CN114279579A - 光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，包括耦合单元、缩束单元、半波片、第一分光镜、第一衰减片、第一测量透镜、第一探测器、组合式晶体、第二分光镜、第二衰减片、第二测量透镜、第二探测器、第三分光镜、反射镜、第三测量透镜、第三探测器、第四测量透镜、光纤耦合器、传输光纤、光学放大器、第四探测器、高速示波器、数据处理单元。光学放大器提升了第四探测器的灵敏度和极限测量能力，组合式晶体保证了第二、三、四探测器均能在高功率激光脉冲(1.7×109W@1.7mJ@1ps)作用下正常工作而不损坏，从而提供了测量装置高动态范围扩展的可行性。第一、二、三、四探测器能分别实现(109,1012)、(106,109)、(103,106)、(100,103)动态范围测量，同时实现1012的准确完备的高动态范围测量。
Description
技术领域
本发明涉及超短激光脉冲的参数诊断，是一种适用于高功率纳秒、皮秒及飞秒脉冲的高动态范围信噪比测量装置。
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。
西安光机所贺俊芳在2012年申请单次激光信噪比探测装置的专利(CN103048053B)，其在快门光的光路中设置了缩束器，并去掉了信号光光路上的单脉冲延迟器，使得快门光对信号光进行空间上的扫描取样，时间上是连续的。由光克尔响应和弛豫时间短的面阵探测器对光脉冲进行探测。
上海光机所范薇在2017年申请的脉冲激光信噪比检测装置的专利(CN107830938A)，基于光纤分束器、光纤延迟器和双极电光调制器，可以实现105(50dB)的动态范围。该方案的不足之处，一方面在于光纤的损伤阈值限制了动态范围的进一步提升，另一方面在于仅有一个光电探测器限制了时间分辨能力。
上海光机所颉秋寒在2017年申请的纳秒脉冲光信噪比测量装置专利(CN108007583A)，基于分束镜、损伤防护板，可以实现108的动态范围。该方案的不足之处，一方面在于损伤防护板为消耗性材料，需要频繁更换；另一方面在于动态范围还不够高，无法满足下一代高功率激光器的更高动态范围测试需求。
上海光机所欧阳小平在2019年申请的用于超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置专利(CN110132432A)，基于组合式非线性晶体和校准单元，可以提升高动态范围信噪比测量中的光电探测器寿命和时间响应特性。该方案的不足之处在于，没有具体的动态范围提升方案用于满足≥1010的高动态范围测量需求。
发明内容
本发明所要解决的问题，是前期已有的基于光电探测器并联工作方式的信噪比测量技术方案无法实现动态范围的进一步提升的困难。
本发明的技术解决方案是：
建立一种新型的高动态范围信噪比测量装置，其构成包括第一耦合镜、第二耦合镜、缩束主透镜、缩束负透镜、半波片、第一分光镜、第一衰减片、第一测量透镜、第一探测器、组合式晶体、第二分光镜、第二衰减片、第二测量透镜、第二探测器、第三分光镜、反射镜、第三测量透镜、第三探测器、第四测量透镜、光纤耦合器、传输光纤、光学放大器、第四探测器、高速示波器、数据处理单元。
该信噪比测量装置的特点在于，(1)基于光学放大器对此前探测器探测不到的微弱噪声进行了1000倍的放大，以达到可测量出的值，同时由于放大器的饱和增益现象，保证较大噪声和主脉冲不至于损坏探测器，有效提升了第四探测器的灵敏度和极限测量能力，从而提供了测量装置的高动态范围向下扩展的可行性。(2)基于缩束单元(缩束主透镜和缩束负透镜)、半波片以及组合式晶体，保证了第二探测器、第三探测器和第四探测器均能够在高功率激光脉冲(1.7×109W@1.7mJ@1ps)作用下正常工作而不损坏，从而提供了测量装置的高动态范围向上扩展的可行性。(3)基于第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器通过提高对微弱噪声信号的探测，可以分别实现(109,1012)、(106,109)、(103,106)、(100,103)的动态范围测量，从而通过集中采集和分析处理能够同时实现1012的准确完备的高动态范围测量。
