CN109900359A - 一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置，其构成包括分光光阑、分光镜、第一反射镜、第一非线性晶体、第一台阶反射镜、第二台阶反射镜、第二反射镜、第二非线性晶体、衰减累积单元、第三反射镜、成像透镜、第四反射镜、二维光电探测器、图像处理单元。本发明实现高动态范围信号的大幅度衰减和阵列编组，将高动态的一维互相关信号变换为低动态范围的二维互相关信号，能够提供时间窗口200ps、动态范围＞10⁹的信噪比单次测量功能。

Description

一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置

技术领域

本发明专利涉及超短激光脉冲的参数诊断，是一种用于超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置。一方面，它基于台阶结构的反射镜，产生时间延迟量100ps的两个子光束；另一方面，它基于衰减累积单元和反射镜的组合式结构进行强度-空间变换，同时实现高动态范围的大倍率衰减和阵列编组，然后在二维空间分布上进行大范围时间窗口的信号采集和处理。

背景技术

超短脉冲的信噪比是超短超强激光装置中的一项重要参数。随着激光技术的发展，激光焦斑的可聚焦功率密度能够达到10²⁰W/cm²或者更高，其噪声也随之升高。当该聚焦光斑用于等离子体物理、激光与物质相互作用等相关物理实验时，希望前沿噪声的聚焦功率密度小于10¹²W/cm²，以避免前沿噪声与物质产生预等离子体，影响后续激光主脉冲与物质的相互作用。采用信噪比来评估该项技术指标时，定义为主脉冲的强度与前沿噪声的强度的比值。即要求超短脉冲的信噪比＞10⁸。

美国罗切斯特大学的Christohpe Dorrer在2008年基于单次互相关原理和法布里-帕罗腔内多次反射原理，提出了脉冲复制的单次信噪比测量方法，时间窗口达到200ps，时间分辨率为6ps，动态范围为10⁶(参见Optics Express，Vol.16，No.18，pp:13534)。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的R.C.Shah在2009年基于啁啾脉冲的光谱色散效应，提出了光栅波前倾斜的单次信噪比测量方法，时间窗口达到30ps，时间分辨率为4ps，动态范围为10⁶(参见Eur.Phys.J.D.Vol.55，pp:305)。

上海交通大学的Yongzhi Wang在2014年基于光纤阵列和光电倍增管组合的空间-时间变换原理，提出了光纤阵列信噪比测量方法，时间窗口为50-100ps，时间分辨率我0.5-1ps，动态范围为10¹⁰(参见Scientific Reports，Vol.4，pp:3818)

法国Fastlite公司的Thomas Oksenhendler在2017年基于自参考光谱干涉(SelfReferenced Spectral Interferometer)原理，提出了光谱相干的单次信噪比测量方法，时间窗口达到18ps，时间分辨率为18fs，动态范围为10⁸(参见Optics Express，Vol.25，No.11，pp:12588)。

在自相关仪的相关专利技术方面，西安光机所的王向林在2012年基于光克尔透镜效应和啁啾脉冲特性，申请了光栅波前倾斜的单次信噪比测量方法的专利(CN103063315A)。西安光机所的刘红军在2014年基于法布里-帕罗腔内多次反射原理，申请了产生脉冲序列的单次信噪比测量方法的专利(CN104075815A)。

上海复旦大学的钱列加在2008年申请了基于光纤阵列的单次信噪比测量方法的专利(CN101750155A)。上海交通大学的钱列加在2011年申请了基于非谐波长波长取样光的单次信噪比测量方法的专利(CN102175334A)，同年还申请了基于准相位匹配的激光脉冲高保真度信噪比单次测量方法的专利(CN102426062A)。钱列加还在2017年申请了时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法的专利(CN104089710A)。

目前工程应用现状是，基于光纤阵列的单次信噪比测量方法由于光纤的可独立衰减能力，以及光电倍增管的极高灵敏度，成功实现了拍瓦级激光的单次信噪比测量。该方法的局限性在于，时间窗口不大于100ps，无法观测主脉冲之前100～200ps时间窗口的信噪比状态。

发明内容

本发明所要解决的问题，是针对现有高动态范围信噪比测量技术方案的不足之处，提供时间窗口不小于200ps的高动态范围信噪比测量功能。

本发明的技术解决方案是：

一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置，其特点在于，包括分光光阑、分光镜、第一反射镜、第一非线性晶体、第一台阶反射镜、第二台阶反射镜、第二反射镜、第二非线性晶体、衰减累积单元、第三反射镜、成像透镜、第四反射镜、二维光电探测器和图像处理单元。

被测脉冲经分光光阑入射到分光镜，经该分光镜分为第一反射光和第一透射光，所述的第一透射光经过第一反射镜后，作为诊断脉冲，入射到第二非线性晶体上；所述的反射光经过第一非线性晶体转换为扫描脉冲，然后依次经过第一台阶反射镜、第二台阶反射镜和第二反射镜后，入射到第二非线性晶体上；

