CN113758678B - 测试单次互相关器动态范围的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试单次互相关器动态范围的方法及装置。该方法将强而窄的飞秒光束与弱而宽的连续激光束合成起来构造出已知超高空间对比度的光束；在时空编码机制下，合成光束可等价为超高时域对比度的待测脉冲；其中强而窄的飞秒光束可测试由强激光损伤决定的测量上限，弱而宽的连续光束可测试由单光子探测决定的测量下限，测量上限和测量下限确定了互相关器的动态范围。该方法简洁灵活，不受待测光源本身对比度的限制，可测试单次互相关器的动态范围极限能力。

Description

测试单次互相关器动态范围的方法及其装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种测试单次互相关器动态范围的方法及装置。

背景技术

单次互相关器主要用于单发次测量超短超强激光的脉冲对比度。脉冲对比度定义为激光脉冲主峰强度与其时域前沿噪声强度的比值。脉冲对比度的单发次测量相当于对激光脉冲进行时间域的单次曝光成像，即只根据一发脉冲就要测出一定时间范围内的脉冲强度分布。单次互相关器的最关键性能参数是动态范围，它决定了能够测量的最大脉冲对比度(可测量的脉冲对比度≤仪器动态范围，如图2所示)。比如，如果一个待测脉冲的对比度为10¹⁰，那么要求单次互相关器的动态范围大于10¹⁰，否则就会带来严重的测量失真。互相关的测量上限由强激光损伤决定，测量下限由单光子探测决定，上限和下限的比值决定了近场位置探测的极限动态范围。

如何准确测试单次互相器的动态范围是一个重要技术问题，关系着仪器性能表征和实际应用需求。目前主要采用直接测试方法，即利用单次互相关器测量一个已知对比度的脉冲。这种方法对测试光源提出了非常苛刻的要求，主要有两个局限性：

第一、需要一个脉冲对比度较高、已知并可调的待测光源，这样就严重依赖于其它的脉冲对比度测量方法，因此对动态范围的测试能力也大大受限。比如，现有的对比度测量仪器(包括扫描型和单发次互相关器)的动态范围均低于10¹³，这意味着无法提供一个已知对比度高于10¹³的标准待测光源，因此无法对具有10¹³动态范围的单次互相关器进行动态范围测试。这是一个两难性问题：为测试高于10¹³的超高动态范围，就要预先具有高于10¹³的超高对比度脉冲；而为产生高于10¹³超高对比度的脉冲，就要预先具备高于10¹³超高动态范围的测量能力。

第二、要求测试光源具有足够的脉冲能量，否则无法测试单次互相关器的测量能力上限，导致得出的动态范围偏小。研制这种大能量的测试光源难度非常大。

发明内容

本发明为解决单次互相关器动态范围测试面临的上述两个难题，提出了一种利用“空域高对比度合成光束”模拟“时域高对比度脉冲”的测试方法，该方法不需要专门的测试光源，简洁灵活，易于实施。

本发明原理如下：

单次互相关测量中一束高时间对比度脉冲(横向空间强度均匀)与一束高空间对比度光束可对应相同的互相关函数(如图3所示)；利用这一特性，将强而窄的飞秒光束与弱而宽的连续激光束合成起来构造出已知超高空间对比度的光束，在单次互相关的时空编码机制下，可等价为超高时域对比度的待测脉冲；利用强而窄的飞秒光束可测试由强激光损伤决定的测量上限，利用弱而宽的连续光束可测试由单光子探测决定的测量下限，测量上限和测量下限决定了单次互相关器的动态范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于超高空间对比度合成光束的单次互相关器动态范围测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、合成具有超高空间对比度的待测光束

选取一束波长和偏振与原待测光束的波长和偏振相同的飞秒激光束，使其聚焦在互相关晶体表面形成强而窄的飞秒光束，模拟原待测光束的脉冲主峰；

选取一束波长和偏振与原待测光束的波长和偏振相同的连续激光束，且该连续激光束的横向宽度不小于待测光束的宽度，模拟原待测光束的噪声本底；

调整所述的连续激光束，使其入射在所述的互相关晶体表面，并与所述的飞秒光束的焦线合成空间高对比度的合成光，模拟一个时间高对比度的待测脉冲；

步骤二、合成光与取样光的互相关：

选取一束波长和偏振与原取样光束的波长和偏振相同的飞秒取样光束，不要求其具有高脉冲对比度；

调整所述的取样光，使其入射在所述的互相关晶体表面，与所述的合成光在所述的互相关晶体中进行非共线互相关作用；调整所述的取样光的时间延时，使取样光与合成光中飞秒光束同步到达所述的互相关晶体，产生强的互相关信号主峰，所述的取样光与合成光中的连续激光束始终时间重叠，产生弱的互相关信号本底；

