CN109060151B - 一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置。所述的测量装置中，被测的高功率超短激光脉冲方形光束经过分光镜后将光变为反射光和透射光，反射光经脉冲延迟器后变为相互间存在固定时间延迟的一系列会聚激光脉冲串，与所述的透射方形光束同时投射到倍频晶体进行频率变换，在倍频晶体后形成上下等间距的、相互间存在固定时间延迟的多条自相关信号，最后经成像透镜成像到CCD进行采集、处理，获得亚纳秒量级时间记录长度的脉冲对比度信息。本发明的装置时间记录长度宽，成本低、结构简单，调节方便。

Description

一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置

技术领域

本发明属于超短激光脉冲测试技术领域，具体涉及一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置。

背景技术

脉冲对比度是高功率超短激光装置性能和应用的一个关键指标，目前超短激光脉冲对比度测量主要采用相关法。名称为“高功率超短激光脉冲对比度测量装置”的中国实用新型专利（专利号：ZL 200720077677.0）公开了一种通过非共线谐波转换获得三阶相关信号的脉冲对比度测量方法，由于采用平板玻璃多次透射分光的方法，只能获得脉冲波形上几个特定时间点的对比度信息；名称为“单发次超短激光脉冲对比度测量装置”的中国发明专利（专利号：ZL2009 1 0263670.1）公开了一种对产生的三阶相关信号进行主脉冲与预脉冲分区测量的方法获得对比度信息；名称为“一种单发次超短激光脉冲对比度测量装置”的中国实用新型专利（专利号：ZL2010 2 0293190.8）公开了一种采用级联的方法分别获得主脉冲与预脉冲的三阶相关信号，利用各自的探测器分别测量主相关信号与边沿相关信号的方法完成单次超短激光脉冲对比度测量；名称为“一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置”的中国发明专利（专利号：ZL 201510000961.7）公开了一种采用光限幅的方法来提升对比度测试的动态范围。这些测量装置尽管提高了动态范围，受限于晶体尺寸，只能测量脉宽约十皮秒范围内的对比度信息。

发明内容

为了克服现有的测量装置在超短激光脉冲对比度测量中的时间记录长度窄的不足，本发明提供一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的亚纳秒激光脉冲对比度测量装置，其特点是，所述的测量装置中，在高功率超短激光脉冲方形光束入射方向上设置有分束镜，入射脉冲光经分束镜分成透射光和反射光。在分束镜的透射光路上依次设置有反射镜Ⅰ、光程调节机构、反射镜Ⅱ。在分束镜的反射光路上依次设置有反射镜Ⅲ、脉冲延迟器、倍频晶体；分束镜的透射光经反射镜Ⅰ反射到光程调节机构上进行光程调节后投射到反射镜Ⅱ，分束镜的反射光经反射镜Ⅲ反射到脉冲延迟器上，通过脉冲延迟器后变为相互间存在固定时间延迟的一系列会聚激光脉冲串，所述的会聚激光脉冲串在倍频晶体上会聚，形成上下等间距的水平线状光束串，所述的水平线状光束串与从反射镜Ⅱ反射的方形光束同时投射到倍频晶体进行频率变换，在倍频晶体后形成上下等间距的水平线状倍频光束串。在倍频晶体后的光路上依次设置吸收片、成像透镜、CCD；从倍频晶体出射的基频光束被吸收片吸收，从倍频晶体出射的水平线状倍频光束串经过成像透镜透射后传送到CCD，成像透镜将倍频晶体表面的水平线状倍频光束串成像到CCD的探测面上。CCD外接计算机，来自CCD的信号最后进入计算机进行数据处理。

所述的脉冲延迟器由三块元件构成；按顺序依次设置平板Ⅰ、平板Ⅱ、柱透镜；平板Ⅰ安装在移动导轨上，平板Ⅰ和平板Ⅱ相互间在竖直方向上呈一楔角放置；从反射镜Ⅲ反射的光透过平板Ⅰ，在平板Ⅰ和平板Ⅱ的内表面间来回多次反射后从平板Ⅱ透射出来，形成强度递减的、具有固定时间延迟的脉冲串，经柱透镜会聚后，在柱透镜焦面上形成一系列上下等间距的、相邻间具有固定时间延迟的水平线状光束串。