所述的诊断脉冲和扫描脉冲以一定夹角同时入射到第二非线性晶体时，产生互相关信号，该互相关信号入射到衰减累积单元后，透射光直接穿过成像透镜，入射到第四反射镜；反射光经过第三反射镜之后，也穿过成像透镜、并入射到第四反射镜；

经所述的第四反射镜反射后形成互相关信号阵列，进入二维光电探测器，经该二维光电探测器转换为电信号后进入图像处理单元中。

所述的分光镜为反射率R＝50±10％的反射镜或分光棱镜。

所述的反射镜、台阶反射镜为反射率>95％的反射镜。

所述的非线性晶体为BBO、LBO、LNO₃、KDP、DKDP和YCOB等非线性晶体。

所述的二维光电探测器为CCD相机、CMOS相机、ICCD相机、EMCCD相机和光电倍增管(PMT)阵列等二维探测器件。

所述的图像处理单元为计算机、工控机或图形工作站。

本发明的工作步骤为：

1)首先将被测脉冲输入到该诊断仪中，产生高动态范围的互相关信号；

2)调节衰减累积单元和第三反射镜组成的强度-空间变换功能模块，对互相关信号11进行大倍率衰减和阵列编组，得到强度接近的互相关信号阵列。

3)二维光电探测器接收互相关信号阵列,并转换为电信号。

4)图像处理单元接收二维光电探测器输出的电信号，结合空间位置及其对应的衰减倍率进行后处理，换算得到高动态范围的信噪比测量结果。

本发明的技术效果为，

1)通过分光光阑产生两个子光束、并基于第一台阶反射镜和第二台阶反射镜在子光束之间引入100ps的时间延迟量，从而能够将时间窗口增加到200ps，解决时间窗口不足的问题；

2)通过衰减累积单元和第三反射镜组成的强度-空间变换结构，将高动态的一维互相关信号，转换为低动态的二维互相关信号，从而具备高动态范围信噪比测量功能。

3)能够提供时间窗口200ps、动态范围＞10⁹的信噪比单次测量功能。

附图说明

图1是本发明一种高动态范围信噪比测量装置的实施例1的结构简图；

图2是本发明一种高动态范围信噪比测量装置中分光光阑的工作示意图；

图3是本发明一种高动态范围信噪比测量装置中第一台阶反射镜、第二台阶反射镜的工作示意图；

图4是本发明一种高动态范围信噪比测量装置中衰减累积单元和第三反射镜的强度-空间变换结构示意图，将高动态范围的一维互相关信号变换为低动态范围的二维互相关信号；

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是本发明一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置实施例1的结构简图。被测脉冲首先入射到分光光阑，在空间上分割为两个子光束，然后入射到分光镜上。分光镜将所述的被测脉冲分为反射光和透射光。透射光经过第一反射镜之后，作为诊断脉冲，入射到第二非线性晶体上。反射光经过第一非线性晶体之后，转换为扫描脉冲，然后经过第一台阶反射镜、第二台阶反射镜、第二反射镜之后，也入射到第二非线性晶体上。诊断脉冲和扫描脉冲以一定夹角同时入射到第二非线性晶体时，将产生互相关信号。互相关信号入射到衰减累积单元之后，透射光直接穿过成像透镜，入射到第四反射镜；反射光经过第三反射镜之后，也穿过成像透镜、并入射到第四反射镜。第四反射镜之后的互相关信号阵列，进入二维光电探测器，转换为电信号之后进入图像处理单元中。

分光光阑的工作方式请参见附图2。入射光束经过该光阑之后，被一分为二，得到上下分布的两个子光束Group-1和Group-2。

第一台阶反射镜和第二台阶反射镜的工作方式请参见附图3。台阶高度为h(mm)，光速为c(mm/ps)，扫描脉冲的两个子光束Group-1和Group-2，经过这两个台阶反射镜之后，产生的相对时间延迟量为δt＝[2×2×h÷sin(45°)]/c。当h＝5.3mm时，δt＝100ps。对于单个子光束而言，它的时间窗口与非共线夹角、晶体尺寸相关。根据2012年Applied Optics第55卷第18期第3989页的文献，当非共线夹角为2a＝70°，晶体尺寸为d＝32mm时，对应的单个时间窗口为t_W＝2dsin(a)/c＝122ps。当采用感光单元数为1024×1024的二维光电探测器进行采集时，时间分辨率为0.12ps。两个子光束产生的时间窗口之间的时间延迟量为100ps，则拼接之后的总时间窗口为112+100＝212ps＞200ps。时间窗口增加了一倍。

衰减累积单元和第三反射镜组成的强度-空间变换模块的工作方式请参见图4。衰减累积单元内设计有3块工作尺寸不一样的反射式衰减镜A、B、C，衰减镜A和B的反射率＞0.99，透射率为0.001±0.001，即透射时的衰减倍率为10³倍；衰减镜C的反射率为0.5±0.1，透射率也为0.5±0.1。高动态范围的一维互相关信号主峰的强度为S₀，前沿50ps位置的噪声强度为S₅₀。，前沿100ps位置的噪声强度为S₁₀₀。