上述元器件的位置关系如下：被测脉冲首先入射到第一耦合镜和第二耦合镜，接着入射经过缩束主透镜和缩束负透镜组成的缩束单元，再经过半波片入射到第一分光镜。第一分光镜上的透射部分，经过第一衰减片和第一测量透镜，进入第一探测器，用于主脉冲的测量。第一分光镜上的反射部分，经过组合式晶体入射到第二分光镜。第二分光镜上的透射部分，经过第二衰减片和第二测量透镜，进入第二探测器，用于主脉冲之前的较大噪声的测量。第二分光镜上的反射部分，经过第三分光镜、反射镜和第三测量透镜，进入第三探测器，用于主脉冲之前的较小噪声的测量。第三分光镜上的透射部分，经过第四测量透镜、光纤耦合器、传输光纤和光学放大器，进入第四探测器，用于主脉冲之前的微弱噪声的测量。第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器的输出信号，一起传输到高速示波器中并转换为数字信号，最后进入数据处理单元。
所述的光学放大器为光纤放大器、棒状放大器、片状放大器等光学放大器件。
所述的第一分光镜、第二分光镜为透射率T≤0.1％的分光镜。
所述的第三分光镜为反射率R＝50％±20％的分光镜。
所述的反射镜为反射率≥95％的反射镜。
所述的组合式晶体为针对皮秒和飞秒脉冲的BBO、LBO、LNO3、KDP、DKDP、KTP、YCOB等非线性晶体或者针对纳秒脉冲的电光开关。
所述的光电探测器为快响应光电管、二极管等基于光电效应的探测器件。
所述的数据处理单元为数据采集卡、数字示波器、计算机、工控机或图形工作站等单个或组合式部件。
本发明的工作步骤为：
1)将高功率的被测脉冲经过第一耦合反射镜和第二耦合反射镜导入该测量装置。
2)被测脉冲经过缩束主透镜和缩束负透镜组成的缩束单元，光束直径缩小5倍左右，功率密度提升25倍左右，用于组合式晶体上的高效率二次谐波转换，实现后续光路中第二探测器、第三探测器和第四探测器的损伤防护。
3)调节半波片的角度，用于组合式晶体上的高效率二次谐波转换，实现后续光路中第二探测器、第三探测器和第四探测器的损伤防护。
4)在第一探测器前设置高倍率(≥103)的第一衰减片，使其总衰减倍率≥106。第一探测器用于主脉冲的准确测量，动态范围工作区间为(109,1012)。
5)在第二探测器前设置低倍率的第二衰减片。此处主脉冲衰减倍率为组合式晶体、分光镜和第二衰减片的倍率乘积，前沿噪声衰减倍率为分光镜和第二衰减片的倍率乘积。第二探测器用于前沿噪声中较大噪声的准确测量，动态范围工作区间为(106,109)。
6)分光镜上反射部分，进入第三探测器，用于前沿噪声中较小噪声的准确测量，动态范围工作区间为(103,106)。
7)分光镜上透射部分，经过光学放大器后进入第四探测器，用于前沿噪声中微弱噪声的准确测量，动态范围工作区间为(100,103)。
8)第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器的测量信号经过高速示波器和数据处理单元，集中分析处理之后得到最终1012的高动态范围信噪比测量结果。
本发明的技术效果为，能够在不显著增加被测脉冲能量的前提下，通过提高灵敏度和极限测量能力的方法大幅度提升测量装置的动态范围，从而提供1012的准确完备的高动态范围测量技术的有效解决方案。
本发明的特点是：
(1)基于光学放大器可以对此前探测器探测不到的微弱噪声进行了1000倍放大，达到可测量出的值，同时由于放大器的饱和增益现象，保证较大噪声和主脉冲不至于损坏探测器，有效提升了第四探测器的灵敏度和极限测量能力，从而提供了测量装置的高动态范围向下扩展的可行性。
(2)基于缩束单元(缩束主透镜和缩束负透镜)、半波片以及组合式晶体，保证了第二探测器、第三探测器和第四探测器均能够在高功率激光脉冲(1.7×109W@1.7mJ@1ps)作用下正常工作而不损坏，从而提供了测量装置的高动态范围向上扩展的可行性。
(3)基于第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器通过提高对微弱噪声信号的探测，可以分别实现(109,1012)、(106,109)、(103,106)、(100,103)的动态范围测量，从而通过集中采集和分析处理能够同时实现1012的准确完备的高动态范围测量。
附图说明
图1是本发明一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置的实施例1结构简图。
图2是本发明一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置中4个探测器的电压测量范围以及对应动态范围的原理示意图。
