CN109596229A - 一种纳秒级脉冲激光波形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳秒级脉冲激光波形测量方法。该测量方法中，被测平行光束通过会聚透镜后，进入分光镜组，分成多束光，每路光束依次通过衰减器、取样镜、能量计和半导体光电探测器，半导体光电探测器输出电信号通过电缆进入示波器；各路光按顺序与示波器通道一一对应，示波器测试数据通过网线送入计算机。示波器排序最后通道波形为完整脉冲波形，对应光路半导体光电探测器工作于线性动态区间内，其余通道对应光路半导体光电探测器工作于饱和区内；示波器各通道脉冲波形依次拼接获得具有高对比度的脉冲波形。该测量方法在确保测量设备处于安全运行状态下可以获得大的线性测量范围，特别适用于高功率激光装置纳秒级脉冲激光波形的测量。

Description

一种纳秒级脉冲激光波形测量方法

技术领域

本发明属于高功率激光参数测量技术领域，具体涉及一种纳秒级脉冲激光波形测量方法。

背景技术

在高功率激光驱动器中，脉冲激光常采用具有高对比度的多台阶整形脉冲，其脉冲主峰与脉冲前沿台阶之间的对比度达到数百比一，且具有复杂的脉冲波形轮廓和快的上升时间。输出脉冲激光能量达到万焦耳量级，一方面要实现高对比度整形脉冲的全波形实时测量；另一方面，在高功率激光作用下要避免昂贵测量设备的损坏，确保测量设备处于安全运行状态。

目前，高功率激光装置输出高对比度纳秒级脉冲激光波形的测量方法有以下几种，一种方法是采用真空光电管、电脉冲功率分配器和数字示波器，将光电管输出电脉冲等分为两路，利用示波器双通道在不同幅度档位下获取同一个脉冲的完整脉冲波形和底部截止脉冲波形，并进行数据拼接和重构，实现纳秒级脉冲激光波形的测量。由于真空光电管具有很高的线性动态区间，因此这种方法可以获得较大的线性测量范围。但是一方面受限于真空光电管配套使用千伏以上的稳压电源，在高功率激光装置复杂电磁环境下，示波器等贵重测量设备极易受到高压损坏，导致激光装置运行成本高昂；另一方面受限于真空光电管有限的响应带宽，无法实现高功率激光装置输出百皮秒脉冲激光波形的测量。第二种方法是将半导体光电探测器代替第一种方法中的真空光电管并在线性动态区间内工作，通过空间分光为多路，每路光配一个半导体光电探测器输出至示波器，利用示波器多个通道在不同幅度档位下获取同一个脉冲的完整脉冲波形以及不同幅度区间上的截止脉冲波形，并进行数据拼接和重构。由于半导体光电探测器输出幅度具有饱和截止特性，且只需配置极低电压的直流电源，对示波器等贵重测量设备有保护作用，可以大大降低运行成本；另一方面相比真空光电管，半导体光电探测器具有更快的响应，更加适应百皮秒脉冲波形的测量。但是相比真空光电管，半导体光电探测器通常具有较小的线性动态区间，数据拼接后无法获得较大的线性测量范围。因此上述两种纳秒脉冲波形测量方法在面对高功率激光装置输出的高对比度整形脉冲测量时均受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纳秒级脉冲激光波形测量方法。

本发明的纳秒级脉冲激光波形测量方法，其特点是：所述的测量方法采用的测量装置包括沿光路顺序排列会聚透镜、级联分光组件、衰减器组件、能量监测组件和半导体光电探测器组件，半导体光电探测器组件输出的电信号通过电缆传输至示波器后，再经网线传输至计算机；

所述的级联分光组件包括m组分光镜，各组分光镜输出光束间的能量比范围为0.8~1.2；

所述的衰减器组件包括与m组分光镜一一对应的衰减器；

所述的能量监测组件包括与m组衰减器一一对应的m组取样镜，每个取样镜配置有一个测量用能量计；

所述的半导体光电探测器组件包括与m组取样镜一一对应的m组半导体光电探测器；

m为分光路数，m≥3；

所述的m组半导体光电探测器具有相同的线性动态区间、灵敏度和响应带宽；每组半导体光电探测器的饱和截止特性即饱和最大输出幅度值小于示波器的最大输出。

本发明的纳秒级脉冲激光波形测量方法包括以下步骤：

a.测量前，单次脉冲光束通过会聚透镜和级联分光组件的分光镜，获得m组输出光路，调整每组光路的衰减器配置及示波器通道的幅度档位即垂直偏转系数，使得示波器的每组通道均显示完整脉冲波形且对应的半导体光电探测器处于线性动态区间内；能量计显示对应的取样镜的取样光脉冲能量值，计算各组光路对应的示波器通道输出波形幅度值与取样光能量值的比值=/（i=1、2、……m）；

