CN114114217B - 基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置，包括分光镜、扫描脉冲发生器、反射镜组、空间光调制器、反射镜、第一成像透镜、互相关晶体、第二成像透镜、科学级相机、图像处理单元和信号调制单元。本发明基于振幅型空间光调制器，在微米级空间单元内实现动态范围106的信号强度衰减，然后基于单次相关过程的时空变换过程，在飞秒级时间单元内实现等效动态范围106的信号强度衰减；基于高动态范围科学级相机实现动态范围104信号的采集处理，与空间光调制器进行精密协同工作，可以实现动态范围1010的信噪比测量，以及信噪比测量装置的远程自动化调控。
Description
技术领域
本发明涉及超短激光脉冲的参数诊断，是用于超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置，具体是一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置。
背景技术
超短脉冲的信噪比是超短超强激光装置中的一项重要参数。随着激光技术的发展，激光焦斑的可聚焦功率密度能够达到1020W/cm2或者更高，其噪声也随之升高。当该聚焦光斑用于等离子体物理、激光与物质相互作用等相关物理实验时，希望前沿噪声的聚焦功率密度小于1012W/cm2，以避免前沿噪声与物质产生预等离子体，影响后续激光主脉冲与物质的相互作用。采用信噪比来评估该项技术指标时，定义为主脉冲的强度与前沿噪声的强度的比值。即要求超短脉冲的信噪比＞108。
在自相关仪的相关专利技术方面，西安光机所的王向林在2012年基于光克尔透镜效应和啁啾脉冲特性，申请了光栅波前倾斜的单次信噪比测量方法的专利(CN103063315A)。该方法的缺点是，光栅波前倾斜方法会引入光谱宽度相关的角色散和空间啁啾，从而增加了测量误差。
西安光机所的刘红军在2014年基于法布里-帕罗腔内多次反射原理，申请了产生脉冲序列的单次信噪比测量方法的专利(CN104075815A)。该方法的缺点是，法布里-帕罗结构的双面反射镜产生的脉冲序列，其测量结果的时间分辨率受限于双面反射镜的厚度，调节难度大。
上海复旦大学的钱列加在2008年申请了基于光纤阵列的单次信噪比测量方法的专利(CN101750155A)。上海通大学的钱列加在2011年申请了基于非谐波长波长取样光的单次信噪比测量方法的专利(CN102175334A)，同年还申请了基于准相位匹配的激光脉冲高保真度信噪比单次测量方法的专利(CN102426062A)。钱列加还在2017年申请了时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法的专利(CN104089710A)。这几个专利的共同特点，是互相关检测光路采用了基于光纤阵列和光电倍增管的信噪比测量方案，其衰减调节方式为，首先采用100个左右、不同倍率光纤衰减器，以手工方式将其逐个安装到光纤阵列中对应的100根光纤通道上，然后观察光电倍增管输出到示波器上的100根光纤信号的幅度，最后分析处理得到信噪比测量曲线。这方法的缺点是，手工更换和调整100根光纤衰减倍率的工作方式，限制了不同激光脉冲的多种噪声测量需求的适应性，因此其工程应用场景下的调节难度很大。
上海光学精密机械研究所的欧阳小平在2019年申请了基于台阶反射镜和衰减累积单元的一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置的专利(CN109900359A)。该方法的缺点是，衰减累积单元为普通的小尺寸衰减片的组合，一方面现有加工工艺限制了元件尺寸，从而限制了互相关过程的时间分辨率，增加了测量误差；另一方面它的安装和调节存在很大困难，现有的调节机构既无法满足多个衰减片组合工作的精度要求，也无法实现远程电控调节和自动化改造。
发明内容
本发明所要解决的问题，是针对现有高动态范围信噪比测量技术方案中的光纤衰减调节困难，提供高动态范围电控衰减和集成测量的解决方案，满足工程化和仪器化的应用技术需求。一方面，它基于振幅型空间光调制器，在微米级空间单元内实现动态范围106的信号强度衰减，再结合单次相关过程的时空变换过程，在飞秒级时间单元内实现等效动态范围106的信号强度衰减。另一方面，它基于高动态范围科学级相机实现动态范围104信号的采集处理。这两方面的组合使用效果可以实现动态范围1010的信噪比测量，以及信噪比测量装置的远程自动化调控，满足工程化和仪器化的应用需求。
本发明的技术解决方案是：
一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置，其特点在于，包括分光镜、扫描脉冲发生器、反射镜组、空间光调制器、反射镜、第一成像透镜、互相关晶体、第二成像透镜、科学级相机、图像处理单元和信号调制单元；