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是本发明一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置的实施例1的结构简图。
被测脉冲首先入射到第一耦合镜1和第二耦合镜2，接着入射经过缩束主透镜3和缩束负透镜4组成的缩束单元，再经过半波片5入射到第一分光镜6。第一分光镜6上的透射部分，经过第一衰减片7和第一测量透镜8，进入第一探测器9，用于主脉冲的测量。第一分光镜6上的反射部分，经过组合式晶体10入射到第二分光镜11。第二分光镜11上的透射部分，经过第二衰减片12和第二测量透镜13，进入第二探测器14，用于主脉冲之前的较大噪声的测量。第二分光镜11上的反射部分，经过第三分光镜15、反射镜16和第三测量透镜17，进入第三探测器18，用于主脉冲之前的较小噪声的测量。第三分光镜15上的透射部分，经过第四测量透镜19、光纤耦合器20、传输光纤21和光学放大器22，进入第四探测器23，用于主脉冲之前的微弱噪声的测量。第一探测器9、第二探测器14、第三探测器18、第四探测器23的输出信号，一起传输到高速示波器24中并转换为数字信号，最后进入数据处理单元25。
当入射脉冲的能量为1.7mJ，脉宽为1ps时，功率为1.7×109W。该高动态范围信噪比测量装置的具体工作步骤如下：
1)将功率1.7×109W的高功率被测脉冲经过第一耦合反射镜1和第二耦合反射镜2导入该测量装置。探测器的灵敏度为0.6mV/W，预期产生的电压为1×109mV。
2)被测脉冲经过缩束主透镜3和缩束负透镜4组成的缩束单元，光束直径缩小5倍左右，功率密度提升25倍左右，用于组合式晶体10上的高效率二次谐波转换，实现后续光路中第二探测器14、第三探测器18和第四探测器23的损伤防护。
3)调节半波片5的角度，用于组合式晶体10上的高效率二次谐波转换，实现后续光路中第二探测器14、第三探测器18和第四探测器23的损伤防护。
4)在第一探测器9前设置高倍率(≥103)的第一衰减片7，使其总衰减倍率≥106。此时第一探测器9的输出电压将介于(1mV，103mV)之间，属于高速示波器24的正常工作区间，能够得到准确可靠的电压测量结果V1。该电压测量结果用于主脉冲的准确测量，对应的动态范围工作区间为(109,1012)，对应被测脉冲理论电压范围(1×106mV,1×109mV)。
5)在第二探测器前设置第二衰减片12。此处主脉冲衰减倍率为组合式晶体10、分光镜11和第二衰减片12的倍率乘积，前沿噪声衰减倍率为分光镜11和第二衰减片12的倍率乘积，即≥103。此时第二探测器14的输出电压也将介于(1mV，103mV)之间，属于高速示波器24的正常工作区间，能够得到准确可靠的电压测量结果V2。该电压测量结果用于前沿噪声中较大噪声的准确测量，动态范围工作区间为(106,109)，对应被测脉冲理论电压范围(1×103mV,1×106mV)。
6)分光镜15上反射部分，进入第三探测器18。此处仅仅有组合式晶体10产生的主脉冲衰减，前沿噪声没有衰减。此时第三探测器18的输出电压也将介于(1mV，103mV)之间，属于高速示波器24的正常工作区间，能够得到准确可靠的电压测量结果V3。该电压测量结果用于前沿噪声中较小噪声的准确测量，动态范围工作区间为(103,106)，对应被测脉冲理论电压范围(1×100mV,1×103mV)。
7)分光镜15上透射部分，经过光学放大器22后进入第四探测器23。此处仅仅有组合式晶体10产生的主脉冲衰减。前沿噪声不仅没有衰减，并且还有光学放大器22提供的1000倍增益。此时第四探测器23的输出电压也将介于(1mV，103mV)之间，属于高速示波器24的正常工作区间，能够得到准确可靠的电压测量结果V4。该电压测量结果用于前沿噪声中微弱噪声的准确测量，动态范围工作区间为(100,103)，对应被测脉冲理论电压范围(1×10-3mV,1×100mV)。
8)高速示波器24集中采集第一探测器9的电压测量结果(1×106mV,1×109mV)和动态范围(109,1012)、第二探测器14的电压测量结果(1×103mV,1×106mV)和动态范围(106,109)、第三探测器18的电压测量结果(1×100mV,1×103mV)和动态范围(103,106)、第四探测器23的的电压测量结果(1×10-3mV,1×100mV)和动态范围(100,103)。
9)数据处理单元25分析处理高速示波器24的采集结果，得到最终1012的准确完备的高动态范围信噪比测量结果。
