CN110132432A - 用于超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其构成包括校准部分和测量部分，所述校准部分包括第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、校准镜、第二分光镜、第三分光镜、监控透镜和相机；所述的测量部分包括第一测量透镜、测量分光镜、第一光电探测器、第二测量透镜、组合式晶体、第三测量透镜、测量反射镜、第二光电探测器和数据处理单元，所述的数据处理单元的输入端分别与所述的第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出端相连；本发明能够满足高动态范围信噪比测量的校准和检验需求，提高测量结果的可靠性和置信度，实现主脉冲之前大范围(‑80ns，‑100ps)的高动态范围信噪比测量。
Description
技术领域
本发明涉及超短激光脉冲的诊断技术领域，具体是一种用于超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置。
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。
美国罗彻斯特大学激光力能实验室(LLE)的OMEGA EP性能扩展激光装置系统，采用快速InGaAs光电探测器和示波器结合来测量纳秒段脉冲信噪比。光电探测器和示波器通过主脉冲驱动至饱和，并且数据通过针对光电二极管上的低能量测量的校准迹线进行缩放，并且获得有关的触发脉冲持续时间和参考能量。在仅受示波器存储器限制的窗口上，时间分辨率约为230ps，时间范围为1μs。在主脉冲之前的3ns窗口中，对强度为1.5kJ，脉宽为10ps的脉冲光进行三次测量，测得信噪比结果可达到108(参见CLEO JThE117)。
英国最新建造的Orion拍瓦激光装置在2013年4月正式投入运行。Orion将压缩后的一个短脉冲光束线(SP1)的输出功率加倍，转换效率和饱和转换方式中的强度发生线性变化，在低转换效率方案中以二次方式变换。基座转换效率远低于主脉冲，信噪比就会急剧增加。以及KDP晶体切割产生二次谐波。光束经过一系列透镜后，在转换室外生成一次谐波。采用两个光电管技术，测量Orion中短脉冲光束线经过倍频后提供100J，527nm的脉冲光，一次谐波处信噪比为1010，二次谐波处的信噪比为1014(参见Journal of Physics:Conference Series 688(2016)012030)。
美国国家点火设施(NIF)的先进射线照相能力(ARC)激光装置系统，采用扫描式重频信噪比测量仪，同时设计了使用光电二极管以及基于硅双极单片微波集成电路(MMIC)的放大器电路，结合Fermionics FD80L InGaAs光电二极管和6GHz示波器，可以实现预放位置实现1010的纳秒段信噪比测量结果(参见SPIE，Vol.10084，pp:1008406)。
西安光机所贺俊芳在2012年申请单次激光信噪比探测装置的专利(CN103048053B)，其在快门光的光路中设置了缩束器，并去掉了信号光光路上的单脉冲延迟器，使得快门光对信号光进行空间上的扫描取样，时间上是连续的。由光克尔响应和弛豫时间短的面阵探测器对光脉冲进行探测。
上海光机所范薇在2017年申请脉冲激光信噪比检测装置的专利(CN107830938A)，利用信号光自身的光信号进行转换、整形和放大作为双极电光调制器的调制信号，具有一定的宽度，并且可以消除第二复制脉冲信号的主峰，实现基底噪声检测。对第一复制脉冲经过可调谐衰减器和延迟光纤，使得主峰信号与基底噪声分离，并且低于探测器的饱和度，实现对主峰信号的探测。
上海光机所颉秋寒在2017年申请纳秒脉冲光信噪比测量装置专利(CN108007583A)，其在检测前沿噪声的光电探测器前焦平面处添加可移动的光学损伤防护板，用来保护高灵敏度的光电管不被后续的主脉冲损伤，提升装置使用寿命。
上述方案中均存在，缺少动态范围校准方法，置信度不高；用于探测前沿噪声的光电探测器承受了极高功率密度的主脉冲轰击，非常容易损伤的缺点。
目前工程应用现状是，采用高速示波器和光电探测器组合直接测量信噪比的方法，光电探测器的极高灵敏度，成功实现了超短脉冲的单次信噪比测量。该方法的局限性在于，用于测量前沿噪声的光电探测器承受了极高功率密度的主脉冲的轰击，非常容易损坏，也不利于测量更高功率密度的激光脉冲，并且测量的高动态范围信噪比缺少校准方法，置信度较低。
发明内容
本发明所要解决的问题克服上述现有基于光电探测器结构的信噪比测量技术方案的不足之处，提出一种用于超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置，能够提供主脉冲之前大范围(-80ns，-100ps)的高动态范围信噪比测量及校准。
