CN111220285A - 时间-光谱编码激光脉冲时域对比度单发测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种时间‑光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，包括分束模块、参考光产生或取样模块、参考光延时模块、待测光光窄带滤波装置、待测光取样模块、和频等非线性作用模块、光谱强度衰减模块和光谱强度探测装置。本发明利用啁啾展宽的激光作为参考光，再和光谱窄带滤波后的超短待测光进行和频等非线性作用，从而把待测脉冲时域的对比度信息编码转移到和频等信号光的频域，实现时间‑光谱的编码，最后通过光谱的测量获得待测光的时域对比度信息，为高能量激光脉冲和物质相互作用的研究与解释提供重要的参数支持。
Description
技术领域
本发明涉及激光脉冲时域对比度测量,特别是一种时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置和方法。
背景技术
随着CPA和OPCPA的发展，拍瓦激光得到迅速发展，目前飞秒激光脉冲的峰值功率已经可以达到10拍瓦，同时各国也都相继提出建设百拍瓦级别激光装置的计划，其聚焦强度可能达到1023-24W/cm2量级，如此的高能量激光装置在激光粒子加速、实验室天体物理以及等离子体物理等重大前沿科学研究领域具有重要的应用。对于这样的高能量激光脉冲，其时域对比度对激光物质相互作用实验有重大影响，因而对于对比度的准确测量是重要的研究内容。
对于激光脉冲对比度的测量，除了要求高的动态范围，宽的测量时间窗口也很重要，比如纳秒时间窗口的对比度信息对于激光粒子加速有重要参考价值，因而对于纳秒时间窗口的对比度测量有着迫切的需求。
对于高重复频率的激光脉冲，扫描式的对比度测量装置通过使用量程较长的延迟线来增加测量的时间窗口，这样存在两个问题，一方面这样测量非常耗费时间，另一方面对于低重频的拍瓦激光脉冲，几分钟甚至几个小时才能打一发脉冲，这样扫描式的对比度测量显然无法使用，必须要使用单发式对比度测量装置。
目前单发对比度测量方法的时间窗口都很窄，通过使用大口径自相关晶体，宽光束口径，脉冲波前倾斜，或者脉冲复制等相关方法，在一定程度可以提高脉冲测量的时间窗口，但是这样提升也只是限制在百皮秒左右，无法测量纳秒时间窗口的对比度信息，怎么使用简单有效的方法和装置获得纳秒时间窗口的对比度信息是对比度测量领域的一个重大难题。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置和方法，利用啁啾展宽的激光作为参考光，再和光谱窄带滤波后的超短待测光进行和频等非线性作用，从而把待测脉冲时域的对比度信息编码转移到和频等信号光的频域，实现时间-光谱的编码，最后通过光谱的测量就可以获得待测光的时域对比度信息。由于参考光脉冲可以啁啾展宽到纳秒量级，因此可以实现纳秒时间窗口的对比度的单发测量，结合光谱强度衰减以及高动态范围的数据采集，可以实现高动态范围测量。
本发明的技术解决方案如下：
一种时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，其特点在于，包括分束模块、参考光产生或取样模块、参考光延时模块、待测光光窄带滤波装置、待测光取样模块、和频等非线性作用模块、光谱强度衰减模块、光谱强度探测装置，所述的分束模块将入射光分为参考光束和待测光束或获得参考光束和待测光束输出，沿参考光束方向依次是参考光产生或取样模块、参考光延时模块、和频等非线性作用模块、光谱强度衰减模块、光谱强度探测装置，沿所述的待测光束依次是待测光取样模块、待测光光窄带滤波装置、和频等非线性作用模块、光谱强度衰减模块和光谱强度探测装置。
所述的参考光产生或取样模块，可以利用光栅脉冲展宽装置给激光脉冲提供二阶色散，使得脉冲的时间宽度得到极大的展宽，脉冲的宽度可以达到纳秒量级；也可以直接取样利用高峰值功率激光装置压缩器之前的纳秒激光脉冲；
