CN115235618B - 一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法，该方法利用F‑P标准具对超快激光的连续频谱进行等间隔频谱采样，利用光栅将不同频谱成分向不同空间方向衍射，使参考光和待测光的不同频谱成分形成不同调制频率的波前干涉图，利用相机采集频谱混叠的波前干涉图，最后在单帧测量中同时提取多个频谱成分的波前干涉信息，进行光场三维分布重建，实现了超快激光三维光场分布的单帧测量。本发明能够实现超快激光场三维时空分布的单帧波前测量，该方法原理简单可靠，定标和测量操作简便，抗干扰能力强，光场重建算法计算量小，特别适用于以低重频或单发次模式运行的超快超强激光三维光场分布的测量。
Description
技术领域
本发明属于超快激光场测量领域，尤其涉及一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法。
背景技术
超短超强激光在激光加速、激光聚变、二次源产生、实验室天体物理等领域具有重要的应用价值。世界各地的研究者们都致力于实现超短超强激光更高的远场峰值功率密度，以研究全新的强场物理现象。然而，超短超强激光产生系统由于光路调节误差、材料色散和元件面型等缺陷的存在，导致激光脉冲的时域波形随空间位置而改变，这种现象被称为时空耦合畸变，时空耦合畸变是限制远场功率密度提升的主要因素。准确测量超短超强激光的时空耦合畸变（即光场三维时空分布）具有重要的意义：一方面三维光场分布的精确测量是改善并补偿时空耦合畸变的前提；另一方面可以根据三维光场分布的测量结果预测远场光场分布，为强场物理实验的理论研究提供更准确和完备的激光参数。
然而，由于超快激光场三维时空分布包含了两个空间维度以及光谱/时间维度的振幅和相位，想要在单帧测量中获取所有这些信息十分困难，因此现阶段依然缺乏成熟可靠的超快激光三维光场分布的单帧测量手段。目前的大多数超快激光脉冲测量技术，比如频率分辨光学门（Frequency Resolved Optical Grating, FROG），谱相位相干直接电场重建（Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction,SPIDER）以及自参考光谱干涉（Self-Reference Spectral Interferometry， SRSI），利用这些技术进行超快激光脉冲单帧测量仅能得到激光束横截面内的单个空间点或平均时域特征，这些信息无法用来表征光场的三维时空分布；而且现有的大多数超快激光三维光场测量方法需要对空间域、频率域或时间域进行多次扫描，因此其无法实现单帧测量，而且并不适用于低重频的或各发次间有差异的超快超强激光场表征。也有学者提出了一些三维光场分布的单帧测量方法，如Pablo Gabolde和Rick Trebino等提出的波分复用数字全息法（Gabolde P , Trebino R . Single-frame measurement of the completespatiotemporal intensity and phase of ultrashort laser pulses usingwavelength-multiplexed digital holography[J]. Journal of the Optical Societyof America B, 2008, 25(25):A25-A33.），该方法用二维光栅和带通滤波器将各频谱成分的全息图成像在相机感光面不同空间位置上，实现了三维光场的单帧测量，但是该方法相机像素利用率不高，对其中光学元件位姿调节精度要求高，并且需要复杂的标定过程；刘军等人也提出了一种超快激光完全时间空间耦合特性单发测量方法（刘军、申雄、王鹏。