所述的平板Ⅰ和平板Ⅱ的外表面镀增透膜、内表面镀半透半反膜。

所述的倍频晶体放置在柱透镜的焦面位置，采用90度非共线Ⅰ类位相匹配，根据不同的入射波长选用不同的晶体材料。

本发明的有益效果是：

本发明采用类似法布里-玻罗干涉仪的结构进行脉冲延迟分光，将传统的相关仪的时间测量范围从数皮秒量级提升到亚纳秒量级，加宽了预脉冲的探测时间起点。

附图说明

图1是本发明的一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置的光路示意图；

图2是本发明中的脉冲延迟器的光路示意图；

图3是本发明中CCD获取的单发次强度自相关图像排布示意图；

图4是图3的单发次强度自相关图像拼接示意图；

图中，1. 分束镜 2. 反射镜Ⅰ 3. 光程调节机构 4. 反射镜Ⅱ 5. 反射镜Ⅲ 6.脉冲延迟器 7. 倍频晶体 8. 吸收片 9. 成像透镜 10. CCD 6-1.平板Ⅰ 6-2. 平板Ⅱ 6-3. 柱透镜 6-4. 移动导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

图1是本发明的一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置光路示意图；图2是本发明中的脉冲延迟器光路示意图，为图1中的脉冲延迟器的A向侧视图；图3是本发明中CCD获取的单发次强度自相关图像排布示意图；图4是图3的单发次强度自相关图像拼接示意图，图中字母位置表示图3中上下相邻图像拼接位置起始点。在图1~图4中，本发明的一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置中，在高功率超短激光脉冲方形光束入射方向上设置有分束镜1，入射脉冲光经分束镜1分成透射光和反射光；在分束镜1的透射光路上依次设置有反射镜Ⅰ2、光程调节机构3、反射镜Ⅱ4；在分束镜1的反射光路上依次设置有反射镜Ⅲ5、脉冲延迟器6、倍频晶体7；分束镜1的透射光经反射镜Ⅰ2反射到光程调节机构3上进行光程调节后投射到反射镜Ⅱ4，分束镜1的反射光经反射镜Ⅲ5反射到脉冲延迟器6上，通过脉冲延迟器6后变为相互间存在固定时间延迟的一系列会聚激光脉冲串，所述的会聚激光脉冲串在倍频晶体7上会聚，形成上下等间距的水平线状光束串，所述的水平线状光束串与从反射镜Ⅱ4反射的方形光束同时投射到倍频晶体7进行频率变换，在倍频晶体7后形成上下等间距的水平线状倍频光束串；在倍频晶体7后的光路上依次设置吸收片8、成像透镜9、CCD10；从倍频晶体7出射的基频光束被吸收片8吸收，从倍频晶体7出射的水平线状倍频光束串经过成像透镜9透射后传送到CCD10，成像透镜9将倍频晶体7表面的水平线状倍频光束串成像到CCD10的探测面上；CCD10外接计算机，来自CCD10的信号最后进入计算机进行数据处理。

所述的脉冲延迟器6由三块元件构成；按顺序依次设置平板Ⅰ6-1、平板Ⅱ6-2、柱透镜6-3；平板Ⅰ6-1安装在移动导轨6-4上，平板Ⅰ6-1和平板Ⅱ6-2相互间在竖直方向上呈一楔角放置；平板Ⅰ6-1和平板Ⅱ6-2的外表面镀增透膜、内表面镀半透半反膜；从反射镜Ⅲ5反射的光透过平板Ⅰ6-1，在平板Ⅰ6-1和平板Ⅱ6-2的内表面间来回多次反射后从平板Ⅱ6-2透射出来，形成强度递减的、具有固定时间延迟的脉冲串，经柱透镜6-3会聚后，在柱透镜6-3焦面上形成一系列上下等间距的、相邻间具有固定时间延迟的水平线状光束串。

