CN112880825B - 单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器 - Google Patents

Abstract

一种单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器，该互相关器包括，分束单元A，该分束单元A将入射的激光脉冲分束为待测光a和待测光b；脉冲净化单元，所述待测光b经过该脉冲净化单元后生成取样光；分束单元B，将所述待测光a分束为待测光1和待测光2；分束单元C，将所述取样光分束为取样光1和取样光2；互相关通道1，接受所述待测光1和所述取样光1的入射；互相关通道2，接受所述待测光2和所述取样光2的入射；并行探测单元1，将所述互相关通道1的出射光转换为电信号1；并行探测单元2，将所述互相关通道2的出射光转换为电信号2；以及信号实时分析处理单元，接收电信号1和电信号2后计算得到所述激光脉冲的信噪比。

Description

单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种对超短超强激光脉冲信噪比进行单次测量的双通道互相关器。

背景技术

超短超强激光被界定为脉冲宽度进入飞秒时域、峰值功率超过百太瓦规模的一种强激光，可创造类似恒星、黑洞边缘那样的高温、高压和高密度的极端状态，是支撑激光聚变、激光驱动的粒子加速等高能量密度物理前沿研究的核心装备。激光等离子体相互作用对脉冲信噪比(主峰强度与前沿噪声幅度的比值)提出了明确的要求。脉冲信噪比代表着强激光脉冲的干净程度，它相当于强激光脉冲的时域质量。如果信噪比不达标，即前沿噪声幅度超过了等离子体产生的阈值，将会破坏靶材或形成预等离子体，从而“干扰”和影响主脉冲与等离子体相互作用的效果。当前，如何提升脉冲信噪比是超短超强激光领域的一个核心科学问题，脉冲信噪比的测量是解决该问题的前提条件。由于强激光系统重复发射脉冲的间歇时间长达数分钟至数小时，这意味着必须对信噪比进行单发次测量。

信噪比测量在本质上是对脉冲噪声的度量，对强场物理实验过程产生干扰作用的是位于主峰脉冲时间前沿的噪声，而后沿噪声则对实验结果没有影响，所以信噪比测量最关心主峰脉冲前沿的噪声分布与大小。时域噪声的特征比较复杂，有些噪声的时域宽度往往与纳秒泵浦脉宽相当，而有些噪声则可能显示100fs-1ps时间尺度的尖峰结构，为了能对时域噪声进行全面表征，需要同时具备较大的单次测量时间窗口和较高的时间分辨率。一方面，得益于当前光电子技术的最新发展，超高速光电二极管结合宽带示波器现在可以直接测量主峰脉冲前沿百皮秒范围以外的噪声，但是对于50ps范围以内的噪声很难准确测量。另一方面，绝大多数的时域尖峰噪声和强的荧光背景噪声主要集中在主峰脉冲前后沿百皮秒以内，所以对信噪比单次测量时间窗口的要求是主脉冲前沿50-100ps。除了大的时间窗口，高的时间分辨率也是一个很重要的指标要求。然而，同时要求大时间窗口和高时间分辨率是一对本质矛盾。之前的信噪比单次测量为了实现大窗口，牺牲了分辨率，使得分辨率仅为皮秒量级，难以表征时域尖峰噪声。

由于强激光脉冲放大过程中特殊的啁啾环境，强激光系统的噪声在很大程度上不同于传统的激光噪声，其来源和特征更加复杂，可划分为两大类：非相干噪声和相干噪声。非相干噪声指的是即使没有信号光(仅有泵浦光)也会存在的荧光噪声，比如激光能级型放大器中的自发辐射放大噪声以及光参量放大器中的参量荧光噪声等。这类荧光背景噪声不显示时间上的尖峰强结构，覆盖的时间范围较大(约为泵浦光的时间宽度或上能级寿命)。对这类非相干噪声的单次测量需要大的时间窗口(50-100ps)，而对测量分辨率的要求不高(ps量级分辨率即可)。之前的信噪比单次测量仪主要针对这类非相干噪声。而相干噪声指的是与信号脉冲伴生的光噪声，包括压缩过程中的残余高阶色散产生的噪声、光栅等元件表面散射产生的噪声等。这类相干噪声呈现密集时间尖峰特征，通常只分布在主峰前后10ps范围以内，外观上相当于在主峰脉冲上叠加一个三角形底座。对这类相干噪声进行单次测量，要求分辨率达到约100fs，这超出了现有信噪比单次测量技术的能力。综上所述，为了便于探索新的噪声机理、帮助提升脉冲信噪比，要求信噪比单次测量仪能够同时实现大时间窗口(50-100ps)和高时间分辨率(100fs)。这种性能是以往的信噪比单次测量仪所不具备的。