调整所述的取样光与合成光束的非共线夹角，使两者在所述的互相关晶体中群速度匹配，保证取样光与合成光中的飞秒光束和连续光束有相当的作用区域；

步骤三、互相关信号的探测与分析：

提高飞秒取样光束的强度至损伤阈值附近并固定不变；

提高合成光束中的飞秒窄光束的强度至损伤阈值附近，此时产生的互相关信号主峰最强，经足够倍数衰减后被探测系统接收；

降低合成光束中的连续光束的强度，直至探测器无法有效分辨为止，此时产生的互相关信号最弱；

最强的互相关信号主峰与最弱的互相关信号本底的比值即为仪器动态范围(可测量的最高脉冲对比度)。

所述的取样光束可以是宽光束，也可以是窄光束，取决于取样光束的能量；如果取样光束能量大，那么取样光束可以是宽光束，此时仪器工作于单发次测量模式；如果取样光束能量低，那么取样光束需要变成窄光束来保证光强，此时可将取样窄光束进行横向空间扫描，依次与合成光束中的连续宽光束与飞秒窄光束进行互相关作用；

所述的互相关过程可以是和频、差频、光参量放大等非线性频率转换过程；

实施上述测试方法的装置，其特征包括待测飞秒激光束，柱透镜，飞秒光束的焦线，取样光束，连续激光束，合束片，互相关晶体，互相关信号主峰，互相关信号本底，并行探测系统；

所述的互相关信号的空间并行探测系统是配有光纤阵列接口的光电倍增管，或者是其它具备空间并行探测能力的器件(比如CCD、CMOS等)；

与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：1)不需要脉冲能量大且对比度已知的测试光源；2)测试能力强，调整合成光束的空间对比度，原则上可测试任意动态范围的单次互相关器；3)将仪器测量能力的上限和下限分开测试，简洁灵活，易于实施；4)可测试单次互相关器由强激光损伤和单光子探测决定的动态范围极限。

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为基于“超高空间对比度合成光束”的单次互相关器动态范围测试装置示意图。

图2为脉冲对比度与仪器动态范围的关系示意图。

图3为测试原理示意图，其中a为时域单次互相关原理示意图，b为空域互相关原理示意图，c为合成的空间高对比度光束。

图4为本发明实施例之一的单次互相关器和待测光源的光路示意图。

图5为本发明实施例之一的利用超高空间对比度合成光束方法对单次互相关器动态范围的测试结果。

图6为本发明实施例之一的利用超高空间对比度合成光束方法对单次互相关器单光子探测能力的测试结果，其中a为连续激光功率为3.5mW/cm²时随机记录的5000发示波器信号，b为连续激光功率为40mW/cm²时随机采集的5000发示波器信号，c为a图对应的每发次探测到的光子数的统计直方图，d为b图对应的每发次探测到的光子数的统计直方图(其中第一个堆栈包含有3878发次，为显示清楚特意除以了一个因子20)。

图7为本发明实施例之一的利用高时间对比度测试光源对单次互相关器动态范围的测试结果。

其中，1——待测飞秒激光束，2——柱透镜，3——飞秒光束的焦线，4——取样光束，5——连续激光束，6——合束片，7——互相关晶体，8——互相关信号主峰，9——互相关信号本底，10——并行探测系统。

具体实施方式

图3给出了本发明实施例的技术原理：如图3(a)所示，时域单次互相关器的待测光束是一个光束横向强度均匀的超快脉冲I(t)，与横向强度均匀的取样光束发生非共线互相关作用，形成时间到空间的编码效应，即I(t)可由互相关函数

来表示，其中τ是待测光束与取样光束之间的时间延迟；如图3(b)所示，如果待测光束变为具有高空间对比度的光束I(ξ)，那么此时的互相关函数变为

因此一束高时间对比度的脉冲(横向空间强度均匀)I(t)与一束高空间对比度的光束I(ξ)可对应相同的互相关函数，这是本发明测试方法的技术基础；如图3(c)所示，将强而窄的飞秒光束与弱而宽的连续激光束合成起来构造出已知超高空间对比度的光束，在单次互相关的时空编码机制下，可等价为超高时域对比度的待测脉冲，用于测试单次互相关器的动态范围。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种利用“合成空间高对比度光束”模拟“时域高对比度脉冲”的单次互相关器动态范围的测试装置，其构成包括：飞秒激光束1经柱透镜2聚焦至互相关晶体7的表面，形成一条飞秒光束的焦线3；连续激光束5经合束片6反射后沿着飞秒光束1的方向入射至互相关晶体7的表面，与飞秒光束的焦线3形成合成空间高对比度光束；合成光束与取样光束4在互相关晶体7内进行非共线互相关作用，其中飞秒光束的焦线3与取样光束4作用产生互相关信号主峰9，连续激光束5与取样光束4作用产生互相关信号本底8；产生的互相关信号被并行探测系统10接收测量。

