CN112903123B - 基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度测量方法及装置 - Google Patents

基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度的测量方法及装置,将同步的啁啾脉冲作为探针脉冲,利用其啁啾特性,将等离子体镜的反射率变化转化为啁啾脉冲的光谱变化,通过对啁啾脉冲光源的光谱变化测量,实现等离子体镜单次信噪比提升度测量。本发明是一种单次测量,操作简单方便,无需对主激光采样,解决了传统三阶互相关测量方法中,延迟扫描式方法需要多次测量问题以及非线性效应所需要的测量光强度问题,有助于等离子体镜的单次信噪比提升度测量,在使用等离子体镜的高功率超短脉冲系统中有重要的应用背景。

Description

基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度测量 方法及装置
技术领域
本发明属于超短脉冲测量领域,具体涉及一种等离子体镜单次信噪比提升度测量方法及装置。
背景技术
随着飞秒激光技术和啁啾脉冲放大(CPA)的迅速发展。激光的聚焦功率密度越来越高,推动各项科学研究的发展,包括惯性约束聚变的快点火、激光驱动粒子加速和高功率密度等离子体的诊断等。相对地,对于激光对比度提出了更高的要求。其中等离子体镜由于无惧损伤,信噪比提升度好等特点,非常适用于高功率超短脉冲的终端信噪比提升。
对于等离子体镜,信噪比提升度是衡量其性能的重要指标。现有的信噪比测量主要分为两种,一种基于延迟扫描的三阶互相关仪,比如商用的Sequoia装置。但是,延迟扫描法需要在给定的重复率下进行大量的扫描测量,而等离子体镜具有单次特性,必须使用真空机械电机才能完成多次测量。而且该方法需要大量激光发次,在大型打靶实验中,并不具备多发次的实验条件。另一种方法是光纤阵列的信噪比测量方法,上海交通大学的YongzhiWang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,实现了大于1010脉冲的单次测量,这种方法可以有效实现单次测量,但是该方法同样基于三阶非线性效应,对激光能量有一定需求,并且成本较大。同时,该方法仍然需要两次信噪比测量结果来计算得到等离子体镜的信噪比提升度。
发明内容
针对目前超短超强激光脉冲等离子体镜信噪比测量技术的问题,本发明提供了一种基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度测量装置及。将啁啾探针脉冲同步入射至等离子体镜并反射进入光谱仪。由于啁啾特性,等离子体镜的反射率随时间变化导致了啁啾探针脉冲的光谱强度变化。通过对啁啾探针脉冲光谱强度变化的测量以及数据处理,实现等离子体镜的单次信噪比提升度测量。
本发明采用以下技术方案实现:
一种基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度的测量方法,其特点在于,包括如下步骤:
步骤1)使啁啾脉冲光源以角度A入射至等离子体镜基片,经该等离子体镜基片反射后,利用光谱仪获取初始的啁啾脉冲光源光谱S0
步骤2)使聚焦高功率短脉冲光源以角度B入射等离子体镜基片产生等离子体镜,使啁啾脉冲光源以角度A入射至等离子体镜,且A≠B;利用光谱仪获取经该等离子体镜反射后的啁啾脉冲光源光谱;
步骤3)计算等离子体镜对啁啾脉冲光源的光谱效率曲线Sλ=S1-S0
步骤4)将等离子体镜对啁啾脉冲光源的光谱效率曲线Sλ,根据公式St=C*Sλ,转化为等离子体镜的反射率时间波形图St,C是啁啾率(皮秒/纳米);
步骤5)通过等离子体镜的反射率时间波形图,计算等离子体镜的最高反射率与基底反射率的比值,即对比度,获得等离子体镜信噪比提升度。
优选的,步骤1)中所述的啁啾脉冲的啁啾率可调,从而可改变等离子体镜信噪比提升度测量的时间分辨率,公式如下:
Dt=C*Dλ
式中,Dt是时间分辨率,C是啁啾率(皮秒/纳米),Dλ是光谱仪的光谱分辨率。
