CN113049119A - 基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪 - Google Patents

Abstract

一种适用于拍瓦激光的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，该测量仪包括分束片、第一线偏振器、聚焦元件、第一反射镜、第一三阶非线性晶体、第二三阶非线性晶体，第二反射镜、第二线偏振器、第三反射镜、第一反射聚焦元件、第四反射镜、四分之一波片、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第二反射聚焦元件、非线性晶体、衰减片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光谱滤波片和数据采集装置。本发明可以为高强度激光脉冲的对比度提升和应用研究提供重要的测量支持。

Description

基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪

技术领域

本发明涉及高强度交叉偏振波信号光的产生以及超强超短激光的对比度单发测量。

背景技术

随着脉冲啁啾放大技术的发展，世界各国相继建设或者计划建设了数十套拍瓦激光装置，拍瓦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。对于拍瓦激光的有效应用,激光脉冲的对比度是非常重要的参数，而为了更好的研究了解脉冲的对比度信息，我们必须要能准确的测量表征对比度，同时拍瓦激光装置一般都是低重频运行而且每一发激光脉冲的状态可能会发生变化，测量的方式也需要是单发测量。然而对于拍瓦激光的对比度单发测量目前并没有商用的产品。

早期对比度单发测量是利用三阶自相关仪，但是测量的动态范围只有10⁶左右；2014年上海交通大学的研究组，利用光纤阵列结合光电倍增管作为数据采集装置，测量的动态范围可以达到10¹⁰，但是分辨率只有700fs；2017年法国科学家基于自参考光谱干涉法进行对比度单发测量，测量的时间分辨率有20fs，但是测量的动态范围只有10⁸；如何同时实现对比度单发测量的高时间分辨率和高动态范围是一个难题。

发明内容

基于上述难题，本发明提供一种适用于拍瓦激光的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，该测量仪本发明利用交叉偏振波产生获得高能量的飞秒光，交叉偏振波产生装置简单，转换效率高，且是简并过程，获得的高能量飞秒光作为取样光和待测光互相关，把待测光的对比度信息转换到互相关信号光的空间强度分布，并使用小像素元相机分析互相关信号光的强度分布，可以对待测光的对比度信息进行单发测量。由于取样光的强度大，取样光的波长和待测光的波长相同，而且使用小像素元的相机进行数据采集，可以同时实现对比度单发测量的高时间分辨率以及高动态范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于拍瓦激光的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，其特点在于该测量仪的构成包括：入射光经过楔形分束片分成反射光和透射光，所述的反射光作为待测光，依次经过第四反射镜、四分之一波片、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜后入射到第二反射聚焦元件中；所述的透射光依次经第一线偏振器、聚焦元件、第一反射镜、第一三阶非线性晶体入射到第二三阶非线性晶体，所述的第一三阶非线性晶体和第二三阶非线性晶体位于所述的聚焦元件的焦点附近，在所述的第一三非线性晶体和第二三阶非线性晶体中基于交叉偏振波效应会在所述的透射光的偏振方向的垂直方向产生信号光，该信号光依次经第二反射镜、第二线偏振器和第三反射镜入射到第一反射聚焦元件，所述的第一线偏振器和第二线偏振器的偏振方向严格垂直；经所述的第一反射聚焦元件输出的信号光和经所述的第二反射聚焦元件输出的待测光分别入射非线性晶体，经过非线性过程获得互相关信号光输出；该互相关信号光依次经衰减片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光谱滤波片在数据采集装置成像。

第一三阶非线性晶体和第二三阶非线性晶体位于聚焦元件焦点附近，所述聚焦元件把入射光在一维方向聚焦，所述的第一三阶非线性晶体和第二三阶非线性晶体的光轴的取向使得交叉偏振波产生效率最大，且晶体前后表面呈楔形角结构。

所述的第五反射镜和第六反射镜构成时间延迟线，通过调节时间延迟线可以改变对比度单发测量表征的时间窗口；

所述的衰减片为吸收型衰减片或镀膜的反射镜衰减片。

所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜以一定的缩放倍率把所述互相关信号光成像到所述的数据采集装置。