被测脉冲经所述的分光镜分为反射光束和透射光束，所述的反射光束经所述的扫描脉冲发生器中二倍频晶体转换为扫描脉冲，经反射镜组反射后，入射到所述的互相关晶体上；所述的透射光束经所述的空间光调制器调制后，依次经所述的反射镜和第一成像透镜后入射到所述的互相关晶体上；
两束光经所述的互相关晶体产生互相关信号，经第二成像透镜透射后，入射到所述的科学级相机转换为数字图像数据，由所述的图像处理单元接收并处理，得到信噪比测量的初步结果；所述的图像处理单元将需要的时间衰减量变换为空间衰减量，经信号调制单元反馈给空间光调制器；所述的科学级相机和图像处理单元(16)再次采集并处理，最后得到信噪比测量的最终结果。
所述的分光镜包括但不限于反射率R＝50±10％的反射镜或分光棱镜。
所述的扫描脉冲发生器包括但不限于BBO、LBO、LNO3、KDP、DKDP和YCOB等非线性晶体。
所述的空间光调制器包括但不限于光寻址型、电寻址型、振幅型、相位型、透射式、反射式等空间光调制器。
所述的互相关晶体包括但不限于BBO、LBO、LNO3、KDP、DKDP和YCOB等非线性晶体。
所述的科学级相机包括但不限于CCD相机、CMOS相机、ICCD相机、EMCCD相机和光电倍增管(PMT)阵列等二维探测器件。
所述的图像处理单元包括但不限于计算机、工控机或图形工作站。
本发明的工作步骤为：
1)将被测脉冲输入到该信噪比测量装置中，在空间光调制器空闲状态下，科学级相机采集得到信噪比测量的初步图像，图像处理单元根据单次互相关过程中时空变换关系(参见图2)可以得到信噪比测量的初步结果。
2)分析得到信噪比测量的初步结果中的饱和信号对应的时间位置，结合单次互相关过程中时空变换关系(参见图2)，将其标识出来并换算为空间位置，发送给信号调制单元。
3)信号调制单元将空间光调制器8中对应的空间位置设置合适的衰减倍率，同时观察并确认科学级相机中信噪比测量的初步图像消除了饱和信号。
4)图像信号处理单元将信噪比测量的调制后图像中的空间信号乘上对应的衰减倍率，得到信噪比测量的恢复图像。
5)图像信号处理单元根据单次互相关的时空变换函数关系，将信噪比测量的恢复图像转换为时间信号，即可得到信噪比测量的最终结果。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
(1)基于振幅型空间光调制器，能够在微米级空间单元内实现动态范围106的信号强度衰减的远程自动化调控；
(2)基于单次相关过程的时空变换过程，能够在飞秒级时间单元内实现等效动态范围106的信号强度衰减的远程自动化调控；
(3)基于高动态范围科学级相机实现动态范围104信号的采集处理，与空间光调制器进行精密协同工作，可以实现动态范围1010的信噪比测量，以及信噪比测量装置的远程自动化调控。
(4)能够实现皮秒窗口信噪比测量装置的远程自动化调控，满足仪器化研制目标和工程应用场景需求。
附图说明
图1是本发明一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置的实施例1结构简图。
图2是一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置中时间和空间变换函数关系的示意图。
图3是本发明一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置中被测脉冲的原始信噪比及其时间微元示意图。
图4是本发明一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置中被测脉冲的调制后信噪比及其时间微元示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置实施例1的结构简图。被测脉冲1首先入射到分光镜2。分光镜2上的反射部分进入扫描脉冲发生器3，被其中的二倍频晶体转换为扫描脉冲4。扫描脉冲4再经过反射镜一5、反射镜二6和反射镜三7，入射到互相关晶体12上。分光镜2上的透射部分首先经过空间光调制器8，得到调制后脉冲9。调制后脉冲9经过反射镜四10、成像透镜一1，也入射到互相关晶体12上。互相关晶体12上产生的互相关信号13，经过成像透镜二14入射到科学级相机15，再转换为数字图像数据进入图像处理单元16。图像处理单元16经过分析得到信噪比测量的初步结果。图像处理单元16将需要的时间衰减量变换为空间衰减量，经过信号调制单元17，反馈给空间光调制器8，科学级相机15和图像处理单元16再次采集并处理，最后得到信噪比测量的最终结果。
基于时空微元调控的信噪比测量工作方式请参见附图2、附图3和附图4。在附图2中描述了单次相关过程基本原理，发生相关作用的两束激光脉冲以非共线夹角Φ入射到互相关晶体12上。激光脉冲传输中，激光横截面上的坐标轴为x，互相关晶体横截面上的坐标轴为y，激光传输方向坐标轴为z。考虑到光速为c，可以得到单次相关过程中的时间分辨率ρ为