b.测量时，将每组光路的衰减器配置和示波器通道的幅度档位调整至测量状态，测量状态下，按1、2、……m-1组光路顺序，示波器对应的通道幅度档位由低到高排列，其中第一组光路对应的示波器1通道幅度档位为示波器最低档位，1、2、……m-1组光路对应的衰减器配置也由低到高排列；第m组光路的衰减器配置使得对应的半导体光电探测器处于线性动态区间内，并结合第m组光路对应的示波器通道幅度档位的设置，使得第m组光路对应的示波器通道波形为完整脉冲波形，其余各组幅度档位的通道波形为满屏截止波形且对应的半导体光电探测器工作处于饱和区内即非线性动态区间内，每组光路的能量计显示对应光路的能量值（i=1、2、……m）；

测量完毕后，通过计算机将示波器各通道波形归一化，并在一个坐标系内显示；计算相邻两个通道脉冲上升沿半高处所对应的时间轴坐标差为相邻通道间的时间延迟，时间延迟包括、……；

c.选择各通道的数据拼接点，各通道的数据拼接点均处于通道波形的上升沿，若通道对应的半导体光电探测器工作在饱和区内，选择的数据拼接点处于线性动态区间内，并尽可能靠近线性动态区间的最大值；低幅度档位通道波形数据拼接点的幅度值大于相邻高幅度档位通道波形幅度值的10%；数据拼接点在时间轴上的投影为分界点，舍弃大于分界点的波形数据，保留的通道波形为幅度-时间轴上的截断波形，且截断波形处于相对应的半导体光电探测器的线性动态区间内；

d.根据步骤a中的比值，将各通道在步骤b测量状态下实测的能量值转换为对应通道的完整脉冲波形的幅度值，并基于各通道完整脉冲波形的幅度值一致的原则，计算各通道波形放大或缩小的比例系数（i=1、2、……m）；

e.根据步骤d的比例系数，将步骤c中得到的各通道截断波形在幅度上进行放大或缩小；

f.根据步骤b中的两个相邻通道间的时间延迟，将步骤e中得到的低幅度档位通道的截断波形在时间轴上平移，并替换相邻的高幅度档位通道的截断波形中的等值部分；拼接后组成的新波形为新的高幅度档位通道波形，之后再向更高幅度档位通道波形继续拼接，直至全部通道波形拼接完成。

本发明的纳秒级脉冲激光波形测量方法具有高可靠性，基于示波器的多通道复用，并结合半导体光电探测器的饱和区工作、多通道脉冲波形拼接以及饱和截止效应，一方面实现高功率、高对比度纳秒级脉冲激光波形的测量，另一方面可以确保昂贵的测量设备始终处于安全状态下运行，避免损坏，特别适用于高功率激光装置复杂纳秒级脉冲激光波形的精密测量。

附图说明

图1为本发明的纳秒级脉冲激光波形测量方法中的测量装置的结构示意图；

图中，1.会聚透镜 2.级联分光组件 3.衰减器组件 4.能量监测组件 5. 半导体光电探测器组件 6.分光镜 7.衰减器 8.取样镜 9.能量计 10. 半导体光电探测器11.电缆 12.示波器 13.网线 14.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明的纳秒级脉冲激光波形测量方法采用的测量装置包括沿光路顺序排列会聚透镜1、级联分光组件2、衰减器组件3、能量监测组件4和半导体光电探测器组件5，半导体光电探测器组件5输出的电信号通过电缆11传输至示波器12后经网线13传输至计算机14；

所述的级联分光组件2包括m组分光镜6，每组分光镜6能量比范围为0.8~1.2；

所述的衰减器组件3包括与m组分光镜6一一对应的衰减器7；

所述的能量监测组件4包括与m组衰减器7一一对应的m组取样镜8，每个取样镜8配置有一个测量用能量计9；

所述的半导体光电探测器组件5包括与m组取样镜8一一对应的m组半导体光电探测器10；

m为分光路数，m≥3；

所述的m组半导体光电探测器10具有相同的线性动态区间、灵敏度和响应带宽；每组半导体光电探测器10的饱和最大输出幅度值即饱和截止特性小于示波器12的最大输出。

本实施例中，m=4，半导体光电探测器10的型号为：UPD-50-UP，上升沿：<50ps，带宽：>7Ghz，响应频谱范围：170-1100nm，响应灵敏度/351nm：0.15A/W，输出阻抗：，线性动态区间：0-1.0V，饱和截止电压：6.4V；电缆11带宽的参数为：18G，阻抗：；示波器12的参数为：带宽8G，输入阻抗：，满屏幅度显示为10格；能量计型号为：PD10-C。