发明内容

本发明实施例之一，一种单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器，所述测量装置包括，分束单元A、脉冲净化单元、分束单元B、分束单元C、平移台1、平移台2、互相关通道1、互相关通道2、并行探测单元1、并行探测单元2和信号实时分析处理单元。

分束单元A将入射的超短激光脉冲分束为待测光a和待测光b；所述待测光b经过脉冲净化单元后生成取样光。分束单元B，将所述待测光a分束为待测光1和待测光2；分束单元C，将所述取样光分束为取样光1和取样光2。所述待测光1经过组成平移台1的反射镜组反射后入射互相关通道1，所述待测光2经过组成平移台2的反射镜组反射后入射互相关通道2。并行探测单元1将所述互相关通道1的出射光转换为电信号1，并行探测单元2将所述互相关通道2的出射光转换为电信号2。信号实时分析处理单元接收电信号1和电信号2后计算得到所述激光脉冲信噪比。互相关通道1采用大非共线角和厚晶体，互相关通道2采用小非共线角和薄晶体，反之亦可。

本发明针对以往信噪比单次测量无法同时实现大时间窗口和高时间分辨率的难题，提供一种双通道互相关测量的解决方案，兼具大时间窗口和高时间分辨率的特点，将大时间窗口和高时间分辨率分别在两个互相关通道实现。大窗口、低分辨率通道用于测量大时间范围的非相干噪声，小窗口、高分辨率通道用于测量主峰及附近的相干噪声。

与现有技术相比，本发明采用双通道互相关构型，破解了信噪比单次测量面临的大时间窗口与高时间分辨率之间的本质性矛盾。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1为根据本发明实施例之一的单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器的结构以及光路示意图。

图2为根据本发明实施例之一的单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器的组成原理示意图。

图3为本发明实施例之一的双通道单次互相关器对钛宝石再生放大器输出脉冲的信噪比单次测量结果示例图。

图4为本发明实施例之一的单次互相关器的两个通道对飞秒脉冲的单次测量结果以及与扫描测量的对比示例图。

图5为本发明实施例之一的小窗口、高分辨率通道对主峰附近信噪比的单次测量以及与扫描测量的对比示例图。

其中，1——入射激光脉冲，2——第一待测光反射镜，3——倍频晶体，4——第一镀银反射镜，5——双色分束镜，6——待测光，7——倍频取样光，8——零级本波片，9——待测光分束片，10——通道一的待测光，11——通道二的待测光，12——第二待测光反射镜，13——第三待测光反射镜，14——第一平移台，15——第一镀金反射镜，16——通道一的互相关晶体，17——取样光分束镜，18——通道二的取样光，19——通道一的取样光，20——第二镀银反射镜，21——第三镀银反射镜，22——第四镀银反射镜，23——第五镀银反射镜，24——第六镀银反射镜，25——第四待测光反射镜，26——第五待测光反射镜，27——第二平移台，28——第二镀金反射镜，29——第三镀金反射镜，30——通道二的互相关晶体，31——通道一产生的互相关信号，32——第一成像柱透镜，33——第一聚焦柱透镜，34——第一光纤阵列/光电倍增管探测系统，35——第一串行电信号，36——通道二产生的互相关信号，37——第二成像柱透镜，38——第二聚焦柱透镜，39——第二光纤阵列/光电倍增管探测系统，40——第二串行电信号，41——高动态串行信号实时处理分析系统，42——待测光的脉冲信噪比信息。