飞秒激光脉冲完全时间空间耦合特性单发测量系统及测量方法，CN111879421A[P]. 2020.），该方法用光纤对激光束横截面进行阵列化取样，再将光纤重新排列在成像光谱仪入口狭缝处，最后利用传统的谱干涉方法恢复每根光纤采样区光场的时域特征，受光谱仪入口狭缝空间尺寸限制，该方法的空间分辨能力无法做到很高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法，该方法主要针对单发次激光进行波前测量。该方法首先利用F-P标准具对超快激光的连续频谱进行等间隔采样，再用光栅将不同频谱成分向不同空间方向衍射，使参考光和待测光的不同频谱成分形成不同调制频率的波前干涉图，利用CCD相机采集频谱混叠的波前干涉图，最后再结合频分复用的思想将不同频谱成分的波前干涉图从混叠的波前干涉图中解调出来，从而在单帧测量中可同时提取多个频谱成分的波前干涉信息，实现了超快激光三维光场分布的单帧波前测量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统，所述系统包括：反射取样镜、时域测量设备、F-P标准具、分光棱镜Ⅰ、空间滤波器、延迟调节单元、光栅、分光棱镜Ⅱ、消色差透镜和相机；
所述反射取样镜将入射的待测激光分为透射光和反射光；
所述时域测量设备设置在反射取样镜的反射光光路上；
所述F-P标准具和分光棱镜Ⅰ按顺序依次设置在反射取样镜的透射光光路上；
所述F-P标准具对透射光进行频谱等间隔取样；
所述分光棱镜Ⅰ将F-P标准具的取样光分为透射光和反射光，其中分光棱镜Ⅰ的透射光命名为待测光，分光棱镜Ⅰ的反射光命名为参考光；
所述空间滤波器设置在参考光光路上；
所述延迟调节单元和光栅按顺序依次设置在待测光光路上；
所述分光棱镜Ⅱ设置在参考光和待测光交汇处，用于合成参考光和待测光；
所述消色差透镜和相机依次设置在分光棱镜Ⅱ之后的光传输光路上。
优选的，所述时域测量设备为SPIDER、FROG或者SRSI。
优选的，所述空间滤波器包括沿光轴依次设置的离轴抛面镜Ⅰ、针孔和离轴抛面镜Ⅱ。
优选的，所述延迟调节单元包括多个沿光传输方向设置的反射镜。
一种超快激光场三维时空分布的单帧测量方法，所述方法包括：
S1：对待测激光光谱以及参考光光强分布进行标定，得到参考光各频谱成分的光强分布；
S2：在上述超快激光场三维时空分布的单帧测量系统中输入待测激光，利用时域测量设备测量获取入射待测激光的谱相位，利用相机获得待测激光的待测光和参考光的频谱混叠的波前干涉图；
S3：使用频分复用方法从频谱混叠波前干涉图中恢复出待测激光各频谱成分的光强和波前分布，并结合S2得到的谱相位进行三维光场重建。
优选的，所述S1中，对待测激光光谱以及参考光强分布进行标定的过程如下：首先
在F-P标准具后测量待测激光脉冲光谱，获得透过F-P标准具的激光频率
以及各频率成
分的光强度比；接着利用相机测量经过空间滤波器的参考光的光强分布，并根据光谱标定
得到参考光各频率成分的光强度比，计算得到参考光各频谱成分的光强分布。
优选的，所述S2包括：
S21：输入待测激光，利用反射取样镜对输入待测激光进行分光，其中反射取样镜的反射光进入时域测量设备进行谱相位测量，反射取样镜的透射光传输至F-P标准具；
S22：F-P标准具对反射取样镜的透射光进行频谱等间隔取样，F-P标准具的取样光传输至分光棱镜Ⅰ；
S23：分光棱镜Ⅰ将F-P标准具的取样光进一步分为透射光和反射光，将分光棱镜Ⅰ的透射光命名为待测光，将分光棱镜Ⅰ的反射光命名为参考光；
S24：参考光经过空间滤波器进行波前畸变过滤和空间强度调制以及扩束；待测光经过延迟调节单元与参考光同步，再经光栅，将不同频率成分的激光向不同角度衍射；