考虑到这里的x通常为微米级，因此时间分辨率为飞秒级。例如，空间光调制器8的技术参数为，单元数720×720，单元尺寸为25um，单次相关非共线夹角Φ为60°，因此时间分辨率为83fs/单元，对应的空间分辨率为25um/单元。并且单元数720对应的时间窗口为60ps。
从公式(1)可以发现，在单次相关过程中可以通过调控微米级(25um)空间单元内的信号，间接调控飞秒级(83fs)时间单元内的信号，并且可调控的时间窗口为60ps.这个方法即为本发明所阐述的基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量技术。
在附图3中给出了被测脉冲的原始信噪比结果的一个参考例子，它的动态范围为1010，在主脉冲之前-t1和-t2位置分别有2个预脉冲。基于时空微元分析方法，可以将该信噪比结果在时间上划分为飞秒级的多个单元。
当空间光调制器8处于空闲状态时，该高动态范围信噪比测量结果将使得动态范围104的科学级相机大部分区域饱和。基于图像处理单元16设置饱和区域对应的衰减倍率，将其通过信号调制单元17发送给空间光调制器8。单个空间光调制器的最大隔离比为1000：1，即动态范围103。为了达到106的动态范围，需要采用两级结构的空间光调制器。科学级相机15的技术参数为，分辨率1024×1024(大于空间光调制器单元数)，灰度16位(65536)，即动态范围6.5×104。考虑本底噪声和冗余度，选取1×104。所以空间光调制器8和科学级相机15组合使用的动态范围可以达到1010。
通过空间光调制器8首先将附图3中原始信噪比结果中强度＞104的信号，基于图像处理单元16得到的信噪比测量初步结果，进行微米级空间单元的逐个独立精密衰减；接着在互相关晶体12中，调制后脉冲9与扫描脉冲4进行相互作用，实现飞秒级时间单元的逐个独立精密衰减，从而得到调制后的互相关信号；然后通过科学级相机15和图像处理单元16采集调制后的互相关信号；最后根据空间调制器8中每一个空间单元的衰减倍率，换算为每一个时间单元的衰减倍率，乘上图像分析得到的信噪比数据，从而得到信噪比测量的最终结果。
综上，通过采用基于时空微元调控技术的皮秒窗口信噪比测量装置，不仅可以实现动态范围1010的信噪比测量，而且依托于空间光调制器8的信号调制单元17，该信噪比测量装置在使用过程中可以实现远程自动化调控。
Claims (4)
1.一种基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置，其特征在于，包括分光镜(2)、扫描脉冲发生器(3)、反射镜组、空间光调制器(8)、反射镜(10)、第一成像透镜(11)、互相关晶体(12)、第二成像透镜(14)、科学级相机(15)、图像处理单元(16)和信号调制单元(17)；
被测脉冲(1)经所述的分光镜(2)分为反射光束和透射光束，所述的反射光束经所述的扫描脉冲发生器(3)中二倍频晶体转换为扫描脉冲(4)，经反射镜组反射后，入射到所述的互相关晶体(12)上；所述的透射光束经所述的空间光调制器(8)调制后，依次经所述的反射镜(10)和第一成像透镜(11)后入射到所述的互相关晶体(12)上；
两束光经所述的互相关晶体(12)产生互相关信号(13)，经第二成像透镜(14)透射后，入射到所述的科学级相机(15)转换为数字图像数据，由所述的图像处理单元(16)接收并处理，得到信噪比测量的初步结果；所述的图像处理单元(16)将需要的时间衰减量变换为空间衰减量，经信号调制单元(17)反馈给空间光调制器(8)；所述的科学级相机(15)和图像处理单元(16)再次采集并处理，最后得到信噪比测量的最终结果。
2.根据权利要求1所述的基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置，其特征在于，所述的空间光调制器(8)放置于所述的分光镜(2)的透射光束的传输方向，通过调控微米级空间单元的信号强度衰减，结合单次相关过程中时空变换关系，实现飞秒级时间单元的信号强度衰减的远程自动化调控。
3.根据权利要求1或2所述的基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置，其特征在于，所述的空间光调制器为光寻址型、电寻址型、振幅型、相位型、透射式、反射式的空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的基于时空微元调控的皮秒窗口信噪比测量装置，其特征在于，所述的反射镜组由第一反射镜(5)、第二反射镜(6)和第三反射镜(7)组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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