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，如图2所示，一种兼具大时间窗口和高时间分辨率的双通道单次互相关器。互相关器包括，分束单元A、脉冲净化单元、分束单元B、分束单元C、平移台1、平移台2、互相关通道1、互相关通道2、并行探测单元1、并行探测单元2和信号实时分析处理单元。

分束单元A将入射的超短激光脉冲分束为待测光a和待测光b；所述待测光b经过脉冲净化单元后生成取样光。分束单元B，将所述待测光a分束为待测光1和待测光2；分束单元C，将所述取样光分束为取样光1和取样光2。所述待测光1经过组成平移台1的反射镜组反射后入射互相关通道1，所述待测光2经过组成平移台2的反射镜组反射后入射互相关通道2。并行探测单元1将所述互相关通道1的出射光转换为电信号1，并行探测单元2将所述互相关通道2的出射光转换为电信号2。信号实时分析处理单元接收电信号1和电信号2后计算得到所述激光脉冲信噪比。脉冲净化单元包括倍频晶体或者光参量放大晶体。

所述互相关通道1和互相关通道2采用不同的互相关晶体设计，待测光与取样光的非共线角度也不同。互相关通道1可为大窗口、低分辨率通道，互相关通道2可为小窗口、高分辨率通道，反之亦可。与大窗口、低分辨率通道相比，小窗口、高分辨率通道采用的互相关晶体更薄，位相匹配角更小，待测光与取样光的非共线夹角更小。

在这里，信号实时分析处理单元可以是对高动态串行信号进行实时处理的系统，并行探测单元1、并行探测单元2可以是光纤阵列/光电倍增管探测系统。

关于本发明实施例的原理可以说明如下。

非共线互相关可形成“时空编码”效应，使得在不同的晶体横向空间位置取样光与待测光相对延时不同，形成单次测量的时间窗口。该时间窗口大小与光束口径以及非共线角成正比：光束口径或非共线角越大，单次时间窗口越大。测量的时间分辨率则与晶体纵向厚度和非共线角呈反比关系，晶体越厚或非共线角越大，分辨率越低。

本发明双通道互相关测量，本质上是两个非共线互相关并联使用：其中一个采用大非共线角，形成大时间窗口，而分辨率较低；另一个采用小非共线角，时间窗口小，而分辨率高。双通道的互相关信号被两个完全相同的探测系统接收，并通过一套信号分析系统进行计算。通过调节双通道的待测光和取样光的注入能量比，可使得两个测量通道的互相关信号强度相同，保证双通道测量数据的可拼接性。

根据一个或者多个实施例，一种兼具大时间窗口和高时间分辨率的双通道单次互相关测量方法，包括：干净取样光的产生及分束、双通道非共线互相关过程、互相关信号并行探测、信号分析处理四部分组成，其中：

①干净取样光的产生及分束，由一个待测光驱动的非线性频率转换过程和一块双色分束镜组成；非线性频率转换过程可以是倍频或光参量放大，分别可产生短波长和长波长的干净取样光；双色分束镜用于将待测光与取样光分离，取样光反射，待测光透射。

②双通道非共线互相关过程，由分束单元、延时调节单元和非共线互相关单元构成；分束单元用于将待测光和①部分产生的取样光按照一定比例分为两束，分别注入两个测量通道；延时调节单元可以加在待测光路或取样光路，用于调节待测光和取样光达到互相关晶体的时间；非共线互相关单元主要由两块非线性互相关晶体组成，大时间窗口、低分辨率通道采用大非共线角和厚晶体，小时间窗口、高分辨率通道采用小非共线角和薄晶体，两通道互相关晶体可以采用相同横截面尺寸，也可根据需要灵活设计；