会聚透镜1焦距为＝1200mm，口径φ=100mm；级联分光组件2包括4组分光镜6：口径φ=50mm，其中分光镜6反射比依次为4通道光路25%、3通道光路33%、2通道光路50%、1通道光路100%；衰减器组件3包括4组衰减器7：口径φ=50mm；能量监测组件4包括4个取样镜8：口径φ=50mm，反射率R=10%；半导体光电探测器组件5包括4个半导体光电探测器10。

本实施例中，被测脉冲平行激光束口径为D=50mm，1Hz/单次，351nm，10ns台阶脉冲；经会聚透镜1进入分光镜组2，分成四束光，分别进入1-4通道光路。每个通道光路依次通过衰减器7、取样镜8和能量计9以及半导体光电探测器10。

本实施例中，半导体光电探测器10输出阻抗、电缆11以及示波器12的通道输入阻抗均为，满足阻抗匹配原则。每个通道光路中的半导体光电探测器10输出电信号通过电缆11进入示波器12相对应通道，示波器12测试数据通过网线13送入计算机14被数据处理。

本实施例的测量过程如下：

a.测量前，单次脉冲光束通过会聚透镜1和级联分光组件2的分光镜6，获得4组输出光路；将1-4通道光路中的衰减器7透过率均设置为10%，将示波器12的4个通道幅度档位均设置为100mV/div，使得示波器12的每组通道均显示完整脉冲波形且对应的半导体光电探测器10处于线性动态区间内；能量计9显示对应的取样镜8的取样光脉冲能量值，计算各组光路对应的示波器12通道输出波形幅度值与取样光能量值的比值为：1通道、2通道、3通道、4通道；

b.测量时，将每组光路的衰减器7配置和示波器12通道的幅度档位调整至测量状态，测量状态下，按1、2、3组光路顺序，示波器12对应的通道幅度档位为：1通道10mV/div、2通道50mV/div、3通道200mV/div，1、2、3组光路对应的衰减器7配置为：1通道光路100%、2通道光路100%、3通道光路50%；第4组光路的衰减器7配置为：4通道光路10%，第4组光路对应的示波器12通道幅度档位的设置为：4通道100mV/div，且对应的示波器12的4通道波形为完整脉冲波形，幅度为：～830mv，半导体光电探测器10工作于线性动态区间内，其余3组幅度档位的通道波形为满屏截止波形且对应的半导体光电探测器10工作处于饱和区内；4组光路的能量计9显示对应光路的能量值为：1通道光路、2通道光路、3通道光路、4通道光路；

测量完毕后，通过计算机14将示波器12各通道波形归一化，并在一个坐标系内显示；计算相邻两个通道脉冲上升沿半高处所对应的时间轴坐标差为相邻通道间的时间延迟，时间延迟包括、、；

c.选择各通道的数据拼接点，各通道的数据拼接点均处于通道波形的上升沿，1-3通道对应的半导体光电探测器10工作在饱和区内，选择的数据拼接点处于线性动态区间内，并尽可能靠近线性动态区间的最大值；低幅度档位通道波形数据拼接点的幅度值大于相邻高幅度档位通道波形幅度值的10%；本实施例中，各通道波形数据拼接点坐标分别为：1通道(90mV，2.4ns)、2通道(450mV，10.3ns)、3通道(1V，11.3)，4通道为完整脉冲波形，则1-3通道保留下的截断波形时间轴区间为[0,2.4ns]、[0,9.45ns]、[0,10.6ns]；

d.根据步骤a中的比值、、、，将4个通道在步骤b测量状态下实测的能量值转换为对应通道的完整脉冲波形的幅度值，本实施例中，4个通道应达到的完整脉冲波形的幅度值为：1通道、2通道、3通道、4通道，其中1通道应达到的完整脉冲波形幅度值为最大值；各通道波形放大比例系数为：1通道、2通道、3通道、4通道；

e.根据步骤d的比例系数、、、，将步骤c中得到的1-4通道截断波形在幅度上进行放大，本实施例中，放大后4个通道的波形幅度值为：1通道(90mV，2.4ns)、2通道(639mV，10.3ns)、3通道(2.25V，11.3)，4通道为完整脉冲波形8599mV；

f.根据步骤b中的两个相邻通道间的时间延迟、、，将步骤e中得到的1通道放大后的截断波形在时间轴上平移，并替换2通道的截断波形中的等值部分；拼接后组成的新波形在时间轴上平移并替换3通道的截断波形中的等值部分；拼接后组成的新波形在时间轴上再次平移并替换4通道的完整脉冲波形中的等值部分；自此完成4个通道波形的替换与拼接，获得一个完整的具有高对比度的台阶脉冲波形。

