CN108007583A - 纳秒脉冲光信噪比测量装置 - Google Patents

Abstract

一种纳秒脉冲光信噪比测量装置，由第一分光镜、第一反射镜、第一透镜、第二反射镜、第一增透分光镜、衰减片、第三反射镜、损伤防护部件、第二透镜、第二增透分光镜、第一光电管、第二光电管和第三光电管构成，本发明能实现测量范围‑80ns～‑150ps、高动态范围为10⁸的脉冲信噪比测量。

Description

纳秒脉冲光信噪比测量装置

技术领域

本发明涉及激光参数诊断，特别是一种纳秒脉冲光信噪比测量装置。

背景技术

为了发展聚变能源技术，科学家们研制了高功率激光装置，用于中心点火和快点火等技术方案的研究。利用超短超强激光脉冲打靶时，主脉冲之前的噪声信号如果超过一定强度，就会破坏靶面并产生等离子体，产生复杂的不利影响。千焦耳级拍瓦激光在高能密度物理、快点火、二次辐射源等重要前沿物理研究领域展现出了重要的应用前景。与之相匹配的皮秒参数测量系统，用于输出脉冲参数的实时测量、运行状态实时监测。其中信噪比是一项非常重要的技术指标。

为了获得超短超强的拍瓦激光，采用了光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术。该技术的实现方法，是将欲放大的一束低能量飞秒宽带种子信号光脉冲，通过正啁啾色散的方法在时域上展宽，展宽后的脉冲在时域上表现为啁啾脉冲。然后用一束高能量纳秒级窄带泵浦光与展宽后的啁啾种子光在非线性晶体中进行参量耦合，使种子光脉冲放大。放大之后的种子光脉冲再通过负啁啾色散的方法被压缩成飞秒脉冲输出。基于神光II第九路激光系统升级改造的拍瓦激光系统，就是采用了OPCPA技术，实现1000J、1ps的脉冲输出。

目前国际上的拍瓦级激光系统，采用了基于光电探测器级联的纳秒段信噪比测量技术。美国罗切斯特大学的OMEGA EP激光系统在2010年的CLEO文献中报道了1500J、10ps的纳秒段信噪比测量结果，动态范围达到了10⁸，测量范围为(-8ns，-0.5ns)。美国的NIF装置中的ARC激光系统在2017年的SPIE文献中报道了预放位置10¹⁰的纳秒段信噪比测量结果，时间范围为(-100ns，+2ns)。目前国内还没有纳秒段信噪比测量相关的文献报道，而且也没有可以类似的测量装置。国内已有的用于拍瓦级激光系统的信噪比测量技术，是基于互相关的光纤阵列技术，动态范围能够＞10⁹，测量范围为(-60ps，+10ps)。

国内现有的纳秒脉冲光信噪比测量技术的时间范围为(-80ns，-1ns)，动态范围为10⁴。现有技术存在的问题是：一方面皮秒段信噪比测量过程中的时间窗口较小，无法进行百ps范围以外信噪比分析；另一方面纳秒段信噪比测量技术的动态范围不足，仅为10⁴。

发明内容

本发明所要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种纳秒脉冲光信噪比测量装置，该装置能实现测量范围-80ns～-150ps、高动态范围为10⁸的脉冲信噪比测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种纳秒脉冲光信噪比测量装置，特点在于该装置由第一分光镜、第一反射镜、第一透镜、第二反射镜、第一增透分光镜、衰减片、第三反射镜、损伤防护部件、第二透镜、第二增透分光镜、第一光电管、第二光电管和第三光电管构成，其位置关系如下：

入射的待测脉冲光作为基频光，沿该基频光方向依次是所述的第一分光镜、第一反射镜、第一透镜、第二反射镜、第一增透分光镜，该第一增透分光镜将入射光分为反射光和透射光，在所述的反射光方向依次是所述的衰减片、第一光电管，在所述的透射光方向依次是所述的第三反射镜、损伤防护部件、第二透镜和第二增透分光镜，该第二增透分光镜将入射光再分为反射光和透射光，沿该反射光方向是所述的第二光电管，所述的透射光方向是所述的第三光电管，所述的第一光电管、第二光电管和第三光电管与示波器的输入端相连。

所述的示波器为DPO70707型数字荧光示波器，所有元器件连接的传输线和接头均为SFF-50-1.5-1型低损耗射频电缆和BNC接头。

本发明的技术效果是：

1)能够实现动态范围在10⁸以上的信噪比测量。在纳秒段信噪比测量过程中，为了保护高灵敏度的光电管不被后续的主脉冲损伤，在第二光电管的光路中设计有一个损伤阈值为10¹⁰W/cm²的可旋转推进的损伤防护板。当入射脉冲的能量为10mJ、脉宽1ps、透镜焦距f为500mm时，对应损伤阈值的能量为0.5×10^-5J。因此主脉冲第一光电管上的能量范围为1×10^-5J，1×10^-2J，采用常规衰减片，动态范围为10³；第二光电管能量范围为1×10^-8J，0.5×10^-5J，动态范围为10³；第三光电管的能量范围为1×10^-10J，0.5×10^-8J，动态范围为10²。