③互相关信号并行探测，由两套光纤阵列和两个光电倍增管构成；由100根光纤组成的一维阵列对②过程产生的互相关光信号的空间分布进行多点同时取样；由不同长度(递增1m)的光纤将“空间并行”数据转换成“时间串行”(间隔5ns)数据，使之匹配单点式的光电倍增管；各光纤通道集成了可变衰减器，使得光纤集束输出的所有信号均处于光电倍增管的线性响应范围之内；由于光电倍增管具有接近单光子探测的极限能力，光纤阵列/光电倍增管探测系统具有超高灵敏度，支持高动态范围信噪比测量。

④信号分析处理，由一台双通道数字示波器和一套基于Labview编写的软件组成，可对③过程产生的超快高动态串行脉冲信号进行实时处理与显示；③部分两个测量通道产生的互相关电信号分别接入数字示波器的两个输入通道，数字示波器的工作在外触发模式；示波器触发信号由激光器引出，触发信号要早于激光脉冲达到时刻，确保单发次测量时能够及时捕捉信号；测量软件自动寻峰并记录各光纤通道的信号，根据预先输入的各光纤通道衰减大小，分布计算出两个通道的归一化脉冲信噪比信息。

本发明实施例针对以往信噪比单次测量无法同时实现大时间窗口和高时间分辨率的难题，提供一种双通道互相关测量的解决方案，将大时间窗口和高时间分辨率分别在两个互相关通道实现。大窗口、低分辨率通道用于测量大时间范围的非相干噪声，小窗口、高分辨率通道用于测量主峰及附近的相干噪声。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，为实施本发明的一种兼具大时间窗口和高时间分辨率的双通道单次互相关器的装置光路图。该光路组成主要包括干净取样光的产生及分束、双通道非共线互相关过程、互相关信号并行探测、信号分析处理四部分。

入射激光脉冲1经第一待测光反射镜2反射后，入射至倍频晶体3发生倍频作用；经第一镀银反射镜4反射和双色分束镜5分束后，待测光6和倍频取样光7分开；待测光6经过零级半波片8后被待测光分束镜9分为两束，通道一的待测光10经过放置在第一平移台14上的第二待测光反射镜12和第三待测光反射镜13后被第一镀金反射镜15反射至通道一的互相关晶体16，通道二的待测光11经过放置在第二平移台27上的第四待测光反射镜25和第五待测光反射镜26后被第二镀金反射镜28和第三镀金反射镜29反射至通道二的互相关晶体30；倍频取样光7被取样光分束镜17分为两束，通道一的取样光19被第二镀银反射镜20反射至通道一的互相关晶体16，通道二的取样光18先后经过第三镀银反射镜21，第四镀银反射镜22，第五镀银反射镜23，第六镀银反射镜24后入射至通道二的互相关晶体30；测量通道一产生的互相关信号31先后经过第一成像柱透镜32和第一聚焦柱透镜33后被第一光纤阵列/光电倍增管探测系统34接收，转换成第一串行电信号35；测量通道二产生的互相关信号36先后经过第二成像柱透镜37和第二聚焦柱透镜38后被第二光纤阵列/光电倍增管探测系统39接收，转换成第二串行电信号40；两通道的产生的串行电信号35和40均输入高动态串行信号实时处理分析系统41，经计算得到待测光的脉冲信噪比42。

根据一个或者多个实施例，通道一的互相关晶体16和通道二的互相关晶体30均为25mm宽的BBO晶体，两晶体的厚度分别为2mm和1mm，切割角度分别为65°和45°。通道一的互相关晶体16内，通道一的待测光10与通道一的取样光19之间的非共线角度～30°，单次时间窗口～60ps；通道二的互相关晶体30内，通道二的待测光11与通道二的取样光18之间的非共线角度～5.8°，单次时间窗口～10ps。两个测量通道可以实现窗口互补测量，比如通道一负责测量(–70ps，–5ps)范围，通道二负责测量(–6ps，4ps)；其中，通过调整第一平移台14，通道一的测量范围可以往更前沿方向移动。