S25：经过S24处理的待测光和参考光经分光棱镜Ⅱ合束，再通过消色差透镜将频谱混叠的波前干涉图成像在相机的感光平面上。
优选的，所述S3包括：
S31：对S2中得到的频谱混叠的波前干涉图进行二维傅里叶变换，得到频域图；
S32：计算得到频域图中各频谱对应一级谐波的位置，接着在频域图中使用圆形窗口滤波得到单独的一级谐波，将滤波得到的一级谐波进行傅里叶逆变换，得到该频谱成分的空间域二维复数矩阵，所述二维复数矩阵为一级谐波对应频谱成分的子干涉图，依次对频域图中每个一级谐波都进行傅里叶逆变换，得到每个频谱成分对应的空间域二维复数矩阵；
S33：利用子干涉图复数矩阵以及S1中标定得到参考光各频谱成分的光强分布，计算得到待测光各频谱成分的波前和光强分布；
S34：利用时域测量设备测量得到的谱相位对S33中待测光各频谱成分的波前和光
强分布进行拼接，再沿代表频谱
的坐标进行傅里叶逆变换，得到待测光场三维时空分
布。
本发明的有益效果是：本发明提供的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法，该系统及该方法采用频分复用+波前干涉的方法，在单帧测量中可同时提取多个频谱成分的波前干涉信息，将传统波前干涉方法获取信息的能力从二维（两个空间维度）提升到三维（两个空间维度+频谱维度），基于“频分复用+波前干涉”，可以利用多个波长成分波前干涉信息实现超快激光场三维时空分布的单帧测量，本发明提出的基于超快激光场三维时空分布的单帧测量方法是一种全新的测量方法，该方法实现了宽带光、多频谱的激光单发次波前测量，该方法原理简单可靠，定标和测量操作简便，抗干扰能力强，光场重建算法计算量小，特别适用于以低重频或单发次模式运行的超快超强激光三维光场分布的测量。
附图说明
图1为本发明的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统的结构示意图；
图2为实施例中对频谱混叠的波前干涉图进行三维光场重建的过程示意图；
图中：1.F-P标准具 2.分光棱镜Ⅰ 3.延迟调节单元 4.光栅 5.分光棱镜Ⅱ 6.消色差透镜 7.相机 8.离轴抛面镜Ⅰ 9.离轴抛面镜Ⅱ 10.针孔 11.反射取样镜 12.时域测量设备 13.成像物面 14.成像像面。
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。
一种如图1所示的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统，该述系统包括：反射取样镜11、时域测量设备12、F-P标准具1、分光棱镜Ⅰ2、空间滤波器、延迟调节单元3、光栅4、分光棱镜Ⅱ5、消色差透镜6和相机7；
其中反射取样镜11用于将入射待测激光分为透射光和反射光，经过反射取样镜11反射的取样光进入设置在反射光光路上的时域测量设备12进行谱相位测量，进而获得待测激光的谱相位信息，作为实施例，时域测量设备12可以是SPIDER、FROG或者SRSI（如Wizzler）等测量装置；
经过反射取样镜11透射的透射光用于待测激光各频谱的波前和光强分布测量。设
置在透射光光路上的F-P标准具1对待测激光进行频谱等间隔取样，F-P标准具1在垂直入射
情况下的取样间隔为
，单模线宽为
，式中，c为真空中光速，n
为F-P标准具1的腔内折射率，h为F-P标准具1的腔长，R为F-P标准具1的腔镜反射率，这些参
数都可以根据实际需求选取。
F-P标准具1的取样光，经过设置在光路上的分光棱镜Ⅰ2后分为透射光和反射光，其中将分光棱镜Ⅰ2的透射光命名为待测光，将分光棱镜Ⅰ2的反射光命名为参考光；参考光经过由离轴抛面镜Ⅰ8、针孔10以及离轴抛面镜Ⅱ9构成的空间滤波器，过滤掉参考光的波前畸变与空间强度调制，同时空间滤波器也具有扩束作用，使参考光与待测光空间重叠的部分具有足够平坦的波前和均匀的光强分布。