本发明的技术解决方案如下
一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其构成包括校准部分和测量部分，所述校准部分包括第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、校准镜、第二分光镜、第三分光镜、监控透镜和相机；所述的测量部分包括第一测量透镜、测量分光镜、第一光电探测器、第二测量透镜、组合式晶体、第三测量透镜、测量反射镜、第二光电探测器和数据处理单元，所述的数据处理单元的输入端分别与所述的第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出端相连；
被测脉冲入射到所述的第一分光镜，经该第一分光镜分为第一反射光和第二透射光，所述的第一反射光依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜反射后，入射到第二分光镜，经该第二分光镜反射形成第二反射光；所述的第一透射光经过校准镜之后，入射到第二分光镜，经该第二分光镜透射，形成第二透射光；所述的第二反射光和第二透射光合束后，入射到第三分光镜，经该第三分光镜分为第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光依次进入监控透镜和相机，实现光束指向性监测功能；所述的第三透射光经过第一测量透镜透射后，入射到测量分光镜，经该测量分光镜分为第四反射光和第四透射光，所述的第四透射光入射到第一光电探测器，所述的第四反射光依次经第二测量透镜、组合式晶体、第三测量透镜和测量反射镜，入射到第二光电探测器，经该第二光电探测器转换为电信号进入数据处理单元。
另一方面，本发明还提供一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其构成包括校准部分和测量部分，所述校准部分包括第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、校准镜、第二分光镜、第三分光镜、监控透镜和相机；所述的测量部分包括第一测量透镜、测量分光镜、第一光电探测器、第二测量透镜、组合式晶体、第三测量透镜、测量反射镜、第二光电探测器、数据处理单元和第三测量透镜，所述的数据处理单元的输入端分别与所述的第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出端相连；
被测脉冲入射到所述的第一分光镜，经该第一分光镜分为第一反射光和第二透射光，所述的第一反射光依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜反射后，入射到第二分光镜，经该第二分光镜反射形成第二反射光；所述的第一透射光经过校准镜之后，入射到第二分光镜，经该第二分光镜透射，形成第二透射光；所述的第二反射光和第二透射光合束后，入射到第三分光镜，经该第三分光镜分为第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光依次进入监控透镜和相机，实现光束指向性监测功能；所述的第三透射光依次经第一测量透镜和第二测量透镜透射后，入射到测量分光镜，经该测量分光镜分为第四反射光和第四透射光，所述的第四透射光经第三测量透镜透射后入射到第一光电探测器，所述的第四反射光依次经组合式晶体、测量反射镜和第三测量透镜后入射到第二光电探测器，经该第二光电探测器转换为电信号进入数据处理单元。
所述的组合式晶体由若干片非线性晶体和若干片色分离滤光片组成，每片非线性晶体和色分离滤光片依次间隔放置。
所述的第二反射镜和第三反射镜用于调节时间延迟。
所述的校准镜为一个可变倍率的衰减片，用于调节前置小脉冲的强度大小。
所述的第一分光镜、第二分光镜为反射率R≥90％的反射镜或分光棱镜。
所述的第三分光镜为反射率R≤10％的反射镜或分光棱镜。
所述的测量分光镜为反射率R≥90％的反射镜或分光棱镜。
所述的反射镜为反射率>95％的反射镜。
所述的非线性晶体为BBO、LBO、LNO3、KDP、DKDP、KTP和YCOB等非线性晶体。
所述的光电探测器为快响应光电管、二极管等基于光电效应的探测器件。
所述的数据处理单元为数据采集卡、数字示波器、计算机、工控机或图形工作站等单个或组合式部件。
本发明的工作步骤为：
1)首先将被测脉冲输入到该测量及校准装置，在校准镜8的位置放置衰减倍率等于设计值的衰减片，以得到预设强度的前置脉冲；
2)调节第二反射镜和第三反射镜组成的光程延迟单元，以得到预设时间延迟的前置脉冲；
