CN108254088A - 大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，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、狭缝光阑、第一光电探测器、第二光电探测器和图像处理单元，本发明能实现测量范围0.3‑50ps的脉冲宽度测量。
Description
技术领域
本发明涉及激光脉冲参数诊断，特别是大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置。
背景技术
高能拍瓦激光为激光物质相互作用的研究工作提供了一个重要的技术手段，在高能密度物理研究、惯性约束聚变(ICF)、快点火、先进射线能力(ARC)等领域具有重要的应用价值。国内外有许多已建成或在建的高能超短脉冲激光装置。美国罗切斯特大学研制的OMEGA EP拍瓦激光系统的脉宽设计值为1-100ps，单束能量高达2.6kJ(参见Journal DePhysique IV,2006,133(1):705-707.)。美国劳伦斯利福摩尔国家实验室(LLNL)正在建造的NIF ARC激光系统，共8束光路，每束光路的能量预计为0.4-1.7kJ，脉宽设计值为1-50ps(参见Proc.SPIE 10084,High Power Lasers for Fusion Research IV,1008403；doi:10.1117/12.2257571)。
超短激光脉冲宽度的准确测量对于超短脉冲的产生和运用具有重要的指导意义。拍瓦级激光系统的脉宽为亚皮秒或者皮秒量级，普遍采用了自相关方法作为脉宽测量的主要技术方案。Janszky等人提出了测量超短脉冲的自相关法理论。F.Salin等人提出了采用非共轴二次谐波转换测试短脉冲宽度的实验方案。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。
高精度、高可靠性的皮秒级脉宽测量技术，对于评估拍瓦激光中大口径光学元件的损伤阈值、保护光栅、离轴抛物面镜等关键元件、以及分析焦斑功率密度方面具有重要的指导意义。神光II(SG-II)拍瓦激光系统现有的皮秒级脉宽测量单元的测量范围为0.3-15ps，分辨率为0.05ps，能够满足现有拍瓦激光脉宽范围(1-10ps)的测量需求，但是不能满足多功能激光脉宽范围(0.3-50ps)的测量需求。而现有的非线性晶体中，BBO晶体的非线性系数最高，为2pm/V。但是受到工艺限制，现有BBO晶体的最大尺寸为20mm，在脉宽测量仪中得到的最大时间测量范围为26.3ps，无法满足50ps的脉宽测量范围需求。
现有超短脉冲测量仪中，通用型条纹相机可以实现>100ps的时间扫描范围，时间分辨率为1ps；飞秒条纹相机的时间扫描范围可以达到20ps-1ns，时间分辨率为0.2ps；FROG超短脉冲测量仪可实现50-500fs的脉宽测量，时间分辨率为1fs。条纹相机可以实现大范围的脉宽测量，但时间分辨率较低；FROG测量仪可以实现高分辨率测量，但其测量范围受到限制。可见，测量仪器中，大量程和高分辨率测量难以兼具，现有SG-II拍瓦激光装置中皮秒脉宽测量仪(参见CN 104880258 A)范围0.3-15ps，分辨率0.05ps，不能满足0.3-50ps大范围皮秒激光脉冲宽度测量需求。因此，大量程、高分辨率、低误差的皮秒脉冲测量仪的设计研究具有重要的科研价值和工程意义。
发明内容
本发明要解决的问题是针对上述现有测量装置的不足，提供一种大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，该测量装置能够实现范围0.3-50ps的脉冲宽度测量。
本发明的技术解决方案是：
一种大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，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、狭缝光阑、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：
所述的第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜均与光路成45°，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后输出自相关信号，在该自相关信号方向上依次是第四反射镜、柱面镜、狭缝光阑和第一光电探测器，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一块尺寸20×10×1mm的BBO晶体和两块尺寸13×10×1mm的BBO晶体拼接而成的大口径BBO晶体。
在晶体拼接过程中，为了确保相位匹配角的一致性，晶体平面之间的平行度偏差应当≤5mrad；为了确保非线性转换效率的一致性，晶体的厚度偏差应当为±50um；为了减小拼缝产生的畸变，拼缝间距应当≤26um。