待测光经过延迟调节单元3进行延时使其与参考光同步，再经光栅4，使不同频率成分向不同角度衍射；
最后待测光和参考光经设置在两光路交汇处的分光棱镜Ⅱ5合束，再通过消色差透镜6将频谱混叠的波前干涉图成像在相机7的感光平面上，成像物面13和成像像面14分别位于图中光栅4所处位置的虚线处和相机7的感光平面所处位置处。
一种超快激光场三维时空分布的单帧测量方法，该方法基于本发明公开的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统进行，具体测量过程如下：
第一步：对待测激光光谱以及参考光强分布进行标定，得到参考光各频谱成分的
光强分布，具体为：首先在F-P标准具后测量待测激光脉冲的光谱，获得透过F-P标准具的激
光频率
以及各频率成分的光强度比；接着利用相机测量参考光光强分布
，并
根据光谱标定得到的各激光频率成分的光强度比，计算得到参考光各频谱成分的光强分布
；
第二步：在上述的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统中输入待测激光，根据时域测量设备的测量结果获取入射待测激光谱相位，并用相机测量得到待测光和参考光的频谱混叠的波前干涉图，具体如下：
（1）输入待测激光，利用反射取样镜对待测激光进行取样，其中反射取样镜的反射光进入时域测量设备进行待测激光谱相位测量，反射取样镜的透射光传输至F-P标准具；
（2）F-P标准具对反射取样镜的透射光进行频谱等间隔取样，F-P标准具的取样光传输至分光棱镜Ⅰ；
（3）分光棱镜Ⅰ将F-P标准具的取样光进一步分为透射光和反射光，将分光棱镜Ⅰ的透射光命名为待测光，将分光棱镜Ⅰ的反射光命名为参考光；
（4）参考光经过空间滤波器进行波前畸变过滤和空间强度调制以及扩束；待测光经过延迟调节单元与参考光同步，再经光栅，将不同频率成分向不同角度衍射；
（5）经过上述处理的待测光和参考光经分光棱镜Ⅱ合束，再通过消色差透镜将频谱混叠的波前干涉图成像在相机的感光平面上；
建立如图1所示的坐标系，以参考光经过分光棱镜Ⅱ5反射后的传输方向为z轴，相机7感光平面为x-y平面，待测光与参考光在相机7的感光平面上形成的频谱混叠的波前干涉图可以用如下公式描述：
式中，N表示通过F-P标准具1取样的总的频谱数，
表示通过F-P标准具1取样的
第i个频谱成分的电场角频率，
和
分别表示第i个频谱成分的
待测测光与参考光的强度，
是第i个频谱成分的波数，
和
分别表示待测脉
冲第i个频谱成分的波矢
与x轴和y轴方向的夹角；
上式公式描述了激光脉冲中N个频谱成分的参考光与待测光形成的波前干涉图的线性叠加，由于光栅的存在，使得不同频谱成分的待测光和参考光波前夹角不同，从而形成的波前干涉图的空间调制频率不同，因此可以通过对空间频率域滤波单独提取每一个频谱成分的波前干涉图，进而得到各频谱成分的波前和强度的空间分布信息。
第三步：对待测激光脉冲进行三维光场重建，具体过程如图2所示，包括以下步骤：
首先对第二步中得到的频谱混叠的波前干涉图进行二维傅里叶变换，得到频域图，频域图中心处亮斑为0级谐波，包含干涉图的直流成分，上方一系列亮斑和下方一系列亮斑分别为各频谱成分对应的1级谐波和-1级谐波，待测光的波前和强度的空间分布信息包含在各频谱成分对应的1级谐波和-1级谐波之中，频域图中各频谱对应一级谐波的位置如下：
其中，
，分别为x和y方向的空间频率坐标，-1级谐波位置为对
上式取负号即可；
然后对频域图进行圆形窗口滤波，选取频域图中每个一级谐波，选取的一级谐波
经傅里叶逆变换，得到空间域的二维复数矩阵，以