3)调节第四反射镜，同时观察相机上反射光和透射光之间的光束指向性偏差，使两者重合，消除偏差；
4)读取第一光电探测器的原始电压V10，与测量分光镜的透射率的倒数相乘，得到主脉冲的待测电压值V1；
5)读取第二光电探测器的前置脉冲的电压V20，以及主脉冲之前(-80ns，-100ps)任意位置的电压V21；
6)校准脉冲的动态范围为V1/V20，某一位置的信噪比测量结果为V1/V21，主脉冲之前(-80ns，-100ps)位置的数据点组合，构成了信噪比测量结果及其曲线。
本发明的技术效果如下：
一方面，校准单元能够在主脉冲之前产生一个强度大小可调节、时间延迟可调节的人造脉冲，能够满足高动态范围信噪比测量的校准和检验需求，提高测量结果的可靠性和置信度；另一方面，组合式晶体由晶体和色分离滤光片依次间隔放置，晶体能够将高功率的主脉冲转换为二次谐波，色分离滤光片能够隔离二次谐波，从而保护第二光电探测器免于被测脉冲的主脉冲损伤，实现主脉冲之前大范围(-80ns，-100ps)的高动态范围信噪比测量。
附图说明
图1是本发明一种大时间范围和高动态范围的信噪比测量及校准装置的实施例1的结构简图；
图2是本发明一种大时间范围和高动态范围的信噪比测量及校准装置的实施例2的结构简图；
图3是常见小型超短脉冲激光的时间窗口百皮秒量级的信噪比测量结果
图4是常见大型拍瓦激光的时间窗口百皮秒量级的信噪比测量结果
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第一分光镜，反射光依次入射到第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜，然后在第二分光镜上反射。透射光经过校准镜之后，在第二分光镜上透射。反射光和透射光在第二分光镜之后共同传输。它们入射到第三分光镜，反射部分进入监控透镜和相机，实现光束指向性监测功能。它们在第三分光镜上的透射部分，经过第一测量透镜之后，入射到测量分光镜。测量分光镜的透射部分，入射到第一光电探测器。测量分光镜的反射部分，经过第二测量透镜、组合式晶体、第三测量透镜、测量反射镜，入射到第二光电探测器，转换为电信号进入数据处理单元，从而得到最终的纳秒级信噪比测量结果。
在校准单元的光路设计中，假设入射脉冲的光强为单位1，并且第一分光镜、第二分光镜、测量分光镜的反射率为99％。第一反射光经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第二分光镜之后，光强为0.98。第一透射光经过第一分光镜、第二分光镜之后，光强为1×10-4。校准镜的衰减倍率分别设计为1、102、104、106，则前置脉冲与主脉冲的强度比值分别为1：104、1：106、1：108：1：1010。这些前置脉冲即可用于校准信噪比测量结果，提高置信度。
该组合式晶体中主脉冲在BBO晶体上的转换效率介于50％～70％之间。由于色分离滤光片的隔离效应，不考虑非线性转换后的二次谐波。在光路设计中，能量10mJ、脉宽1ps的超短脉冲，入射到第一块晶体上的能量为10mJ，转换效率设计为60％；入射到第二块晶体上的能量为4mJ，转换效率约为55％；入射到第三块晶体上的能量为1.8mJ，转换效率约为50％；从第三块晶体出射的能量为0.9mJ。此时，激光主脉冲经过组合式晶体17的衰减倍率为11倍，处于损耗传输状态。使用更多的晶体时，可以得到更大的衰减倍率。
对于信噪比分别为104：1、106：1、108：1、1010：1的前沿噪声，其能量分别为10mJ×10-4＝10-6J＝1uJ、10mJ×10-6＝10-8J＝10nJ、10mJ×10-8＝10-10J＝100pJ、10mJ×10-10＝10-12J＝1pJ。在此类条件下激光在非线性晶体上的作用过程小信号转换，符合如下公式：
公式中，l为晶体长度、deff为非线性系数，n1为入射脉冲的折射率，n2为二次谐波的折射率，c为光速，ε为介电常数，P1为入射脉冲的功率，ω10为入射脉冲的束腰半径，Δk为相位匹配条件。
在光路设计中，前沿噪声的转换效率均＜1％。此时，激光前沿噪声经过组合式晶体17的的衰减倍率为1倍，处于保真传输状态。
参考图3、图4中常见的超短脉冲的信噪比测量结果，可以发现超短脉冲激光的前沿噪声在-10ps位置附近就下降到10-4以下。因此，组合式晶体17能够在隔离极高功率密度的主脉冲，保护光电探测器方面，具有响应速度快(＜10ps)、保真度高的技术优势。
Claims (5)