在数据处理和分析部件中，将这3个光电管的信号输入到高速示波器中，通过多通道数据拼接技术，可以实现的能量测量范围为1×10^-10J，0.5×10^-2J，组合后的动态范围极限为10⁸。

2)能够实现稳定可靠的信噪比测量。本发明，在焦平面位置设计一个可移动的光学损伤防护板，能够保护用于低功率、前沿噪声的第三光电管，从而消除干扰，有效保护光电探测器的灵敏度，提高了测量装置的使用寿命，可3实现稳定可靠的高动态范围的信噪比测量。

3)本发明测量时间范围能够达到-80ns，-0.15ns。

附图说明

图1是本发明纳秒段脉冲信噪比测量仪的光路图。

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。

请参阅图1，由图1可见，本发明纳秒脉冲光信噪比测量装置，由第一分光镜1、第一反射镜2、第一透镜3、第二反射镜4、第一增透分光镜5、衰减片6、第三反射镜7、损伤防护部件8、第二透镜9、第二增透分光镜10、第一光电管11、第二光电管12和第三光电管13构成，其位置关系如下：

入射的待测脉冲光作为基频光，沿该基频光方向依次是所述的第一分光镜1、第一反射镜2、第一透镜3、第二反射镜4、第一增透分光镜5，该第一增透分光镜5将入射光分为反射光和透射光，在所述的反射光方向依次是所述的衰减片6、第一光电管11，在所述的透射光方向依次是所述的第三反射镜7、损伤防护部件8、第二透镜9和第二增透分光镜10，该第二增透分光镜10将入射光再分为反射光和透射光，沿该反射光方向是所述的第二光电管12，沿该透射光方向是所述的第三光电管13，所述的第一光电管11、第二光电管12和第三光电管13与示波器的输入端相连。所述的示波器为DPO70707型数字荧光示波器，所有元器件连接的传输线和接头均为SFF-50-1.5-1型低损耗射频电缆和BNC接头。

本发明的实验结果说明：

1)动态范围验证：

该方案中光电管的灵敏度为0.6mV/W，在纳秒段信噪比测量装置中，当入射的脉冲为1mJ、1ps时，功率为10⁹W。对应的最大电压将达到6*10⁸mV。在数字示波器中，可以观察和分辨的动态范围为10³。

增透分光镜的参数为，第一增透分光镜5的反射率为0.1％，第二增透分光镜10的反射率为0.1％。对应的能流分配和探测电压设计如下：

当入射脉冲能量为1mJ时，用于主脉冲的第一光电管11，测量的能量范围为10^-9J，10^-6J，功率范围为10³W，10⁶W，使用滤光片衰减1000倍之后，对应的电压为0.6mv，600mV。

用于中等功率的第二光电管12，首先经过损伤防护板之后隔离了主脉冲，剩余能量为10^-6J，然后经过第二增透分光镜10反射，衰减倍率为1000倍，因此能量范围为(10^-12J，10^-9J)，功率为(1W，1000W)，对应的电压为(0.6mV，600mV)。

用于前沿噪声的第三光电管13，首先经过损伤防护板之后隔离了主脉冲，剩余能量为10^-6J，然后经过第二增透分光镜10透射，因此能量范围为(10^-12J，10^-6J)，功率范围为(1W，10⁶W)，其中大于10³W的前沿噪声在示波器上处于饱和状态；功率范围为(1000W，10⁶W)，对应的电压为(600mv，6*10⁵mV)。

将三个光电管的测量信号同时输入到示波器中进行数据处理和级联，以及衰减倍率反向计算，就能够得到动态范围为(10^-3J，10^-12J)的信噪比测量结果；

当增透分光镜的参数不变，入射脉冲为0.1mJ，100fs时，对应的能流分配和探测电压设计如下：

当入射脉冲为0.1mJ时，用于主脉冲的第一光电管11，测量的能量范围为测量的能量范围为(10^-10J，10^-7J)，功率范围为(10³W，10⁶W)，使用滤光片衰减1000倍之后，对应的电压为(0.6mv，600mV)。

用于中等功率的第二光电管12，首先经过损伤防护板之后隔离了主脉冲，剩余能量为10^-6J，然后经过第二增透分光镜10反射，衰减倍率为1000倍，因此能量范围为(10^-12J，10^-9J)，功率为(10W，10000W)，对应的电压为(6mV，6000mV)。

用于前沿噪声的第三光电管13，首先经过损伤防护板之后隔离了主脉冲，剩余能量为10^-6J，然后经过第二增透分光镜10透射，因此能量范围为(10^-12J，10^-6J)，功率范围为(10W，10⁷W)，其中大于10⁴W的前沿噪声在示波器上处于饱和状态；功率范围为(10⁴W，10⁷W)，对应的电压为(6000mv，6*10⁶mV)。