所述的倍频晶体7放置在柱透镜6-3的焦面位置，采用90度非共线Ⅰ类位相匹配，所述的倍频晶体7选用KDP晶体材料。

在本发明的装置中，在柱透镜6-3焦面处放置倍频晶体7，从反射镜Ⅱ4反射的光束与从柱透镜6-3透射的N行水平线状光束在倍频晶体7上重叠，在重叠区域实现倍频转换，产生的N行水平线状倍频光束经成像透镜9成像到CCD10上。

本发明的亚纳秒激光脉冲对比度测量的基本原理是：采用平板Ⅰ6-1和平板Ⅱ6-2两块平板形成类似法布里-玻罗干涉仪的平板对结构，如图2所示，光束在所述的平板对之间来回多次反射，经过所述的平板对透射后形成时间延迟为τ₀=2d/c、能量变化倍率为R₁R₂的脉冲串：

(1)

式中d为平板对的间距，c为真空中的光速，R₁、R₂为平板Ⅰ、平板Ⅱ的内表面反射率，I_i(t,x)表示从平板对输出的、在t时刻、水平位置为x处的、按时间先后顺序第i个脉冲光束的强度；所述的平板对呈微量的楔角α放置，经焦距为f的柱透镜会聚后，在柱透镜焦面上形成上下间距相差2αf的N行水平线状光束，同一水平位置x处的相邻光束间相差τ₀的时间延迟；所述的N行线状光束（如图3所示）与被测脉冲光束进行单发次强度自相关后，在CCD上获得的第i行、水平位置为x处的图像的强度信号G(i,x)为：

(2)

式中I为被测脉冲强度，β为比例系数，G⁽²⁾(τ)表示时间延迟为τ的强度自相关函数，τ为第i行、水平位置为x处的两入射基频光束的相对时间延迟量。调节图2中的移动导轨6-4，使第i-1行的水平位置X₀与第i行的水平位置-X₀处的时间延迟量τ相等，即平板对的间距d满足：

(3)

然后将第i行的x属于区间[-X₀，X₀]的强度信号G(i,x)除以(R₁R₂)ⁱ后，拼接到第0行的x属于区间[-(2i-1)X₀，(2i+1)X₀]的强度信号图像中（如图4所示），拼接后得到的图像即为时间测量长度扩展后的被测脉冲的强度自相关图像，对应的强度分布曲线即为强度自相关曲线，本发明将相关信号的时间测量范围从传统的2βX₀扩大到 (2N-1)·2βX₀。

利用本发明的测量装置测量亚纳秒激光脉冲对比度包括以下步骤：

1. 等光程定标。将脉冲宽度小于1皮秒、近场调制度小于1.2、近场对比度小于0.06的水平偏振方形激光束输入到该装置，调节移动导轨6-4，使平板Ⅰ6-1和平板Ⅱ6-2内表面紧贴，移动光程调节机构3，使倍频晶体7产生的倍频光最强，且最强区域位于CCD10的最下一行线状光斑的正中心，所述的水平线状光斑记为0行，最强处的坐标位置记为坐标原点x＝0，该0行以上的光束依次标记为第1,2，…i，…行，如图3所示。

2. 平板对间距的定标。调节光程调节机构3，将该0行的最强倍频光调至最右边位置，所述的坐标位置记为x＝X₀。然后调节移动导轨6-4，使第1行产生的最强倍频光出现在水平位置x＝-X₀。记录下此时的平板对间距d=d₀，然后调节光程调节机构3，使产生的最强倍频光回到第0行的坐标原点x＝0；

3.对比度计算。利用公式（2），将第i行的x属于区间[-X₀，X₀]的强度自相关信号G(i,x)除以(R₁R₂)ⁱ后，拼接到第0行的x属于区间[-(2i-1)X₀，(2i+1)X₀]的强度自相关信号图像中，拼接后图像的任意x位置处的强度值G(x)与坐标原点的强度值G(0)的比值: G(0)/G(x)即为与主脉冲时间相差dx/(cX₀)处的脉冲的对比度。