综上，该发明专利申请的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，可以在纳秒窗口范围内提供1012的准确完备的高动态范围信噪比测量技术的有效解决方案，并且具有良好的可行性。
Claims (9)
1.一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于，包括第一耦合镜(1)、第二耦合镜(2)、由缩束主透镜(3)和缩束负透镜(4)组成缩束单元、半波片(5)、第一分光镜(6)、第一衰减片(7)、第一测量透镜(8)、第一探测器(9)、组合式晶体(10)、第二分光镜(11)、第二衰减片(12)、第二测量透镜(13)、第二探测器(14)、第三分光镜(15)、反射镜(16)、第三测量透镜(17)、第三探测器(18)、第四测量透镜(19)、光纤耦合器(20)、传输光纤(21)、光学放大器(22)、第四探测器(23)、高速示波器(24)和数据处理单元(25)；
待测脉冲依次经所述的第一耦合镜(1)、第二耦合镜(2)、缩束单元和半波片(5)后入射到第一分光镜(6)，经第一分光镜(6)的透射部分依次经第一衰减片(7)和第一测量透镜(8)，进入第一探测器(9)，用于主脉冲的测量；经第一分光镜(6)的反射部分经组合式晶体(10)入射到第二分光镜(11)，经第二分光镜(11)的透射部分依次经第二衰减片(12)和第二测量透镜(13)后，进入第二探测器(14)，用于主脉冲之前的较大噪声的测量；经第二分光镜(11)的反射部分经第三分光镜(15)分为反射部分和透射部分，所述反射部分依次经反射镜(16)和第三测量透镜(17)，进入第三探测器(18)，用于主脉冲之前的较小噪声的测量；经所述的透射部分依次经过第四测量透镜(19)、光纤耦合器(20)、传输光纤(21)和光学放大器(22)，进入第四探测器(23)，用于主脉冲之前的微弱噪声的测量；第一探测器(9)、第二探测器(14)、第三探测器(18)和第四探测器(23)的输出信号，分别传输到高速示波器(24)中并转换为数字信号，最后进入数据处理单元(25)。
2.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的光学放大器(22)增益倍率为1000倍，用于提升第四探测器(23)的灵敏度和极限测量能力，从而提供了测量装置的高动态范围向下扩展的可行性。
3.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的缩束单元、半波片(5)以及组合式晶体(10)，用于保证第二探测器(14)、第三探测器(18)和第四探测器(23)在高功率激光脉冲(1.7×109W@1.7mJ@1ps)作用下正常工作而不损坏，从而提供了测量装置的高动态范围向上扩展的可行性。
4.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的第一探测器(9)、第二探测器(14)、第三探测器(18)和第四探测器(23)能够分别实现(109,1012)、(106,109)、(103,106)、(100,103)的动态范围测量，从而通过集中采集和分析处理能够同时实现1012的准确完备的高动态范围测量。
5.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的光学放大器(22)为光纤放大器、棒状放大器或片状放大器
6.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的第一分光镜、第二分光镜为透射率T≤0.1％的分光镜。
7.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的第三分光镜为反射率R＝50％±20％的分光镜。
8.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的反射镜为反射率≥95％的反射镜。
9.根据权利要求1所述的一种光学放大高动态范围纳秒窗口信噪比测量装置，其特征在于所述的组合式晶体为针对皮秒和飞秒脉冲的BBO、LBO、LNO3、KDP、DKDP、KTP、YCOB非线性晶体或者针对纳秒脉冲的电光开关。
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