CN113654653B - 一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超快激光时空耦合特性的单次测量方法，该方法首先将参考光和待测光束入射到采样光路中，经过采样光路的缩束系统进行缩束后，用狭缝阵列采样并通过成像光谱仪获取参考光与待测光形成的空谱干涉图像，然后通过“频域分割傅里叶变换”方法恢复狭缝阵列采样区待测光的谱强度和谱相位，最后通过一维傅里叶逆变换得到狭缝阵列采样区各点的时域特征，即可得到待测光束的时空耦合特性。本发明提供的超快激光时空耦合特性的单次测量方法，不需要对激光光束进行多次扫描，可用于单发输出的大型超高峰值功率激光装置的时空耦合特性测量，同时该方法简单易操作，通过简单的光路就能够实现超快激光时空耦合特性的单次测量，通用性强。
Description
技术领域
本发明属于激光参数测量领域，尤其涉及一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法。
背景技术
超高峰值功率激光是研究激光核物理、实验室天体物理、高温高密度等离子体物理等极端条件下物理规律的重要工具。超高峰值功率激光的脉冲持续时间极短，通常仅为十几到数十飞秒，同时为了防止光学元件表面的功率密度过高而导致的元件损伤，其光束口径在聚焦前通常达到数十厘米，由于光束口径较大，激光系统中展宽器、压缩器、透镜、非线性晶体、取样元件以及真空室中带楔角的玻璃窗口等元件会引起光束口径内不同区域的时域波形各有不同，该现象称为“时空耦合”效应。
精确测量超高峰值功率激光的时空耦合特性将有助于预测其焦斑处光电场分布和补偿时空耦合畸变以提升峰值功率密度。目前测量超快激光时空耦合特性的方法大多数为连续扫描的方式，这种方法只适用于测量高重频的超快激光的时空耦合特性，却无法应用在大型超高峰值功率激光装置中，这是因为大型超高峰值功率激光装置在发射一次激光后往往需要很长时间对装置中一些元器件进行冷却，而且每次发射的激光脉冲的时空耦合特性并不完全一致，因此无法用多次扫描的测量方式测量这类激光的时空耦合特性。
因此，亟需一种新的超快激光的时空耦合特性测量的单次方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法，该方法能够用简单的光路实现超快激光时空耦合特性的单次测量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法，所述方法包括：
S1：搭建超快激光时空耦合特性的单次测量光路；
所述光路包括：由透镜I和透镜II组成的缩束系统，缩束系统后面设置了狭缝阵列，狭缝阵列后面放置成像光谱仪用于采集空谱干涉图像，且狭缝阵列放置在成像光谱仪入口处；
S2：对狭缝阵列和成像光谱仪进行标定；
S3：采集干涉图像；
将一束待测光和一束与待测光之间有夹角的参考光入射至步骤S1中搭建的光路中，两束光经过缩束系统进行缩束后，在狭缝阵列处汇合，再由成像光谱仪采集空谱干涉图像，干涉场光强分布满足：
式中Ir和It分别表示参考光和待测光强度，
表示待测光与参考光相对相位差，Δτ(xi)表示xi处待测光与参考光的相对延迟。
S4：将步骤S3采集的空谱干涉图像经过二维傅里叶变换得到二维频域图，通过频域分割傅里叶变换方法在二维频域图中每一条狭缝对应的一级亮斑中提取谱强度和谱相位；
S5：通过对步骤S4得到的谱强度和谱相位做一维傅里叶逆变换，获得待测光束各点光电场随时间的变化，即待测光电场完整的三维时空分布。
优选的，所述步骤S2中，对狭缝阵列和成像光谱仪进行标定，获取图像像素与光电场角频率ω的对应关系以及随着狭缝位置变化，各个狭缝采集到的光谱图像沿光电场角频率ω方向整体移动的系数pi，i表示第i个狭缝，取值为1～n，n为待测光覆盖的狭缝数。
优选的，所述步骤S4中，进行谱强度和谱相位提取的方法如下：
S41：将步骤S3采集得到干涉图像经过二维傅里叶变换得到二维频域图，在二维频域内进行滤波，提取任意一个狭缝对应的二维频域图像中的一级亮斑，所述一级亮斑是指+1级亮斑；