实施上述等离子体镜单次信噪比提升度的测量方法的测量装置,其特点在于,包括啁啾调节单元、波片、延迟单元和光谱仪;
啁啾脉冲光源作为探针光,依次经过所述的啁啾调节单元、波片和延迟单元后入射到等离子体镜基片,经该等离子体镜基片反射的反射光入射到所述的光谱仪;
所述的啁啾调节单元用于调节产生啁啾脉冲光源的啁啾率;
所述的波片,用于调节啁啾脉冲光源的偏振态;
所述的延迟单元,用于调节聚焦高功率短脉冲光源和啁啾脉冲光源之间的延迟。
优选的,在所述的等离子体镜基片的反射光路上还设有偏振分光元件,用于利用偏振态的不同,滤除包括反射聚焦高功率短脉冲光源在内的杂散光,提高啁啾脉冲光源的光谱测量准确度。
平行光管用于对啁啾脉冲光源和聚焦高功率短脉冲光源在等离子体镜基片入射位置成像,通过显示屏上的成像图像保证啁啾脉冲光源和聚焦高功率短脉冲光源在空间上的入射位置重合;
同步线连接啁啾脉冲光源与光谱仪,用于啁啾脉冲光源发射啁啾脉冲的同时,保证光谱仪处于待采集状态;
所述的光谱仪用于采集啁啾脉冲光源的光谱,包括初始光谱和经等离子体镜反射后的光谱。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
1)采用啁啾脉冲对等离子体镜采用主动探针式测量,利用啁啾脉冲光源的啁啾特性,通过光谱反射率变化,实现单次测量等离子体镜信噪比提升度,无需采样,对主激光强度以及等离子体镜不产生影响;
2)该方法避免了传统基于三阶互相关方法中,延迟扫描式方法需要多次测量问题以及非线性效应所需要的测量光强度问题,同时测量的时间精度可调。
3)该方法可有效实现单次测量,操作简单,易于集成,只需要少数的光学元件即可实现等离子体镜单次信噪比提升度测量。
附图说明
图1:基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度测量装置的原理示意图;
图中1.啁啾脉冲光源;2.啁啾调节单元;3.波片;4.延迟单元;5.聚焦高功率短脉冲光源;6.等离子体镜基片;7.等离子体镜;8.偏振分光元件;9.光谱仪;10.平行光管;11.同步线
具体实施方式
为使本发明的实施目的、技术方案和技术效果更加清楚,下面将结合实施例中的附图,对本发明实施例进行清楚、完整地描述。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“前”、“后”、“右”、“上”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
本实施例提供一种基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度测量装置,参阅图1包含啁啾脉冲光源1、啁啾调节单元2、波片3、延迟单元4、聚焦高功率短脉冲光源5、等离子体镜基片6、等离子体镜7、偏振分光元件8、光谱仪9、平行光管10、和同步线11。所述啁啾脉冲光源1经过啁啾调节单元2、波片3、延迟单元4、然后经等离子体镜基片6上的等离子体镜7反射、经过偏振分光元件8入射到光谱仪9中进行光谱测量。平行光管10位于光谱仪9右侧,对等离子体镜7位置处成像。同步线11位于图右侧,连接光谱仪9与啁啾脉冲光源1。
其具体的操作步骤如下:
第一阶段:光路搭建
1.聚焦高功率短脉冲光源5入射到等离子体镜基片6,根据激光参数,调整聚焦高功率短脉冲光源5的焦点位置,保证聚焦高功率短脉冲光源5入射在等离子体镜基片6面上的功率密度达到1015W/cm2-1016W/cm2
2.啁啾脉冲光源1依次经过啁啾调节单元2,波片3以及延迟单元4入射到等离子体镜基片上,通过啁啾调节单元2调节啁啾率来选择需要的时间分辨率,反射光经过偏振分光元件8入射至光谱仪9中。
3.调节波片3,观察经过偏振分光元件8后的光,使其强度最大。
第二阶段:啁啾脉冲光源的时间同步、空间重合以及初始光谱标定
1.在等离子体镜基片6位置插入光电探头,通过示波器获得啁啾脉冲光源1与聚焦高功率短脉冲光源5相对延迟,并利用延迟单元4使得两束光示波器上波形峰值重叠,结束后将探头移出;