本发明具有如下的显著特点：

1，本发明是适用于拍瓦激光的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，通过线聚焦交叉偏振波产生的入射光，基于两片非线性晶体获得高能量高对比度的飞秒光用于互相关过程的取样光；

2，交叉偏振波产生获得的取样光是共线结构，调节很方便而且转换效率高，为高动态范围对比度单发测量提供保证；

3，本发明可以同时实现对比度单发测量的高动态范围和高时间分辨率；

4，整个装置可以做到经济紧凑。

附图说明

图1是本发明适用于拍瓦激光的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪实施例装置示意图。

图2是对比度单发测量结果。

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。

图1是本发明适用于拍瓦激光的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪实施例的装置示意图，由图可见，本发明基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，包括：入射光经过楔形分束片1分成反射光和透射光，所述的反射光作为待测光，依次经过第四反射镜11、四分之一波片12、第五反射镜13、第六反射镜14、第七反射镜15、第八反射镜16后入射到第二反射聚焦元件17中；所述的透射光依次经第一线偏振器2、聚焦元件3、第一反射镜4、第一三阶非线性晶体5入射到第二三阶非线性晶体6，所述的第一三阶非线性晶体5和第二三阶非线性晶体6位于所述的聚焦元件3焦点附近，在所述的第一三非线性晶体5和第二三阶非线性晶体6中基于交叉偏振波效应会在所述的透射光的偏振方向的垂直方向产生信号光，该信号光依次经第二反射镜7、第二线偏振器8和第三反射镜9入射到第一反射聚焦元件10，所述的第一线偏振器2和第二线偏振器8的偏振方向严格垂直；经所述的第一反射聚焦元件10输出的信号光和经所述的第二反射聚焦元件17输出的待测光分别入射非线性晶体18，经过该非线性晶体18后获得互相关信号光输出；该互相关信号光依次经衰减片19、第一聚焦透镜20、第二聚焦透镜21、光谱滤波片22在数据采集装置23成像。

第一三阶非线性晶体5以及第二三阶非线性晶体6上位于聚焦元件3附近，所述聚焦元件3把入射光在一维方向聚焦，三阶非线性晶体的光轴设计使得交叉偏振波产生效率最大，且晶体前后表面呈楔形角结构；

所述的第一线偏振器2以及第二线偏振器8偏振方向严格垂直；

所述的第五反射镜13以及第六反射镜14构成时间延迟线，通过调节时间延迟线可以改变对比度单发测量表征的时间窗口；

所述的第一聚焦透镜20以及第二聚焦透镜21以一定的缩放倍率把所述互相关信号光成像到数据采集装置23。

实施例

所述的入射光是从一台钛宝石放大器出射的800nm/8mJ/25fs/kHz激光脉冲光的基础光。

所述的楔形分束片1分出的反射光透射光强度比率为1:3，所述的第一线偏振器2和第二线偏振器8是格兰棱镜，所述的聚焦元件3是焦距500mm的柱透镜，所述的第一三阶非线性晶体5和第二三阶非线性晶体6是氟化钡晶体，晶体的切割按照[110]切割，且[100]轴和偏振方向的角度为64.5°；所述的第一反射聚焦元件10是焦距为200mm的柱面反射镜，第二反射聚焦元件17是焦距为200mm的柱面反射镜，所述的非线性晶体18是宽度21mm，厚度1.5mm的BBO晶体，晶体外交叉角度为65度左右，所述的衰减片19是吸收型条形衰减片，所述的第一聚焦透镜20和第二聚焦透镜21将BBO晶体表面按1:1成像到所sCMOS相机23的芯片表面。所述的数据采集装置23是sCMOS相机。