S42：将提取的亮斑进行二维傅里叶逆变换到ω-y域，其中，ω为光电场角频率，y为y方向，得到一个二维复数矩阵，并将得到的二维矩阵沿ω域进行平移，平移距离为-pi×xi，其中xi为第i个狭缝对应的x轴坐标；
S43：提取谱强度和谱相位，谱强度为步骤S42中二维复数矩阵中每一个复数的模；谱相位为步骤S42中二维复数矩阵中每一个复数的辐角；
S44：去除步骤S43中提取的谱相位的一阶色散，所述一阶色散为对应狭缝处待测光与参考光相对延迟导致的一阶色散；
S45：重复步骤S41～S44，对每一条狭缝对应的一级亮斑执行上述操作，提取谱强度和谱相位，直至获取所有狭缝处待测光的谱强度和谱相位。
优选的，所述步骤S44中，去除谱相位一阶色散的操作为：
其中/>
为未去除一阶色散时的谱相位，/>
为去除一阶色散后得到的谱相位，xi为第i个狭缝对应的x轴坐标，Δτ(xi)表示xi处待测光与参考光的相对延迟，且/>
Δτ0为xi＝0处待测光与参考光的相对延迟，c为光速；θ为待测光与参考光之间入射时的夹角。
本发明的有益效果是：本发明提供一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法，该方法在成像光谱仪前放置狭缝阵列进行采样，再用成像光谱仪获取待测光与参考光的空谱干涉图像，并通过对图像进行处理以获取激光的时空耦合特性，不需要对激光光束进行多次扫描，可用于单发输出的超高峰值功率激光的时空耦合特性的测量，同时本方法简单易操作，通过简单的光路就能够实现超快激光时空耦合特性的单次测量，通用性强。
附图说明
图1为本发明实施例中用于超快激光时空耦合特性的单次测量的光路俯视图；
图2为本发明实施例中用于超快激光时空耦合特性的单次测量的光路侧视图；
图3为本发明实施例中狭缝与二维频域图对应关系示意图；
图4为本发明实施例中提取谱强度和谱相位的流程图；
图中：1.透镜I 2.透镜II 3.狭缝阵列 4.成像光谱仪。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法，所述方法包括：
S1：搭建如图1和图2所示的超快激光时空耦合特性的单次测量光路；
所述光路包括：由透镜I1和透镜II2组成的缩束系统，缩束系统后面设置了狭缝阵列3，狭缝阵列后面放置成像光谱仪4用于采集干涉图像，且狭缝阵列放置在成像光谱仪入口处；
S2：对狭缝阵列和成像光谱仪进行标定；
对狭缝阵列和成像光谱仪进行标定，获取图像像素与光电场角频率ω的对应关系以及随着狭缝位置变化，各个狭缝采集到的光谱图像沿光电场角频率ω方向整体移动的系数pi，i表示第i个狭缝，取值为1～n，n为待测光覆盖的狭缝数。
S3：采集干涉图像；
将一束待测光与一束参考光以一定夹角入射至步骤S1搭建的光路中，两束光经过透镜I1和透镜II2组成的缩束系统后，将光束口径缩小至成像光谱仪可接受的范围，使两光束在成像光谱仪入口处再次重合，成像光谱仪入口处放置等间隔的狭缝阵列用于对干涉场进行采样，用成像光谱仪采集空谱干涉图像，二维图像的两个维度分别代表光电场角频率维度ω与空间维度y；
干涉场光强分布满足：
式中Ir和It分别表示参考光和待测光强度，
表示待测光与参考光相对相位差，Δτ(xi)表示xi处待测光与参考光的相对延迟。
如图1所示待测光与参考光入射方向在xz平面内存在一定夹角θ，如图2所示在yz平面内夹角为0°。
步骤S3中待测光与参考光以合适的夹角θ入射到狭缝阵列，使狭缝阵列中每一狭缝位置处参考光与待测光的相对延迟都不同，各狭缝产生的空谱干涉条纹密集程度不同，从而可以在频率域将各狭缝的采样结果分割开；夹角θ的选取应尽量使二位频域中各狭缝对应的一级亮斑均匀地分散在整个二位频域面，以提高空域、频域分辨能力。
S4：通过频域分割傅里叶变换方法对干涉图像中每一条狭缝对应的一级亮斑提取谱强度和谱相位；
采集到干涉图像后，需要从干涉图像中提取谱强度和谱相位，提取过程如图4所示：首先将采集到的干涉图进行二维傅里叶变换，得到二维频域图，频域图中心亮斑为0级亮斑，代表干涉图像的直流分量，左侧一系列亮斑为-1级亮斑，右侧为+1级亮斑，由于狭缝阵列中不同狭缝处待测光与参考光的相对延迟不同，它们形成的干涉条纹图调制频率不同，因此二维频域图中一级亮斑的位置也不同，如图3所示，待测光与参考光相对延迟越大，形成的条纹调制频率越高，频域图中一级亮斑就越远离中心位置，因此不同狭缝形成的干涉场信息能够在二维频域图中能够分开。从干涉图像中提取谱强度和谱相位步骤如下：