所述的参考光延时模块只改变参考光的光程但不改变参考光的传播方向，用于调节所述参考光和所述待测光之间的时间延迟；
所述的待测光取样模块是为了获取脉冲宽度得到压缩的超短激光脉冲，可以为经过高峰值功率激光装置压缩器出射的超短激光脉冲；
所述的待测光的光谱滤波模块为高性能的窄带滤波装置，可以窄带滤波片，或者色散光学元件和狭缝的结合；
所述的和频等非线性作用模块，利用非线性过程来获得和频等信号光，从而实现待测光时域对比度的信息传递到和频等信号光频率成分强度分布；
所述的光谱强度衰减模块利用衰减片对强主脉冲或小脉冲对应的所述和频等信号光的光谱进行选择性衰减，从而进一步提高动态范围；
所述的数据采集与处理装置为光谱强度探测装置，可以为色散元件与强度探测器的组合，及各类光谱仪等。
与现有技术相比，本发明具有如下的显著特点：
1、利用啁啾展宽的激光作为参考光，再和光谱窄带滤波后的超短待测光进行和频等非线性作用，从而把待测脉冲时域的对比度信息一一对应地编码转移到和频等信号光的频域，实现时间-光谱的编码，最后通过简单的光谱测量就可以获得待测光的时域对比度信息；
2、由于参考光脉冲通过啁啾展宽到纳秒量级，可以实现纳秒时间窗口的对比度的单发测量；
3、可以很方便地结合光谱强度衰减以及高动态范围的数据采集，实现高动态范围单发测量。
附图说明
图1是本发明时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置示意图，如图所示，时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，包括分束模块1、参考光产生或取样模块2、参考光延时模块3、待测光取样模块4、待测光的光谱滤波模块5、和频等非线性作用模块6、光谱强度衰减模块7，以及数据采集与处理模块8。
所述的参考光产生或取样模块2，可以利用光栅脉冲展宽装置给激光脉冲提供二阶色散，使得脉冲的时间宽度得到极大的展宽，脉冲的宽度可以达到纳秒量级；也可以直接取样利用高峰值功率激光装置压缩器之前的纳秒激光脉冲；
所述的参考光延时模块3只改变参考光的光程但是不改变参考光的传播方向，用于调节所述参考光和所述待测光之间的时间延迟；
所述的待测光取样模块4，是为了获取脉冲宽度得到压缩的超短激光脉冲，可以为经过高峰值功率激光装置压缩器出射的超短激光脉冲；
所述的待测光的光谱滤波模块5为高性能的窄带滤波装置，可以窄带滤波片，或者色散光学元件和狭缝的结合；
所述的和频等非线性作用模块6，利用非线性过程来获得和频等信号光，从而实现待测光时域对比度的信息传递到和频等信号光频率成分强度分布；
所述的光谱强度衰减模块7利用光谱衰减片选择性的对所述和频等信号光的不同光谱强度进行衰减，从而进一步提高动态范围；
所述的数据采集与处理装置8为光谱强度探测装置，可以为各类光谱仪。
在本实施例中，我们分别对实验室常用钛宝石放大器以及拍瓦激光装置的激光脉冲的纳秒时间窗口对比度进行单发测量。对于钛宝石放大器，对于直接从放大器出射的800nm/8mJ/25fs/kHz激光脉冲，该激光脉冲经过一个反射光透射光强度比率1:3的分束片分为两束，2mJ的反射光经过一套光栅脉冲展宽装置，脉冲宽度被展宽到纳秒级别，作为取样光；然后经过两个互相垂直的镜片构成的延迟线；大约6mJ的透射光经过一个中心波长800nm，带宽只有4nm的窄带滤波片获得窄光谱的800nm的待测光；所获得的取样光和待测光在一枚厚度2mm的BBO晶体中和频，通过和频过程从而把待测光的时域对比度信息转移到和频信号光的光谱分布上，所获得的和频信号光使用多枚陷波滤波片对特定波长成分进行衰减，从而可以提高测量的动态范围，最后和频等信号光被光谱仪采集，通过光谱仪采集的光谱强度分布，我们就可以分析获得待测光的对比度信息，从而实现纳秒时间窗口的对比度单发测量。