S₀在衰减累积单元上第一次透射时，得到S_0-1＝S₀÷10³÷10³×0.5＝0.5S₀×10^-6；第一次的反射部分经过第三反射镜之后再入射到衰减累积单元上，得到第二次透射的信号S_0-2＝S₀÷10³×0.5＝0.5S₀×10^-3；第二次的反射部分经过第三反射镜之后再入射到衰减累积单元上，得到第三次透射的信号S_0-3＝0.5S₀。

S₅₀在衰减累积单元上第一次透射时，得到S_50-1＝S₀÷10³×0.5＝0.5S₀×10^-3；第一次的反射部分经过第三反射镜13之后再入射到衰减累积单元上，得到第二次透射的信号S_50-2＝S₀÷10³×0.5＝0.5S₀×10^-3；第二次的反射部分经过第三反射镜13之后再入射到衰减累积单元上12，得到第三次透射的信号S_50-3＝0.5S₀。

S₁₀₀在衰减累积单元12上第一次透射时，得到S_100-1＝S₀×0.5＝0.5S₀；第一次的反射部分经过第三反射镜13之后再入射到衰减累积单元上，得到第二次透射的信号S_100-2＝0.5S₀×0.5＝0.25S₀；第二次的反射部分经过第三反射镜13之后再入射到衰减累积单元上12，得到第三次透射的信号S_100-3＝0.25S₀×0.5＝0.125S₀。

在S1、S2、S3这三个区域内的信号强度列表如下：

表1衰减累积单元12和第三反射镜13的空间-强度变换关系

备注：入射信号的主峰强度假设为单位1。

从上表中可以看到，对于动态范围为10⁹的入射信号，经过空间-强度变换之后，可以在S1区域得到动态范围1000:1的转换信号；对于动态范围为10⁶的入射信号，经过空间-强度变换之后，可以在S2区域得到动态范围10³的转换信号；对于动态范围为10³的入射信号，经过空间-强度变换之后，可以在S3区域得到动态范围10³的转换信号。当选用的科学级相机动态范围大于10000：1时，就能够实现转换信号的准确可靠的采集分析。

如果增加衰减累积单元12的衰减倍率，并且充分利用科学级的相机的动态范围，该测量装置可以提供10¹⁰或者更高的动态范围。而且，该测量装置还具备10⁶、10³等不同动态范围的兼容性测试能力。

Claims (9)

1.一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于，包括分光光阑(1)、分光镜(2)、第一反射镜(3)、第一非线性晶体(5)、第一台阶反射镜(6)(7)、第二台阶反射镜(8)、第二反射镜(9)、第二非线性晶体(10)、衰减累积单元(12)、第三反射镜(13)、成像透镜(14)、第四反射镜(15)、二维光电探测器(17)和图像处理单元(18)；

被测脉冲经分光光阑(1)入射到分光镜(2)，经该分光镜(2)分为第一反射光和第一透射光，所述的第一透射光经过第一反射镜(3)后，作为诊断脉冲(4)，入射到第二非线性晶体(10)上；所述的反射光经过第一非线性晶体(5)转换为扫描脉冲(6)，然后依次经过第一台阶反射镜(7)、第二台阶反射镜(8)和第二反射镜(9)后，入射到第二非线性晶体(10)上；

所述的诊断脉冲(4)和扫描脉冲(6)以一定夹角同时入射到第二非线性晶体(10)时，产生互相关信号(11)，该互相关信号(11)入射到衰减累积单元(12)后，透射光直接穿过成像透镜(14)，入射到第四反射镜(15)；反射光经过第三反射镜(13)之后，也穿过成像透镜(14)、并入射到第四反射镜(15)；

经所述的第四反射镜(15)反射后形成互相关信号阵列(16)，进入二维光电探测器(17)，经该二维光电探测器(17)转换为电信号后进入图像处理单元(18)中。

2.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的分光光阑(1)用于将被测脉冲分为两个平行的子光束。

3.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的第一台阶反射镜(7)和第二台阶反射镜(8)采用了台阶式结构，用于提供两个子光束之间的时间延迟量，从而扩大了测量装置的时间窗口。

4.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的衰减累积单元(12)与第三反射镜(13)组合为一个强度-空间变换模块，实现高动态范围信号的大幅度衰减和阵列编组，将高动态的一维互相关信号变换为低动态范围的二维互相关信号，从而提供准确可靠的信噪比测量结果。

5.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的分光镜为反射率R＝50±10％的反射镜或分光棱镜。

6.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的反射镜、台阶反射镜为反射率>95％的反射镜。

7.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的非线性晶体为BBO、LBO、LNO₃、KDP、DKDP和YCOB等非线性晶体。

8.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，其特征在于所述的二维光电探测器为CCD相机、CMOS相机、ICCD相机、EMCCD相机和光电倍增管(PMT)阵列等二维探测器件。

9.根据权利要求1所述的高动态范围信噪比测量装置，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。