2.平行光管10对等离子体镜基片6入射位置成像,观察与其连接的显示屏上图像中的两个光斑的位置,调整聚焦高功率短脉冲光源5,保证两束光在等离子体镜基片6光入射位置空间上重合;
3.挡住聚焦高功率短脉冲光源5,光谱仪9接收啁啾脉冲光源1的光谱作为初始的啁啾脉冲光源光谱;
第三阶段:单次测量
1.同步线11连接光谱仪9和啁啾脉冲光源1,光谱仪9通过同步线11接收啁啾脉冲光源1的同步触发信号;
2.聚焦高功率短脉冲光源5和啁啾脉冲光源1入射到等离子体镜基片6,光谱仪接收等离子体镜反射后的啁啾脉冲光源1的光谱;
3.对光谱仪接收到的光谱做数据处理,得到等离子体镜反射率的时间波形,该波形的对比度即为等离子体镜的信噪比提升度。
本发明利用啁啾探针脉冲的啁啾特性以及等离子体镜的快速反射率变化的基本原理,采用啁啾脉冲主动探针测量方法,通过单次测量等离子体镜对啁啾脉冲光谱的调制变化,获得等离子体镜的信噪比提升度。本发明创新性地提出采用啁啾脉冲主动探针测量方法,实现单次的等离子体镜信噪比提升度测量。
本发明主要用以解决超短超强激光系统中等离子体镜的信噪比提升度测量问题,避免了传统三阶互相关测量方法中,延迟扫描式方法需要多次测量问题以及非线性效应所需要的测量光强度问题。按照本发明所述技术,可以实现单次、快速和精度可调的等离子体镜信噪比提升度测量,为超短超强激光系统中的等离子体镜信噪比提升度提供了一种新的测量方案。虽然已经描述了某些实施例,但是这些实施例仅是作为示例提出的,并不旨在限制保护的范围。尽管参照前述实例对发明进行了详细说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前所述实例记载的方案进行修改,或对其中部分技术特征进行等同替换,凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于同步啁啾探针脉冲的等离子体镜单次信噪比提升度的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1)使啁啾脉冲光源(1)以角度A入射至等离子体镜基片(6),经该等离子体镜基片(6)反射后,利用光谱仪(9)获取初始的啁啾脉冲光源光谱S0
步骤2)使聚焦高功率短脉冲光源(5)以角度B入射等离子体镜基片(6)产生等离子体镜(7),使啁啾脉冲光源(1)以角度A入射至等离子体镜(7),且A≠B;利用光谱仪(9)获取经该等离子体镜(7)反射后的啁啾脉冲光源光谱S1
步骤3)计算等离子体镜对啁啾脉冲光源的光谱效率曲线Sλ=S1-S0
步骤4)将等离子体镜对啁啾脉冲光源的光谱效率曲线Sλ,根据公式St=C*Sλ,转化为等离子体镜的反射率时间波形图St,C是啁啾率,单位皮秒/纳米;
步骤5)通过等离子体镜的反射率时间波形图,计算等离子体镜的最高反射率与基底反射率的比值,即对比度,获得等离子体镜信噪比提升度。
2.根据权利要求1所述的等离子体镜单次信噪比提升度的测量方法,其特征在于,步骤1)中所述的啁啾脉冲光源(1)通过啁啾调节单元(2),产生啁啾率可调的啁啾脉冲。
3.实施权利要求1或2所述的等离子体镜单次信噪比提升度的测量方法的测量装置,其特征在于,包括啁啾调节单元(2)、波片(3)、延迟单元(4)和光谱仪(9);
啁啾脉冲光源(1)作为探针光,依次经过所述的啁啾调节单元(2)、波片(3)和延迟单元(4)后入射到等离子体镜基片(6),经该等离子体镜基片(6)反射的反射光入射到所述的光谱仪(9);
所述的啁啾调节单元(2)用于调节啁啾脉冲光源的啁啾率;
所述的波片(3),用于调节啁啾脉冲光源的偏振态;
所述的延迟单元(4),用于调节聚焦高功率短脉冲光源和啁啾脉冲光源之间的延迟。
4.根据权利要求3所述的测量装置,其特征在于,在所述的等离子体镜基片(6)的反射光路上还设有偏振分光元件(8),用于滤除杂散光,提高啁啾脉冲光源的光谱测量准确度。
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