所述的基础光经过所述的分束片1分为反射光透射光，该分束片1分出的反射光透射光强度比率为1:3，大约6mJ的透射光经过格兰棱镜2起偏并入射到焦距500mm的柱透镜3中，在柱透镜的焦点后放置两片氟化钡晶体5、6，晶体的切割按照[110]切割，且[100]轴和偏振方向角度为64.5°，在交叉偏振波产生的作用下，会产生高强度飞秒信号光，且该高强度飞秒信号光的偏振方向垂直于入射光，从两片氟化钡中出射之后，激光脉冲经过另一枚格兰棱镜8滤出交叉偏振波信号光，滤出的飞秒信号光的脉冲能量可以达到500μj，中心波长和入射光一样，但是光谱宽度相对较宽，所述的飞秒信号光经过准直之后入射到一个焦距200mm的柱面反射镜10；所述的反射光依次经过四分之波片12，时间延迟线，多枚反射镜入射到焦距200mm的第二柱面反射镜17上，最终所述的飞秒信号光以及所述的反射光分别作为取样光和待测光入射到一枚宽度21mm，厚度1.5mm的BBO晶体18中和频，他们的晶体外交叉角度为65度左右，通过和频过程获得互相关信号光，该互相关信号光经过吸收型条形衰减片19，并使用透镜20对把晶体表面按1:1成像到所sCMOS相机23的芯片表面，通过sCMOS分析其强度分布。

本发明通过单发测量获得的脉冲对比度信息如图2所示，测量结果显示其测量能力达到动态范围10¹⁰，测量时间窗口大约50ps，测量时间分辨率200fs。本发明高测量动态范围以及高时间分辨率的对比度单发测量仪将为高强度激光脉冲的对比度提升和应用研究提供重要的测量支持。

Claims (5)

1.一种基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，其特征在于该测量仪的构成包括：入射光经过楔形分束片(1)分成反射光和透射光，所述的反射光作为待测光，依次经过第四反射镜(11)、四分之一波片(12)、第五反射镜(13)、第六反射镜(14)、第七反射镜(15)、第八反射镜(16)后入射到第二反射聚焦元件(17)中；所述的透射光依次经第一线偏振器(2)、聚焦元件(3)、第一反射镜(4)、第一三阶非线性晶体(5)入射到第二三阶非线性晶体(6)，所述的第一三阶非线性晶体(5)和第二三阶非线性晶体(6)位于所述的聚焦元件(3)焦点附近，在所述的第一三非线性晶体(5)和第二三阶非线性晶体(6)中基于交叉偏振波效应会在所述的透射光的偏振方向的垂直方向产生信号光，该信号光依次经第二反射镜(7)、第二线偏振器(8)和第三反射镜(9)入射到第一反射聚焦元件(10)，所述的第一线偏振器(2)和第二线偏振器(8)的偏振方向严格垂直；经所述的第一反射聚焦元件(10)输出的信号光和经所述的第二反射聚焦元件(17)输出的待测光分别入射非线性晶体(18)，经过非线性过程获得互相关信号光输出；该互相关信号光依次经衰减片(19)、第一聚焦透镜(20)、第二聚焦透镜(21)、光谱滤波片(22)在数据采集装置(23)成像。

2.根据权利要求1所述的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，其特征在于第一三阶非线性晶体(5)和第二三阶非线性晶体(6)位于聚焦元件(3)焦点附近，所述聚焦元件(3)把入射光在一维方向聚焦，所述的第一三阶非线性晶体(5)和第二三阶非线性晶体(6)的光轴的取向使得交叉偏振波产生效率最大，且晶体前后表面呈楔形角结构。

3.根据权利要求1所述的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，其特征在于所述的第五反射镜(13)和第六反射镜(14)构成时间延迟线，通过调节时间延迟线可以改变对比度单发测量表征的时间窗口。

4.根据权利要求1所述的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，其特征在于所述的衰减片(19)为吸收型衰减片或镀膜的反射镜衰减片。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于交叉偏振波产生获得取样光的对比度单发测量仪，其特征在于所述的第一聚焦透镜(20)和第二聚焦透镜(21)以一定的缩放倍率把所述互相关信号光成像到所述的数据采集装置(23)。

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