将三个光电管的测量信号同时输入到示波器中进行数据处理和级联，以及衰减倍率反向计算，就能够得到动态范围为(0.1*10^-3J，10^-12J)的信噪比测量结果。

2)可靠性验证

在本方案中，在提高光电管灵敏度的基础上采取在焦平面位置设置一个可移动的光学防护板，从而提高测量动态范围，避免后续主脉冲的冲击造成损伤和破坏。

为了保护第二光电管12和第三光电管13，损伤防护板的能量截止阈值为10^-6J。当光束口径为32×32mm、脉宽为1ps、波长为1053nm、发散角为1mrad时，由下述公式：

d＝fθ (5)

其中：公式(4)中，I为焦点处的功率密度阈值，E为损伤防护板的能量截止阈值，Δt为脉冲宽度，S为焦斑面积；公式(5)为高斯光束直径计算公式，公式(6)为焦斑面积计算公式。

经计算可知所需要的透镜焦距为0.722m时，焦点处的功率密度超过10¹⁰W/cm²时，将会损伤该光学防护板，使其透过率降低，从而保护后续的高灵敏度光电管。

损伤防护板的直径为50mm，厚度1mm，透过率＞90％。每次旋转角度为30°，旋转一周(360°)之后推进7mm。因此该损伤防护板可以工作24发次。

综上所述，采用该技术方案，能够实现测量范围(-80ns，-150ps)，动态范围＞10⁸，并且能够有效保护用于微弱信号检测的第二光电管12和第三光电管13。

3)时间范围验证

器件的上升时间是指器件所测量得信号从最大值的10％上升到90％所用时间，器件的上升时间可在其产品技术手册中查找到，如未直接给出其上升时间，可通过其测量带宽求得，测量带宽的值也可在其产品技术手册中找到。

器件的上升时间与测量带宽的通用转换公式为：

其中，Tr表示器件的上升时间，BW表示器件的测量带宽。

光电管的工作原理是基于外光电效应，需要一定的响应时间，会对原始接收的光信号的脉宽进行展宽。不同光电管的上升时间不尽相同，在该专利中，选用InGaAsPIN光电管，上升时间为25ps。

信号传输线和接头都存在一定的测量带宽，同样会对脉冲信号进行展宽。本专利中，选用SFF-50-1.5-1型低损耗射频电缆，测量带宽为8GHz，配套接头为BNC接头，测量带宽为12GHz。

示波器是进行高精度时间波形测量的关键仪器，其最重要的参数指标为模拟带宽和最大采样率，这是由示波器在进行硬件设计时就已经决定的。在本专利中使用的示波器为Tektronix泰克DPO70707型数字荧光示波器进行测量和分析，带宽为4GHz。

根据研究表明，示波器显示波形的上升沿时间与测量器件上升时间和原脉冲的脉宽具有以下关系：

其中，Tr为示波器显示波形的上升沿时间；T为激光脉冲的脉冲宽度，本专利中使用的激光脉冲宽度为1ps；Tr_光电管为光电管的上升时间；Tr_传输线为连接示波器和光电管的信号传输线的上升时间；Tr_接头表示传输线所使用的接头的上升时间，可由测量带宽求得；Tr_示波器表示示波器的上升时间。

在本发明中，示波器为DPO70707型数字荧光示波器。传输线和接头均为SFF-50-1.5-1型低损耗射频电缆和BNC接头。

根据公式(1)和(2)，可求得示波器，测量1ps激光脉冲的上升沿时间为：

根据公式(1)可知，器件测量带宽越大，上升时间越小，对原脉冲展宽越小。由测量结果以及前期经验基础，能够实现时间范围是-80ns，-150ps。

实验表明，本发明能实现测量范围-80ns～-150ps、高动态范围为10⁸的脉冲信噪比测量。

Claims (2)

1.一种纳秒脉冲光信噪比测量装置，特征在于该装置由第一分光镜(1)、第一反射镜(2)、第一透镜(3)、第二反射镜(4)、第一增透分光镜(5)、衰减片(6)、第三反射镜(7)、损伤防护部件(8)、第二透镜(9)、第二增透分光镜(10)、第一光电管(11)、第二光电管(12)和第三光电管(13)构成，其位置关系如下：

入射的待测脉冲光作为基频光，沿该基频光方向依次是所述的第一分光镜(1)、第一反射镜(2)、第一透镜(3)、第二反射镜(4)、第一增透分光镜(5)，该第一增透分光镜(5)将入射光分为反射光和透射光，在所述的反射光方向依次是所述的衰减片(6)、第一光电管(11)，在所述的透射光方向依次是所述的第三反射镜(7)、损伤防护部件(8)、第二透镜(9)和第二增透分光镜(10)，该第二增透分光镜(10)将入射光再分为反射光和透射光，沿该反射光方向是所述的第二光电管(12)，所述的透射光方向是所述的第三光电管(13)，所述的第一光电管(11)、第二光电管(12)和第三光电管(13)与示波器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光信噪比测量装置，特征在于所述的示波器为DPO70707型数字荧光示波器，所有元器件连接的传输线和接头均为SFF-50-1.5-1型低损耗射频电缆和BNC接头。