下面介绍一个应用实施例：

拟测试的单次互相关器如图4所示：仪器入射光束为1054nm，先经过一块4mm厚的β-BBO晶体进行倍频，后经双色分束片反射后，产生527nm的干净取样光，入射至互相关晶体；剩余的1054nm待测脉冲经过一个半波片调整偏振方向后也入射至互相关晶体，与取样光发生非共线和频作用，两者在晶体内的非共线夹角为13.8°；互相关过程采用I类和频，晶体为38×10×2mm³的β-BBO晶体，切割角度为36.5°；待测光束与取样光束的横向强度均匀，均覆盖整个互相关晶体；产生的351nm相关信号，横向宽度为38mm；先后经过焦距为100mm的成像柱透镜和焦距为30mm的聚焦柱透镜后耦合进光纤阵列(横向宽度约12.5mm)；光纤阵列包括100根不同长度的紫外光纤，从第1根到第100根长度依次递增1m；光线集束输出的信号为100个相邻时间间隔为5ns的时间串行信号；探测器采用光电倍增管(H0721-113，日本滨松)；光纤阵列中不同光纤通道配置有不同大小的光纤衰减器，调整各通道信号处于光电倍增管的响应区间；在光纤集束与光电倍增管之间有两片351nm的窄带滤波片，用于消除1054nm待测光与527nm取样光的空间杂散光对测量的干扰；光电倍增管输出信号输入到示波器进行分析。

利用超高空间对比度合成光束方法对图4所示单次互相器动态范围的测试过程：首先采用一束强而窄的飞秒激光与一束弱而宽的连续激光合成一束高空间对比度的测试光束；一台钛宝石激光泵浦的飞秒光参量放大(OPA)装置(OPerA SOLO,Coherent)产生330μJ、50fs、2108nm的飞秒激光，该激光经过一块1mm厚的LiNbO₃晶体倍频后，转换成120μJ的1054nm飞秒激光；连续光束来自于一台单频连续光纤激光器(Rock single-frequencylaser,NP Photonics)，波长为1054nm；一维扩束的连续光束(W_x＝38mm)与一维聚焦的飞秒光束(W_x＝0.38mm)在互相关晶体表面合成为高空间对比度的测试光束；飞秒光束在晶体表面的光强约为30GW/cm²，已经接近了晶体损伤阈值；取样光束进行一维缩束(W_x＝0.38mm)，其光强约为60GW/cm²；将取样光从互相关晶体一侧到另一侧进行空间扫描，依次与合成光束进行互相关作用；逐渐降低连续光束的强度直至示波器上的读数无法正确分辨，此时对应的连续激光强度为3.5mW/cm²；测量结果如图5所示，强的飞秒激光强度与弱的连续激光强度比值约为0.85×10¹³，这即是该互相关器的动态范围极限。

利用超高空间对比度合成光束方法对图4所示单次互相器的单光子探测能力的检验过程：强度为3.5mW/cm²的连续激光对应的示波器电压读数为3.1mV，按照光电倍增管性能参数计算，此时约有一个光子到达光电倍增管；单光子探测伴随着强烈的散粒噪声，如果能测出散粒噪声，那么就可以证明该互相关器的单光子探测能力；当连续激光的强度为3.5mW/cm²时，采集了5000发示波器数据并进行了统计分析，如图6(a)和6(c)所示，可以看出不同发次之间的数据波动高达250％，这是典型的单光子探测伴随的散粒噪声特征；当提高连续激光强度至40mW/cm²时，示波器读数升至33mV，图6(b)和6(d)给出了此时的5000发示波器信号，可以看出信号的波动明显变小，这显示散粒噪声也在随之减小。