表示，待测光各频谱成分的
光强分布和波前信息包含在二维复数矩阵的模和辐角中：
其中，
为待测激光的第i个频谱成分的波前。参考光光强分布
可通过预先标定已经确定，在已知参考光的光强分布
，可以根据
模公式求得待测激光光强分布
；在已知
和
的情况下，可以根据辐角公
式得到待测激光波前
，此处假定参考光具有平坦的波前，测量光路中离轴抛
面镜Ⅰ8、离轴抛面镜Ⅱ9以及针孔10构成的空间滤波器结构可以使参考光满足这一假设，
和
可以通过公式
以及1级谐波在频域图中
的位置确定。
最后，利用时域测量设备12得到的谱相位以及计算得到的待测光各频谱成分的波
前和光强分布，沿代表频谱
的z坐标进行傅里叶逆变换，得到待测光场三维时空分布
：
式中，
为待测激光光强，
为待测激光波前，
为
待测脉冲的绝对谱相位，其中不包含随空间位置变化的信息，由时域测量设备12测量得到。
实施例
对中心波长800nm，带宽200nm，光束口径8mm，单脉冲能量10
的超快激光场时空
分布进行测量：
按照图1所示光路搭建测量装置，其中F-P标准具1腔长为h=44
，腔镜反射率R=
95%，在700nm-900nm范围内可取样29个频谱成分，每个频谱成分线宽约为0.5nm；光栅4刻线
密度600线/mm，待测脉冲在光栅上的入射角为13.7°，光栅前待测脉冲传输方向位于y-z平
面内且与z轴之间夹角为1.5°，收集经过光栅的-1级衍射光用于波前干涉；消色差透镜6将
光栅处的光场1:1成像在相机7的感光平面上，相机分辨率为2048*2048，像素间距为5.5μm；
离轴抛面镜8和9的焦距分别为200mm和500mm，滤波小孔10的直径为20
；时域测量设备
12采用商用Wizzler仪器，用于测量激光脉冲的时域特性或绝对谱相位；分光镜11的反射/
透射比为9:1，将大部分脉冲能量反射，用于时域特性或绝对谱相位测量。
（1）对光谱和参考光强度分布进行标定。在F-P标准具后测量激光脉冲光谱，获得
透过标准具的激光频率
以及各频率成分的强度比；用相机测量参考光光强分布
，并根据光谱标定得到的各频率成分的强度比，计算参考光各频谱成分的光强分
布
；
（2）输入激光脉冲，用相机7采集频谱混叠的波前干涉图，同时用时域测量设备12
测量激光脉冲的绝对谱相位
；
（3）对（2）采集到的频谱混叠的波前干涉图执行二维傅里叶变换，得到频域图；
（4）识别频域图中各频谱对应一级谐波的位置，根据公式计算
和
；
（5）在频域图中使用圆形窗口滤波，单独选取每一个频谱成分对应的一级谐波，并
对其执行二维傅里叶逆变换，得到一系列二维复数矩阵
，即子干涉图；
（6）结合（5）得到的二维复数矩阵
，根据标定得到的参考光的光强分
布
计算待测激光的光强分布
，并根据（4）得到的
和
计算
待测激光波前
。
（7）根据得到的绝对谱相位
，和待测激光的光强分布
和波前
，计算激光脉冲的三维时空场分布
。
Claims (7)
1.一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统，其特征在于，所述系统包括：反射取样镜、时域测量设备、F-P标准具、分光棱镜Ⅰ、空间滤波器、延迟调节单元、光栅、分光棱镜Ⅱ、消色差透镜和相机；
所述反射取样镜将入射的待测激光分为透射光和反射光；
所述时域测量设备设置在反射取样镜的反射光光路上；
所述F-P标准具和分光棱镜Ⅰ按顺序依次设置在反射取样镜的透射光光路上；
所述F-P标准具对透射光进行频谱等间隔取样；
所述分光棱镜Ⅰ将F-P标准具的取样光分为透射光和反射光，其中分光棱镜Ⅰ的透射光命名为待测光，分光棱镜Ⅰ的反射光命名为参考光；
所述空间滤波器设置在参考光光路上；
所述延迟调节单元和光栅按顺序依次设置在待测光光路上；