本实施例中，入射激光脉冲波长为1053nm，脉冲宽度约为200ps，能量约为10mJ，光束口径为2cm，水平偏振，倍频晶体7为KDP材料，采用90度非共线ooe位相匹配。从脉冲延迟器6透射的会聚激光脉冲串与从反射镜Ⅱ4反射的方形光束以约30度的夹角对称入射到倍频晶体7上进行频率变换；脉冲延迟器6中的平板Ⅰ6-1和平板Ⅱ6-2的间距为d₀=3.6mm，对应24ps的时间延迟，楔角为α=2mrad；柱透镜6-3的焦距为f=500mm，CCD采用的像元大小为l_p=8μm，像素2048×2048，采集的自相关图像共9行，比例系数β=0.58mm/ps，因此时间测量长度可达24ps×9=216ps，时间分辨力约为2βl_p=2×0.58mm/ps×8μm≈10fs。

Claims (2)

1.一种亚纳秒激光脉冲对比度测量装置，其特征在于：所述的测量装置中，在高功率超短激光脉冲方形光束入射方向上设置有分束镜（1），入射脉冲光经分束镜（1）分成透射光和反射光；在分束镜（1）的透射光路上依次设置有反射镜Ⅰ（2）、光程调节机构（3）、反射镜Ⅱ（4）；在分束镜（1）的反射光路上依次设置有反射镜Ⅲ（5）、脉冲延迟器（6）、倍频晶体（7）；分束镜（1）的透射光经反射镜Ⅰ（2）反射到光程调节机构（3）上进行光程调节后投射到反射镜Ⅱ（4），分束镜（1）的反射光经反射镜Ⅲ（5）反射到脉冲延迟器（6）上，通过脉冲延迟器（6）后变为相互间存在固定时间延迟的一系列会聚激光脉冲串，所述的会聚激光脉冲串在倍频晶体（7）上会聚，形成上下等间距的水平线状光束串，所述的水平线状光束串与从反射镜Ⅱ（4）反射的方形光束同时投射到倍频晶体（7）进行频率变换，在倍频晶体（7）后形成上下等间距的水平线状倍频光束串；在倍频晶体（7）后的光路上依次设置吸收片（8）、成像透镜（9）、CCD（10）；从倍频晶体（7）出射的基频光束被吸收片（8）吸收，从倍频晶体（7）出射的水平线状倍频光束串经过成像透镜（9）透射后传送到CCD（10），成像透镜（9）将倍频晶体（7）表面的水平线状倍频光束串成像到CCD（10）的探测面上；CCD（10）外接计算机，来自CCD（10）的信号最后进入计算机进行数据处理；

所述的脉冲延迟器（6）由三块元件构成；按顺序依次设置平板Ⅰ（6-1）、平板Ⅱ（6-2）、柱透镜（6-3）；平板Ⅰ（6-1）安装在移动导轨（6-4）上，平板Ⅰ（6-1）和平板Ⅱ（6-2）相互间在竖直方向上呈一楔角放置；从反射镜Ⅲ（5）反射的光透过平板Ⅰ（6-1），在平板Ⅰ（6-1）和平板Ⅱ（6-2）的内表面间来回多次反射后从平板Ⅱ（6-2）透射出来，形成强度递减的、具有固定时间延迟的脉冲串，经柱透镜（6-3）会聚后，在柱透镜（6-3）焦面上形成一系列上下等间距的、相邻间具有固定时间延迟的水平线状光束串；

所述的平板Ⅰ（6-1）和平板Ⅱ（6-2）的外表面镀增透膜、内表面镀半透半反膜。

2.根据权利要求1所述的亚纳秒激光脉冲对比度测量装置，其特征在于：所述的倍频晶体（7）放置在柱透镜（6-3）的焦面位置，采用90度非共线Ⅰ类位相匹配。