光斑就是基于四波混频获得的互相关信号光。选取一级频率上转换信号光作为三阶互相关信号光，所获得的三阶互相关信号光经过衰减片和滤波片后入射到一台CMOS相机，衰减片是为了使入射光的强度不要超过CMOS的测量动态范围，滤波片的作用是去除杂散噪声对互相关信号光的影响。调节电动平移台的移动，电动平移台每次移动0.01mm，同时采集记录一次相应的互相关信号光的强度，最终可获得入射脉冲的对比度测量信息。图2所示为本发明测量的放大器出来的激光脉冲对比度结果图。图2中A所示部分为没有互相关信号光入射的时候探测器探测的自身噪声强度，相对于主脉冲强度为2.4*10-10，表明了探测器的探测能力在10-10量级；B所示为脉冲的主脉冲；C所标示的为1mm厚度的石英玻璃片经过前后表面反射所引进的小脉冲，我们的探测结果表明它位于脉冲后沿10.6ps处，相对主脉冲强度为1.7*10-3，与理论计算值相符合，验证我们测量装置测量的准确性；图2中D和E处的小脉冲是待测光自身的后沿噪声小脉冲，可能是钛宝石放大器中一些光学元件的前后表面反射引入的小脉冲，他们分别位于21.4ps和24.8ps处，强度相对于主脉冲分别为1.8*10-3和0.6*10-3；而图2中F和G处小脉冲应该是激光脉冲的光学元件前后表面二次反射，他们的位置是分别是位于脉冲后沿42.9ps和49.6ps处，是D和E小脉冲位置的二倍，强度相对于主脉冲分别为2*10-6和4.6*10-7，约是D和E小脉冲相对主脉冲强度值的平方，这也和理论计算结果相切合，进一步验证测量结果的准确性。本发明装置通过使用四波混频来产生互相关信号光，结构简单，操作方便，测量结果准确，在对比度测量领域具有很好的应用前景。
Claims (1)
1.一种基于四波混频扫描式超短激光脉冲时域对比度测量仪，特征在于其构成包括分束片、短通滤波片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、电动平移台、第五平面反射镜、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、三阶非线性晶体、衰减片、滤波片、探测器和计算机；
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所述第三平面反射镜和第四平面反射镜位于电动平移台上，所述计算机控制所述电动平移台的移动，使得入射到三阶非线性晶体中的入射光脉冲时间重合，从而在非线性过程作用下产生三阶相关信号，该三阶相关信号经过衰减片和滤波片最终入射到探测器中，计算机接收并分析处理所述探测器获得的三阶自相光信号的强度信息；每移动一次电动平移台，记录一次所述相关信号光的强度信息，从而得到脉冲的对比度信息；
所述的相关信号是直接在四波混频非线性过程的作用下产生。
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