根据一个或者多个实施例，高动态串行信号实时处理分析系统，可以是一台定制的数据采集和分析装置，也可以由一台双通道数字示波器和一套分析软件组成。该分析软件可以由设置页面、采集页面和分析页面组成，两个测量通道的串行电信号35和40分别接入数字示波器的通道1和通道2。

分析软件的设置页面包括三部分，从上至下依次为衰减输入区、光纤通道延时输入区和触发设置区。设置页面的衰减输入区，可输入两个通道所用的光纤阵列各通道的外加衰减值，同时，分别为两套光纤阵列系统光纤通道本身设置衰减值，这个是提前测试好的数据，可通过下拉菜单选取。设置页面的光纤通道延时输入区，通过下拉菜单选取，分别为两套光纤阵列系统各光纤通道的相对延时大小，这决定了后序数据读取的精度。设置页面的触发设置区，对触发方式的选择，一般选择为边沿触发，模拟触发源选择外部触发，通道选择可选任一通道或者两者均选，选择任意通道时系统只处理一个通道的数据。

在设置页面完成设置后，即可切换到采集页面。点击采集按钮后系统会等待触发到来，触发后系统会自动采集各通道信号。其中，通道1和通道2的测量结果分别显示在两个测量窗口内。每个窗口内的竖线标识了软件默认读取的数据位置；在相邻两条竖线之间，软件会自动读取该区域内的信号最大值。每个测量窗口下面的输入框，用于输入触发信号距离第N根光纤的延时大小，其中N值输入第一个框，延时大小输入第二个框。在采集页面最下面的数据网格可以分别显示通道1和通道2测量通道内各光纤通道的电信号读出值、对应的衰减大小以及两者的乘积。

在分析软件上通过点击分析选项卡可进入到分析页面。左右窗口分别显示通道1和通道2的测量结果。点击下面的保存按钮可将图片进行保存。如果需要保存测量数据，可以选择导出→导出数据至剪切板或导出数据至Excel。

利用该双通道单次互相关器，可以测量钛宝石再生放大器输出脉冲(脉宽～100fs，中心波长800nm，单脉冲能量～2mJ，重复频率1kHz)的信噪比。钛宝石输出脉冲直接输入仪器(不扩束)，观察通道2的互相关信号。外置40dB和30dB各一片衰减时，示波器上的信号值为170mV。示波器上可分辨的最小信号～1mV。在上述输入光能量下，动态范围～1.5×10¹⁰。当输入脉冲能量更强时，动态范围也会相应提升。

为测试双通道的单次测量窗口，将钛宝石激光输出光束3：1一维扩束后输入仪器。测量结果如图3所示。结果显示，通道1的窗口～65ps，通道2的窗口～10ps，两者在交叠区重合度高。为测试双通道的测量分辨率，分别利用两个通道测量待测信号主峰，并与扫描测量结果比较。如图4所示，小窗口通道2的分辨率远高于大窗口的通道1；其中通道2的测量结果与高分辨率的扫描测量结果接近，显示了高分辨率的特点。图5给出了通道2的完整测量结果与扫描测量的对比，两者符合得非常好，清晰地测出了各细微结构，进一步显示了通道2的高分辨率特点。

总结前述对实施例的描述，本发明属于激光技术领域，具体为一种单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器，该装置主要由干净取样光的产生及分束、双通道非共线互相关过程、互相关信号并行探测、信号分析处理四部分组成：干净取样光可由待测光驱动的倍频或者光参量放大等非线性过程产生，按照一定比例分为两束后分别进入两个测量通道与待测光进行非共线互相关作用；小窗口、高分辨率通道采用小非共线角、薄晶体，大窗口、低分辨率通道采用大非共线角、较厚晶体，非共线作用产生的时空编码效应将待测光的时域强度分布转换为互相关信号的空域强度分布；两个通道的互相关信号分别按照一定比例成像至由光纤阵列和光电倍增管构成的高灵敏度并行探测系统，将两个通道的空域互相关信号转换成两组时域电信号；通过示波器接收电信号并利用软件自动寻峰读取后分析计算，得出待测光的脉冲信噪比。本装置解决了传统单通道测量方法中大时间窗口和高分辨率无法兼得的关键问题，可用于单发次测量超短超强激光的脉冲信噪比。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (7)