而对于拍瓦激光装置出射的超强激光脉冲的纳秒时间窗口对比度的测量，在激光脉冲展宽放大但是未被压缩之前首先被分束模块分为两束，透射光本身就是纳秒激光脉冲，直接入射到由相互垂直的镜片构成的延迟线，作为纳秒的取样光；其中反射光直接经过拍瓦激光装置的压缩器，成为超短待测激光脉冲，之后该超短待测激光脉冲经过窄带滤波片成为带宽只有4nm的激光脉冲，所获得的取样光和待测光同样在一枚厚度2mm的BBO晶体中和频，通过和频过程从而把待测光的时域对比度信息转移到和频信号光的光谱分布上，和频光谱特定光谱成分得到衰减之后，通过光谱仪采集的光谱强度分布，就可以分析获得待测光的对比度信息，并实现纳秒时间窗口的对比度单发测量。
本发明方法利用啁啾展宽的激光作为参考光，再和光谱窄带滤波后的超短待测光进行和频等非线性作用，从而把待测脉冲时域的对比度信息编码转移到和频等信号光的频域，实现时间-光谱的编码，最后通过光谱的测量就可以获得待测光的时域对比度信息。由于参考光脉冲可以啁啾展宽到纳秒量级，因此可以实现纳秒时间窗口的对比度的单发测量，结合光谱强度衰减以及高动态范围的数据采集，可以实现高动态范围测量。
Claims (5)
1.一种时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，其特征在于，该装置包括分束模块(1)，参考光产生或取样模块(2)、参考光延时模块(3)、待测光光窄带滤波装置(5)、和频等非线性作用模块(6)、光谱强度衰减模块(7)、光谱强度探测装置(8)，所述的分束模块(1)将入射光分为参考光束和待测光束或获得参考光束和待测光束输出，沿参考光束方向依次是参考光产生或取样模块(2)、参考光延时模块(3)、待测光取样模块(4)、和频等非线性作用模块(6)、光谱强度衰减模块(7)、光谱强度探测装置(8)，沿所述的待测光束依次是待测光取样模块、待测光光窄带滤波装置、和频等非线性作用模块、光谱强度衰减模块和光谱强度探测装置(8)。
2.根据权利要求1所述的时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，其特征在于，所述的待测光光窄带滤波装置(5)为窄带滤波片、或者色散光学元件和狭缝的结合。
3.根据权利要求1所述的时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，其特征在于，所述的光谱强度衰减模块(7)为衰减片。
4.根据权利要求1所述的时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置，其特征在于，所述的数据采集与处理装置(8)为光谱强度探测装置，为色散元件与强度探测器的组合，及各类光谱仪。
5.利用权利要求1所述的时间-光谱编码的纳秒时间窗口激光脉冲时域对比度单发测量装置对激光脉冲时域对比度进行单发的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)参考光产生或取样模块(2)利用光栅脉冲展宽装置给激光脉冲提供二阶色散，使得脉冲的时间宽度得到极大的展宽，脉冲的宽度达到纳秒量级；或直接取自激光装置压缩器之前的啁啾展宽的纳秒激光脉冲；
2)参考光延时模块(3)用于改变参考光的光程，调整所述的参考光的时间延迟，使所述的参考光和所述的待测光同时进入所述的频等非线性作用模块(6)；
3)待测光取样模块(4)直接取自激光装置压缩器出射的超短激光脉冲，待测光取样模块(4)输出的待测光经所述的待测光的光谱滤波模块(5)的窄带滤波后，获得窄光谱的待测光；
4)窄光谱的待测光和所述的参考光同时输入所述的和频等非线性作用模块(6)，获得和频等信号光，从而实现待测光时域对比度的信息传递到和频等信号光频率成分强度分布；
5)光谱强度衰减模块(7)利用衰减片对强主脉冲或小脉冲对应的所述的和频等信号光的光谱进行选择性的衰减，从而进一步提高动态范围；
6)数据采集与处理装置(8)利用光谱仪采集所述和频等信号光的光谱强度分布，通过分析其频率成分的强度分布，从而间接获得待测光的时域强度分布，即为测量获得时域对比度信息，从而利用频率测量实现对时间的测量。
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