S41：将步骤S3采集得到干涉图像在频域内进行滤波，提取任意一个狭缝对应的干涉图像一级亮斑，该一级亮斑中包含了对应狭缝处待测光的谱强度和谱相位信息，这里所说的一级亮斑是指干涉图像+1级亮斑；
S42：将提取的亮斑进行二维傅里叶逆变换，将亮斑坐标变换到ω-y域，其中，ω为光电场角频率，y为y方向，得到一个二维复数矩阵，并将得到的二维矩阵沿ω域进行平移，平移距离为-pi×xi，其中xi为第i个狭缝对应的x轴坐标；
S43：提取谱强度和谱相位，谱强度为步骤S42中二维复数矩阵中每一个复数的模；谱相位为步骤S42中二维复数矩阵中每一个复数的辐角；
S44：去除步骤S43中提取的谱相位的一阶色散，所述一阶色散为对应狭缝处相对延迟导致的一阶色散；
由于待测光与参考光之间相对延时的存在，导致检测到的谱相位存在较大的一阶色散，因此该步骤的目的在于去掉因待测光与参考光之间相对延时引入的一阶色散，去除谱相位一阶色散的操作为：
其中/>
为未去除一阶色散时的谱相位，/>
为去除一阶色散后得到的谱相位，xi为第i个狭缝对应的x轴坐标，Δτ(xi)表示xi处待测光与参考光的相对延迟，且/>
Δτ0为x＝0处待测光与参考光的相对延迟，c为光速；θ为待测光与参考光之间入射时的夹角。
S45：重复步骤S41～S44，提取每一条狭缝处待测光的谱强度和谱相位。
S5：通过对步骤S4得到的谱强度和谱相位做一维傅里叶逆变换得到光电场时域特征，由于频域与时域之间满足傅里叶变换关系，其包含的信息是相互等价的，因此此步骤可以获得待测光束光场各点光电随时间的变化，即待测光电场完整的三维时空分布。
实施例1
1、搭建如图1所示的光路，参考光与待测光口径均为12mm，透镜1和透镜2焦距分别为300mm和75mm，经过透镜1和透镜2后光束口径缩小至3mm；所用狭缝阵列相邻狭缝间隔为300um，狭缝宽度为50um；调节待测光与参考光中心位置相对延时Δτ0为4.2ps，对应的光程差为1.26mm；调节待测光与参考光之间夹角θ＝8.58°，经过缩束后夹角增大到33.40°。
2、对成像光谱仪进行标定，得到图像像素与光电场角频率ω的对应关系；对各狭缝分别进行标定，得到因狭缝位置变化导致采集到的光谱图沿ω方向整体移动的系数pi，标定结果表明各狭缝位置处pi大小基本一致，即pi不随i变化，其大小为pi＝6.800×1013rad·s-1·mm-1，表示入口处狭缝位置每移动1mm，得到的频谱图在ω域移动6.800×1013rad·s-1。
3、采集干涉图像，并对图像的ω域重新抽样，使图像像素在ω域等间隔分布；
4、将上一步采集到的图像进行二维傅里叶变换，得到二维频域图，此二维频域图中有9个一级亮斑，分别是由9条狭缝的干涉场产生的，9条狭缝对应的x坐标分别为：[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9]＝[-1.2，-0.9，-0.6，-0.3，0，0.3，0.6，0.9，1.2]mm。
5、接着对二维频域图进行滤波操作，保留第i条狭缝产生的一级亮斑；
6、将得到的滤波后的二维频域图进行二维傅里叶逆变换，变换回ω-y域，得到ω-y域的二维复数矩阵；将得到的二维矩阵沿ω域进行平移，平移距离为-pi×xi，消除成像光谱仪入口处狭缝位置偏移的影响；
7、将上一步得到的二维矩阵，记为S(ω，y)，乘以exp(-iω·Δτ(xi))，得到S′(ω，y)＝S(ω，y)·exp(-iω·Δτ(xi))此步骤目的在于消除相对延时导致的一阶色散项；
8、提取谱强度和谱相位，谱强度为S′(ω，y)的模，I(ω，y)＝|S′(ω，y)|，谱相位为S′(ω，y)的辐角，
至此得到了第i条狭缝处光场的频域信息；
9、对i第条狭缝上各位置处的频域信息做一维傅里叶逆变换，得到对应位置的时域信息I(t，y).