1.一种单次测量激光脉冲信噪比的双通道互相关器，该互相关器包括，

分束单元A，该分束单元A将入射的激光脉冲分束为待测光a和待测光b；

脉冲净化单元，所述待测光b经过该脉冲净化单元后生成取样光；

分束单元B，将所述待测光a分束为待测光1和待测光2；

分束单元C，将所述取样光分束为取样光1和取样光2；

互相关通道1，接受所述待测光1和所述取样光1的入射；

互相关通道2，接受所述待测光2和所述取样光2的入射；

并行探测单元1，将所述互相关通道1的出射光转换为电信号1；

并行探测单元2，将所述互相关通道2的出射光转换为电信号2；以及

信号实时分析处理单元，接收电信号1和电信号2后计算得到所述激光脉冲的信噪比，其中，

所述互相关通道1包括互相关晶体1，互相关通道2包括互相关晶体2，互 相关晶体1与互相关晶体2的相位匹配角数值和厚度不相同，

所述双通道互相关器用于对激光脉冲信噪比的单次测量方法，包括以下步骤，

将入射的超短激光脉冲分束为待测光a和待测光b；

所述待测光b经过脉冲净化单元后生成取样光；

将所述待测光a分束为待测光1和待测光2；

将所述取样光分束为取样光1和取样光2；

使得所述取样光1和所述待测光1入射互相关通道1；

使得所述取样光2和所述待测光2入射互相关通道2；

将所述互相关通道1的出射光转换为电信号1，

将所述互相关通道2的出射光转换为电信号2，

接收电信号1和电信号2后，计算得到所述激光脉冲信噪比，其中，

所述互相关通道1与互相关通道2采用不同相位匹配角和厚度的互相关晶体，对应的待测光与取样光之间的非共线角也不同。

2.根据权利要求1所述的互相关器，其特征在于，所述互相关器还包括由可调整反射光反射距离的反射镜组组成的平移台1和平移台2，

所述待测光1经过组成平移台1的反射镜组反射后入射互相关通道1，所述待测光2经过组成平移台2的反射镜组反射后入射互相关通道2。

3.根据权利要求1所述的互相关器，其特征在于，所述互相关器还包括由可调整反射光反射距离的反射镜组组成的平移台3和平移台4，

所述取样光1经过组成平移台3的反射镜组反射后入射互相关通道1，

所述取样光2经过组成平移台4的反射镜组反射后入射互相关通道2。

4.根据权利要求1所述的互相关器，其特征在于，所述互相关通道1的出射光和所述互相关通道2的出射光各自通过一个透镜组后，分别入射并行探测单元1和并行探测单元2。

5.根据权利要求1所述的互相关器，其特征在于，所述脉冲净化单元包括倍频晶体或者光参量放大晶体。

6.根据权利要求1所述的互相关器，其特征在于，所述并行探测单元1和所述并行探测单元2包括光纤阵列/光电倍增管探测单元或者电荷耦合器件。

7.一种激光脉冲信噪比的单次测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

将入射的超短激光脉冲分束为待测光a和待测光b；

所述待测光b经过脉冲净化单元后生成取样光；

将所述待测光a分束为待测光1和待测光2；

将所述取样光分束为取样光1和取样光2；

使得所述取样光1和所述待测光1入射互相关通道1；

使得所述取样光2和所述待测光2入射互相关通道2；

将所述互相关通道1的出射光转换为电信号1，

将所述互相关通道2的出射光转换为电信号2，

接收电信号1和电信号2后，计算得到所述激光脉冲信噪比，其中，

所述互相关通道1与互相关通道2采用不同相位匹配角和厚度的互相关晶体，对应的待测光与取样光之间的非共线角也不同。

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