通过在成像透镜L的焦平面位置设置狭缝光缆S，基于空间滤波的方法消除晶体间拼缝引起的干扰噪声。
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。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)现有的BBO晶体的最大尺寸为20mm，在脉宽测量仪中得到的最大时间测量范围为26.3ps。为了将测量范围拓展到50ps，采用晶体拼接技术，将非线性作用范围拓展到38mm以上。
2)在晶体拼接过程中，为了确保相位匹配角的一致性，晶体平面之间的平行度偏差应当≤5mrad；为了确保非线性转换效率的一致性，晶体的厚度偏差应当为±50um；为了减小拼缝产生的畸变，拼缝间距应当≤26um。由此引起的脉宽测量误差＜5.6％，可实现低误差测量。
本发明中晶体间拼缝会作为次波源衍射出干扰噪声，通过在成像透镜L的焦平面位置设置宽度为4um的狭缝光缆S，基于空间滤波的方法，可以消除衍射条纹产生的测量误差。
3)本发明能够实现测量范围0.3-50ps的脉冲宽度(FWHM，Full Width of HalfMaximum)测量，时间分辨率能达到0.05ps。
附图说明
图1是本发明大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置的结构简图；
图2是本发明大口径BBO晶体的拼接示意图。
图3是本发明测量范围和时间分辨率原理图。
图4是本发明倍频信号强度效率与拼接晶体间平行度偏差关系图。
图5是本发明倍频信号强度效率与晶体厚度偏差关系图。
图6是本发明拼接晶体间拼缝衍射出的噪声在焦平面不同位置光强。
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是本发明大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置的结构简图。由图可见，本发明大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，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(如图2)、柱面镜12、狭缝光阑13、第一光电探测器14、第二光电探测器10和图像处理单元15，上述元部件的位置关系如下：
所述的第一分光镜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和第四反射镜11均与光路成45°，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、狭缝光阑13和第一光电探测器14，所述的第一光电探测器14的输出端接所述的图像处理单元15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15的第二输入端。
晶体拼接请参见图2，采用三块BBO晶体进行拼接，中间的晶体尺寸为20×10×1mm，两侧的晶体尺寸为13×10×1mm，拼接之后的横向长度为46mm，大于50ps量程所要求的38mm，并且预留了装夹空间。
本发明的设计原理如下：
1)大量程测量范围和高分辨率的设计
脉宽测量范围和分辨率验证
单次自相关方法中，自相关信号的脉冲宽度是被测脉冲宽度的倍。时间延迟来自两脉冲之间的夹角φ和不同位置的光程延迟，如下图3所示。
第一相关光束的下方光线到达A点的光程为d1A，中心光线到O点的光程为d10，两者光程差为z1；第二相关光束的下方光线到达A点的光程为d2A，中心光线到O点的光程为d20，两者光程差为z2。两相关光束的中心光线同时到达O点，产生的自相关信号最强，故可以得到
d1O-d1A＝z1
d2A-d2O＝z2
d1O＝d2O
z1＝z2＝z
自相关信号的峰值强度从O点移动到A点，移动量为x，所对应的时间延迟量为Δt＝2z/c，c表示真空中光速。定义时间分辨率为时间延迟与自相关信号移动量的比值
假设光束半径为R，根据几何关系有
z＝Rtan(φ/2)
x＝R/cos(φ/2)
因此，时间窗口的单侧延迟量为
晶体长度达38mm时，单侧延迟量为71ps，总延迟量为142ps，用于自相关曲线分析的时间范围为100.4ps，对应于半高全宽为50.2ps，因此可以测量脉宽为50ps的脉冲。中间晶体长度为20mm，可以实现26.3ps的被测脉宽范围；两侧13mm的晶体，可以满足26.3-50ps的脉宽测量需求，并留有余量。
时间分辨率可以表示为
本装置中采用的CCD探测器的单个像素宽度为14um，对应的时间测量范围为0.05ps，故本测量仪的时间分辨率可以达到0.05ps。
基于以上设计，大量程皮秒级脉宽测量仪能够同时实现50ps的测量范围和0.05ps的时间分辨率。
2)测量误差的优化设计
由于采用了3个晶体进行拼接，它们之间会存在差异性，需要基于误差允许范围、现有工艺技术进行定量分析和误差分配。
(a)平行度偏差