所述分光棱镜Ⅱ设置在参考光和待测光交汇处，用于合成参考光和待测光；
所述消色差透镜和相机依次设置在分光棱镜Ⅱ之后的光传输光路上。
2.根据权利要求1所述的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统，其特征在于，所述时域测量设备为SPIDER、FROG或者SRSI。
3.根据权利要求1所述的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统，其特征在于，所述空间滤波器包括沿光轴依次设置的离轴抛面镜Ⅰ、针孔和离轴抛面镜Ⅱ。
4.根据权利要求1所述的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统，其特征在于，所述延迟调节单元包括多个沿光传输方向设置的反射镜。
5.一种超快激光场三维时空分布的单帧测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：对待测激光光谱以及参考光强度分布进行标定，得到参考光各频谱成分的光强度分布；
S2：在权利要求1~4中任一项所述的超快激光场三维时空分布的单帧测量系统中输入待测激光，利用时域测量设备测量获取待测激光的谱相位，利用相机获得待测激光的待测光和参考光的频谱混叠波前干涉图；
S3：使用频分复用方法从频谱混叠波前干涉图中恢复出待测激光各频谱成分的强度和波前分布，并结合S2得到的谱相位进行三维光场重建，其过程如下：
S31：对S2中得到的频谱混叠的波前干涉图进行二维傅里叶变换，得到频域图；
S32：计算得到频域图中各频谱对应一级谐波的位置，接着在频域图中使用圆形窗口滤波得到单独的一级谐波，将滤波得到的一级谐波进行傅里叶逆变换，得到该频谱成分的空间域二维复数矩阵，所述二维复数矩阵为一级谐波对应频谱成分的子干涉图，依次对频域图中每个一级谐波都进行傅里叶逆变换，得到每个频谱成分对应的空间域二维复数矩阵；
S33：利用子干涉图复数矩阵以及S1中标定得到参考光各频谱成分的强度分布，计算得到待测光各频谱成分的波前和光强分布；
S34：利用时域测量设备测量得到的谱相位对S33中待测光各频谱成分的波前和光强分布进行拼接，再沿代表频谱ω的坐标进行傅里叶逆变换，得到待测光场三维时空分布。
6.根据权利要求5所述的超快激光场三维时空分布的单帧测量方法，其特征在于，所述S1中，对待测激光光谱以及参考光强度分布进行标定的过程如下：首先在F-P标准具后测量待测激光脉冲光谱，获得透过F-P标准具的激光频率ω i 以及各频率成分的强度比；接着利用相机测量经过空间滤波器的参考光强度空间分布，并根据光谱标定得到参考光各频率成分的光强度比，计算得到参考光各频谱成分的光强分布。
7.根据权利要求5所述的超快激光场三维时空分布的单帧测量方法，其特征在于，所述S2包括：
S21：输入待测激光，利用反射取样镜对输入待测激光进行分光，其中反射取样镜的反射光进入时域测量设备进行谱相位测量，反射取样镜的透射光传输至F-P标准具；
S22：F-P标准具对反射取样镜的透射光进行频谱等间隔取样，F-P标准具的取样光传输至分光棱镜Ⅰ；
S23：分光棱镜Ⅰ将F-P标准具的取样光进一步分为透射光和反射光，将分光棱镜Ⅰ的透射光命名为待测光，将分光棱镜Ⅰ的反射光命名为参考光；
S24：参考光经过空间滤波器进行波前畸变过滤和空间强度调制以及扩束；待测光经过延迟调节单元与参考光同步，再经光栅，将不同频率成分的激光向不同角度衍射；
S25：经过S24处理的待测光和参考光经分光棱镜Ⅱ合束，再通过消色差透镜将频谱混叠的波前干涉图成像在相机的感光平面上。
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