本实施例中， 1通道应达到的完整脉冲波形幅值在8V以上，但是受限于半导体光电探测器10的饱和截止效应，波形后沿展宽畸变，1通道波形幅值止于6.4V，因此避免示波器12受到损坏。由于1通道在10mV/div档位下的波形本底噪音PV值为3mV，而示波器12的4通道的完整脉冲波形按比例放大后，幅值大于8V，因此线性测量区间≥2000:1，当提高入射脉冲能量，可进一步提高线性测量范围。

Claims (1)

1.一种纳秒级脉冲激光波形测量方法，其特征在于：所述的测量方法采用的测量装置包括沿光路顺序排列会聚透镜（1）、级联分光组件（2）、衰减器组件（3）、能量监测组件（4）和半导体光电探测器组件（5），半导体光电探测器组件（5）输出的电信号通过电缆（11）传输至示波器（12）后，经网线（13）传输至计算机（14）；

所述的级联分光组件（2）包括m组分光镜（6），各组分光镜（6）输出光束间的能量比范围为0.8~1.2；

所述的衰减器组件（3）包括与m组分光镜（6）一一对应的衰减器（7）；

所述的能量监测组件（4）包括与m组衰减器（7）一一对应的m组取样镜（8），每个取样镜（8）配置有一个测量用能量计（9）；

所述的半导体光电探测器组件（5）包括与m组取样镜（8）一一对应的m组半导体光电探测器（10）；

m为分光路数，m≥3；

所述的m组半导体光电探测器（10）具有相同的线性动态区间、灵敏度和响应带宽；每组半导体光电探测器（10）的饱和截止特性即饱和最大输出幅度值小于示波器（12）的最大输出；

所述的测量方法包括以下步骤：

a.测量前，单次脉冲光束通过会聚透镜（1）和级联分光组件（2）的分光镜（6），获得m组输出光路，调整每组光路的衰减器（7）配置及示波器（12）通道的幅度档位即垂直偏转系数，使得示波器（12）的每组通道均显示完整脉冲波形且对应的半导体光电探测器（10）处于线性动态区间内；能量计（9）显示对应的取样镜（8）的取样光脉冲能量值，计算各组光路对应的示波器（12）通道输出波形幅度值与取样光能量值的比值=/（i=1、2、……m）；

b.测量时，将每组光路的衰减器（7）配置和示波器（12）通道的幅度档位调整至测量状态，测量状态下，按1、2、……m-1组光路顺序，示波器（12）对应的通道幅度档位由低到高排列，其中第一组光路对应的示波器（12）的1通道幅度档位为示波器最低档位，1、2、……m-1组光路对应的衰减器（7）配置也由低到高排列；第m组光路的衰减器（7）配置使得对应的半导体光电探测器（10）处于线性动态区间内，并结合第m组光路对应的示波器（12）通道幅度档位的设置，使得第m组光路对应的示波器（12）通道波形为完整脉冲波形，其余各组幅度档位的通道波形为满屏截止波形且对应的半导体光电探测器（10）工作处于饱和区内即非线性动态区间内，每组光路的能量计（9）显示对应光路的能量值（i=1、2、……m）；

测量完毕后，通过计算机（14）将示波器（12）各通道波形归一化，并在一个坐标系内显示；计算相邻两个通道脉冲上升沿半高处所对应的时间轴坐标差为相邻通道间的时间延迟，时间延迟包括、、……；

c.选择各通道的数据拼接点，各通道的数据拼接点均处于通道波形的上升沿，若通道对应的半导体光电探测器（10）工作在饱和区内，选择的数据拼接点处于线性动态区间内，并尽可能靠近线性动态区间的最大值；低幅度档位通道波形数据拼接点的幅度值大于相邻高幅度档位通道波形幅度值的10%；数据拼接点在时间轴上的投影为分界点，舍弃大于分界点的波形数据，保留的通道波形为幅度-时间轴上的截断波形，且截断波形处于相对应的半导体光电探测器（10）的线性区内；

d.根据步骤a中的比值，将各通道在步骤b测量状态下实测的能量值转换为对应通道的完整脉冲波形的幅度值，并基于各通道完整脉冲波形的幅度值一致的原则，计算各通道波形放大或缩小的比例系数（i=1、2、……m）；

e.根据步骤d的比例系数，将步骤c中得到的各通道截断波形在幅度上进行放大或缩小；

f.根据步骤b中的两个相邻通道间的时间延迟，将步骤e中得到的低幅度档位通道的截断波形在时间轴上平移，并替换相邻的高幅度档位通道的截断波形中的等值部分；拼接后组成的新波形为新的高幅度档位通道波形，之后再向更高幅度档位通道波形继续拼接，直至全部通道波形拼接完成。