根据二次谐波理论，倍频信号光强为式中ω1为基频光频率，L为晶体厚度，deff为有效非线性系数，n1为基频光折射率，n2为倍频光折射率，c为真空中光速，ε0为真空介电常数，Iω为基频光强，Δk为相位匹配项。定义倍频信号强度效率为理论情况下，满足相位匹配时二次谐波产生效率最高，此时Δk＝0，由于晶体拼接装夹时存在一定的平行度偏差，此时Δk≠0，由此导致二次谐波产生效率降低。倍频信号强度效率与晶体平行度偏差关系如图4。
当平行度偏差在4.5mrad以内时，倍频信号光强在理论值95％以上；当平行度偏差在5.5mrad以内时，倍频信号光强在理论值90％以上。
(b)厚度偏差
根据二次谐波理论，倍频光强表达式为倍频信号光强正比于晶体厚度的平方，定义倍频信号强度效率为倍频信号强度效率与晶体厚度偏差关系如下图5。
晶体厚度为1mm，实际加工中存在一定误差，当误差为±25um时，效率为95％；当误差为±50um时，效率约为90％。
(c)拼缝间距
根据单次自相关测量原理，测量系统的时间分辨率为式中φ为第一相关光束和第二相关光束在非线性晶体表面的入射夹角。根据时间分辨率公式，时间尺度的0.05ps换算到空间尺度为26.8um，其能分辨的最小尺寸为26.8um，为了减小拼缝产生的畸变，减小拼缝间距对倍频信号的测量误差，拼缝间距应当≤26um。
测量仪中成像透镜的焦距f为40mm，中间大晶体的长边20mm所对应的傅里叶变换频谱为
式中，狭缝宽度为a，焦平面坐标位置为x，波长λ＝ωv。焦平面不同位置光强见图6，因此，采用的狭缝宽度为4um，可以消除衍射条纹产生的测量误差。
基于以上设计，大量程皮秒级脉宽测量仪的误差将＜5.6％。
Claims (7)
1.一种大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，其特征在于，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)、狭缝光阑(13)、第一光电探测器(14)、第二光电探测器(10)和图像处理单元(15)，上述元部件的位置关系如下：
所述的第一分光镜(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)和第四反射镜(11)均与光路成45°，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(7)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)后输出自相关信号，在该自相关信号方向上依次是第四反射镜(11)、柱面镜(12)、狭缝光阑(13)和第一光电探测器(14)，所述的第一光电探测器(14)的输出端接所述的图像处理单元(15)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(15)的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，其特征在于所述的非线性晶体(6)由一块尺寸为20×10×1mm的BBO晶体和两块尺寸为13×10×1mm的BBO晶体拼接而成，拼接后的横向长度为46mm，大于50ps量程所要求的38mm，并且预留了装夹空间。
3.根据权利要求2所述的大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，其特征在于在晶体拼接过程中，各BBO晶体平面之间的平行度偏差≤5mrad；各BBO晶体的厚度偏差为±50um；各BBO晶体之间的拼缝间距≤26um。
4.根据权利要求1-3任一所述的大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，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，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。
5.根据权利要求1-3任一所述的大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，其特征在于所述的第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(11)均为反射率>99％的镀膜反射镜。
6.根据权利要求1-3任一所述的大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，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1-3任一所述的大范围皮秒激光脉冲宽度测量装置，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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180706 |