10、重复上述操作，将9条狭缝采样区的时域信息全部恢复，即可获得待测光完整的三维时空特征I(t，x，y)。
Claims (4)
1.一种超快激光时空耦合特性的单次测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：搭建超快激光时空耦合特性的单次测量光路；
所述光路包括：由透镜Ⅰ(1)和透镜Ⅱ(2)组成的缩束系统，缩束系统后面设置了狭缝阵列(3)，狭缝阵列(3)后面放置成像光谱仪(4)，且狭缝阵列(3)位于成像光谱仪入口处；
S2：对狭缝阵列和成像光谱仪进行标定；
S3：采集干涉图像；
将一束待测光和一束与待测光之间有夹角的参考光入射至步骤S1中搭建的光路中，两束光经过缩束系统进行缩束后，在狭缝阵列处汇合，再由成像光谱仪采集空谱干涉图像；
S4：将步骤S3采集的空谱干涉图像经过二维傅里叶变换得到二维频域图，通过频域分割傅里叶变换方法在二维频域图中每一条狭缝对应的一级亮斑中提取谱强度和谱相位；
S5：对步骤S4得到的谱强度和谱相位做一维傅里叶逆变换，获得待测光各点光电场随时间的变化，即待测光光电场完整的三维时空分布。
2.根据权利要求1所述的超快激光时空耦合特性的单次测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，对狭缝阵列和成像光谱仪进行标定，获取图像像素与光电场角频率ω的对应关系以及随着狭缝位置变化，各个狭缝采集到的光谱图像沿光电场角频率ω方向整体移动的系数pi，i表示第i个狭缝，取值为1～n，n为待测光束覆盖的狭缝数。
3.根据权利要求2所述的超快激光时空耦合特性的单次测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，进行谱强度和谱相位提取的方法如下：
S41：将步骤S3采集得到干涉图像经过二维傅里叶变换得到二维频域图，在二维频域内进行滤波，提取任意一个狭缝对应的二维频域图像的一级亮斑，所述一级亮斑是指+1级亮斑；
S42：将提取的亮斑进行二维傅里叶逆变换到ω-y域，其中，ω为光电场角频率，y为y方向，得到一个二维复数矩阵，并将得到的二维矩阵沿ω域进行平移，平移距离为-pi×xi，其中xi为第i个狭缝对应的x轴坐标；
S43：提取谱强度和谱相位，谱强度为步骤S42中二维复数矩阵中每一个复数的模；谱相位为步骤S42中二维复数矩阵中每一个复数的辐角；
S44：去除步骤S43中提取的谱相位的一阶色散，所述一阶色散为对应狭缝处待测光与参考光之间相对延迟导致的一阶色散；
S45：重复步骤S41～S44，对每一条狭缝对应的一级亮斑执行上述操作，提取谱强度和谱相位，直至获取所有狭缝处待测光的谱强度和谱相位。
4.根据权利要求3所述的超快激光时空耦合特性的单次测量方法，其特征在于，所述步骤S44中，去除谱相位一阶色散的操作为：
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