1.一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其特征在于，包括校准部分和测量部分，所述校准部分包括第一分光镜(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第四反射镜(7)、校准镜(8)、第二分光镜(9)、第三分光镜(10)、监控透镜(11)和相机(12)；所述的测量部分包括第一测量透镜(13)、测量分光镜(14)、第一光电探测器(15)、第二测量透镜(16)、组合式晶体(17)、第三测量透镜(18)、测量反射镜(19)、第二光电探测器(20)和数据处理单元(21)，所述的数据处理单元(21)的输入端分别与所述的第一光电探测器(15)的输出端和第二光电探测器(20)的输出端相连；
被测脉冲入射到所述的第一分光镜(1)，经该第一分光镜(1)分为第一反射光(2)和第二透射光(3)，所述的第一反射光(2)依次经第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)和第四反射镜(7)反射后，入射到第二分光镜(9)，经该第二分光镜(9)反射形成第二反射光；所述的第一透射光(3)经过校准镜(8)之后，入射到第二分光镜(9)，经该第二分光镜(9)透射，形成第二透射光；所述的第二反射光和第二透射光合束后，入射到第三分光镜(10)，经该第三分光镜(10)分为第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光依次进入监控透镜(11)和相机(12)，实现光束指向性监测功能；所述的第三透射光经过第一测量透镜(13)透射后，入射到测量分光镜(14)，经该测量分光镜(14)分为第四反射光和第四透射光，所述的第四透射光入射到第一光电探测器(15)，所述的第四反射光依次经第二测量透镜(16)、组合式晶体(17)、第三测量透镜(18)和测量反射镜(19)，入射到第二光电探测器(20)，经该第二光电探测器(20)转换为电信号进入数据处理单元(21)。
2.一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其特征在于，包括校准部分和测量部分，所述校准部分包括第一分光镜(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第四反射镜(7)、校准镜(8)、第二分光镜(9)、第三分光镜(10)、监控透镜(11)和相机(12)；所述的测量部分包括第一测量透镜(13)、测量分光镜(14)、第一光电探测器(15)、第二测量透镜(16-2)、组合式晶体(17)、第三测量透镜(18-2)、测量反射镜(19)、第二光电探测器(20)、数据处理单元(21)和第三测量透镜(22)，所述的数据处理单元(21)的输入端分别与所述的第一光电探测器(15)的输出端和第二光电探测器(20)的输出端相连；
被测脉冲入射到所述的第一分光镜(1)，经该第一分光镜(1)分为第一反射光(2)和第二透射光(3)，所述的第一反射光(2)依次经第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)和第四反射镜(7)反射后，入射到第二分光镜(9)，经该第二分光镜(9)反射形成第二反射光；所述的第一透射光(3)经过校准镜(8)之后，入射到第二分光镜(9)，经该第二分光镜(9)透射，形成第二透射光；所述的第二反射光和第二透射光合束后，入射到第三分光镜(10)，经该第三分光镜(10)分为第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光依次进入监控透镜(11)和相机(12)，实现光束指向性监测功能；所述的第三透射光依次经第一测量透镜(13)和第二测量透镜(16-2)透射后，入射到测量分光镜(14)，经该测量分光镜(14)分为第四反射光和第四透射光，所述的第四透射光经第三测量透镜(22)透射后入射到第一光电探测器(15)，所述的第四反射光依次经组合式晶体(17)、测量反射镜(19)和第三测量透镜(18-2)后入射到第二光电探测器(20)，经该第二光电探测器(20)转换为电信号进入数据处理单元(21)。
3.根据权利要求1或2所述的超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其特征在于所述的组合式晶体(17)由若干片非线性晶体和若干片色分离滤光片组成，每片非线性晶体和色分离滤光片依次间隔放置。
4.根据权利要求3所述的超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其特征在于所述的第二反射镜(5)和第三反射镜(6)用于调节时间延迟。
5.根据权利要求3所述的超短脉冲的高动态范围信噪比测量及校准装置，其特征在于校准镜(8)为一个可变倍率的衰减片，用于调节前置小脉冲的强度大小。
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