利用传统高对比度脉冲方法对图4所示单次互相器的动态范围测试过程，以及与本发明方法的对比：利用图4所示单次互相关器直接测量一个具有超高对比度(理论预期>10¹³)的待测脉冲，验证动态范围是否可以达到上述方式测试的0.85×10¹³；测试光源由一个2108nm的光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统经过倍频后得到，倍频过程的对比度净化功能使得1054nm倍频激光具备高于10¹³的对比度；2108nm OPCPA的泵浦系统包括上述连续光纤激光源、2ns的波导调制器、10Hz的Nd:YLF再生放大器和一个单次运行的三级钕玻璃放大系统；放大晶体采用一块22mm厚的LiNbO₃晶体，泵浦强度为1GW/cm²；飞秒OPA输出的2108nm种子光先展宽至1.5ns，然后经OPCPA放大至80mJ，最后压缩至300fs，30mJ；OPCPA输出的2108nm激光经过一块4mm厚的β-BBO晶体倍频后，产生10mJ的1054nm测试激光；将图4所示的单次互相关器中的β-BBO晶体的切割角度由36.5°增大至61°，将待测光束与取样光束的非共线夹角由13.8°提高至33.6°，这样可以将单次测量窗口由50ps增大至约120ps；利用该单次互相器测量测试光源的对比度，测量结果见图7；直接进行全窗口单发次测量时，动态范围仅为3×10¹⁰，这主要是待测光光强低于损伤阈值太多；为了检验互相关器的动态范围极限，将待测激光进行一维5：1缩束，使其光强提高至50GW/cm²，此时单发次测量窗口由120ps减小至24ps；为了完成全窗口测量，连续进行了6发次测量，每一发次测量后待测光的延迟依次往后调整20ps，相邻发次的时间窗口之间约有4ps的时间重叠区，以便对不同发次结果进行归一化；6发次拼接测量结果显示该单次互相关器的动态范围可达0.5×10¹³，与利用本发明测试方法给出的动态范围0.85×10¹³非常接近，证明了本发明方法的有效性和准确性。

Claims (6)

1.一种测试单次互相关器动态范围的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、合成具有高空间对比度的待测光束

选取一束波长和偏振与原待测光束的波长和偏振相同的飞秒激光束，使其聚焦在互相关晶体表面形成强而窄的飞秒光束，模拟原待测光束的脉冲主峰；

选取一束波长和偏振与原待测光束的波长和偏振相同的连续激光束，且该连续激光束的横向宽度不小于原待测光束的宽度，模拟原待测光束的噪声本底；

调整所述的连续激光束，使其入射在所述的互相关晶体表面，并与所述的飞秒光束的焦线合成空间高对比度的合成光束，模拟一个时间高对比度的待测脉冲；

步骤二、合成光束与取样光束的互相关：

选取一束波长和偏振与原取样光束的波长和偏振相同的取样光束；

调整所述的取样光束，使其入射在所述的互相关晶体表面，与所述的合成光束在所述的互相关晶体中进行非共线互相关作用；调整所述的取样光束的时间延时，使取样光束与合成光束中飞秒光束同步到达所述的互相关晶体，产生强的互相关信号主峰，所述的取样光束与合成光束中的连续激光束始终时间重叠，产生弱的互相关信号本底；

调整所述的取样光束与合成光束的非共线夹角，使两者在所述的互相关晶体中群速度匹配，保证取样光束与合成光束中的飞秒光束和连续激光束有相当的作用区域；

步骤三、互相关信号的探测与分析：

提高取样光束的强度至损伤阈值附近并固定不变；

提高合成光束中的飞秒窄光束的强度至损伤阈值附近，此时产生的互相关信号主峰最强，经足够倍数衰减后被探测系统接收；

降低合成光束中的连续激光束的强度，直至探测器无法有效分辨为止，此时产生的互相关信号最弱；

最强的互相关信号主峰与最弱的互相关信号本底的强度比值即为所述单次互相关器的动态范围。

2.根据权利要求1所述的测试单次互相关器动态范围的方法，其特征在于取样光束是宽光束，或窄光束，取决于取样光束的能量；如果取样光束能量大，那么取样光束是宽光束，此时所述单次互相关器工作于单发次测量模式；如果取样光束能量低，那么取样光束需要变成窄光束来保证光强，此时可将取样窄光束进行横向空间扫描，依次与合成光束中的连续激光束与飞秒窄光束进行互相关作用。

3.根据权利要求1所述的测试单次互相关器动态范围的方法，其特征在于互相关过程是和频、差频或光参量放大非线性频率转换过程。

4.根据权利要求1所述的测试单次互相关器动态范围的方法，其特征在于所述的损伤阈值为10-1000GW/cm²。

5.一种实施权利要求1-4任一所述的测试单次互相关器动态范围的方法的测试装置，其特征在于，包括柱透镜(2)、互相关晶体(7)、合束片(6)和空间并行探测系统(10)；

待测光束(1)经所述的柱透镜(2)聚焦至所述的互相关晶体(7)的表面，形成强而窄的飞秒光束；

连续激光束(5)经所述的合束片(6)反射后沿着待测光束(1)的传输方向入射至所述的互相关晶体(7)的表面，与所述的飞秒光束在所述的互相关晶体(7)表面的焦线(3)合成为空间高对比度的合成光束；

取样光束(4)入射至所述的互相关晶体(7)的表面，并与所述的合成光束进行非共线互相关作用，其中，所述的飞秒光束的焦线(3)与取样光束(4)作用产生互相关信号主峰(9)，连续激光束(5)与取样光束(4)作用产生互相关信号本底(8)；产生的互相关信号被空间并行探测系统(10)接收测量。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述的空间并行探测系统(10)是CCD、CMOS、或者配有光纤阵列接口的光电倍增管。

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