JP7375029B2 - 高ダイナミックレンジでパルス信号を測定する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、未同定単一パルス放出の測定のための、詳細には測定機器の測定範囲に適合させるために単一パルス放出の未知の振幅特性を調整するための装置及び方法に関する。

測定されるパルス信号の時間的プロファイルを必要とする多くの分野がある。限定されるものではないが、ＬＩＤＡＲ、遠隔測定、レーザベースの慣性核融合（ＩＣＦ）を含む様々な用途でナノ秒及びサブナノ秒長さのパルスが使用される。ＩＣＦで使用される高コントラストレーザーパルスのパルス波形を正確に測定することができることは好都合である。

公知の測定技術において、パルスは、フォトダイオード、光電子増倍管、又はパルスの入射パワーに比例する時間の関数である電圧を発生する他のデバイスであるセンサーを照らす。その後、この時間の関数である電圧は、オシロスコープに記録され、パルスの時間分解パワーの表示を与える。

フォトダイオード又は類似のデバイスの使用は、入射パルスのピークパワーが知られている場合は上手く機能する。そのような場合、パルスは減衰させることができ、結果的に、パルスはフォトダイオード及びオシロスコープのダイナミックレンジの中央に入り、高品質の測定を行うことができる。しかしながら、ピークパワーが知られていない場合、信号振幅は、正確に測定するには弱すぎるか又は強すぎて結果的に検出器又はオシロスコープを飽和させる可能性がある。

反復信号に関して、減衰は、適切な信号レベルに達するまで変えることができる。しかしながら、単発測定では、信号レベルの推定を行う必要がある。これは、未知のパルスを正確に測定するのを非常に困難にする。

フォトダイオード－オシロスコープベースのシステムのダイナミックレンジ及び／又は解像度を強化する様々な方法が開発されている。

一部の公知の装置は、様々な大きさの一連のパルスを生成し、各パルスは、ファイバーループリングキャビティを用いて強度が低下したパルスチェーン（ａ ｃｈａｉｎ ｏｆ ｐｕｌｓｅｓ）に変換される。この欠点は、チェーンの最初のパルスが検出器を飽和させると、後続のパルスからさらなる情報を読み出すことができない点である。

公知の装置は、単発光サンプリングオシロスコープを説明する。内部に能動利得媒質を含むファイバーループリングキャビティは、単一パルスを漸増するエネルギーのパルスチェーンに変換する。次に、これらのパルスは、第２の位相固定ソースによって生成されたパルスと相互作用して、２値化されて分析される第３の信号を生成する。この装置は、非常に複雑であり、本発明が対処しようとする飽和効果に役立たない。

公知の方法は、フォトダイオードを用いてパルスを電気信号に変換し、その後、この電気信号を、各々が異なる電圧範囲に設定された複数のオシロスコープチャンネルに分割する。

また、この技術は、随意的に、入射光パルスが、複数の同一の（又は同一でない）パルスに分割されるところに適用することができ、パルスの各々は、自身のフォトダイオード及びオシロスコープチャンネルに送られる。

信号を複数の検出器の間で分割することには、単一信号を測定するために多くのオシロスコープチャンネル及び検出器を使用するという欠点がある。

米国特許出願公開第２００９／００７２８１１号明細書には、レーザーパルスが光ファイバーによって２５６の同一レプリカのチェーンに分割される機構が開示されている。次に、これらはフォトダイオードによって測定され、統計的平均法を利用して、単一測定によってもたらされるであろうものよりも高品質の、入力パルス形状の測定をもたらすようになっている。

この技術は、レーザーパルスの高品質の測定を与えるが、依然としてダイナミックレンジが限定される。入射レーザーパワーが予想外に高くなると、フォトダイオードは、飽和状態になる、又は、オシロスコープの電圧範囲を超えてデータを読み出すことができなくなる。

検出器が処理できるよりも大きな信号を受け取ると、検出器は飽和して回復するのに時間がかかる。検出器が入射信号によってより強く影響を受けるほど回復するのにより時間がかかるので、後続の何らかの信号が無力になる可能性がある。リングダウン信号(ファイバーループキャビティで生成されたような)又は一連の同一パルスの場合、第１の信号が、検出器が処理できるものよりも大きい場合には、レプリカのどれからも何らかの有用なデータを得ることができない。

米国特許出願公開第２００９/００７２８１１号明細書

本発明の目的は、上記の問題の少なくとも一部を解決して、単一の未同定パルス信号の特性を確実に記録するための装置及び方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、単一の未同定パルス信号を、少なくとも１つが所定の振幅閾値範囲の中にあることになるレプリカパルス信号チェーンに受動的に変換するためのパルスレプリケーション装置が提供され、この装置は、
入射パルス信号を第１の信号経路と第２の信号経路の間で分割するように構成され、入射パルス信号を受け取るための入力ノードを備え、
第１の信号経路は、第２の信号経路に対して第１の時間遅延を加えるように構成され、
第１及び第２の信号経路からのパルス信号を単一の信号パルス列に結合するように構成された出力ノード、
を備え、
入力ノードは、第１の信号経路に沿って進むパルス信号の振幅特性が、第２の信号経路に沿って進むパルス信号の振幅特性と異なるように、パルス信号を第１及び第２の信号経路に沿って分割するように構成され、出力ノードは、振幅強度が漸増する、時間的に分離された複数のパルス信号を受け取るようになっている。

好都合には、この装置により、ユーザは、振幅特性が連続的に漸増する複数の時間的に分離された単一入力信号のレプリケーションを作り出し、レプリケーションのうちの少なくとも１つが、測定オシロスコープの設定閾値の中にあることになる振幅特性を有することになることを保証することができる。これは、未同定単発パルス信号を測定することができる、信頼性のある受動的かつ単純な装置を提供する。

大きさが漸増する一連のパルスに関して、第１のパルスは最も弱いので、その検出器を飽和させる可能性は最も低い。大きさが漸増するパルスチェーンが検出器に達する場合、検出器を飽和させる可能性があるパルスがそこに達する時まで、以前の全ての信号は測定できるはずである。

好都合には、この装置は、単一パルス事象を測定するためのアナログ－デジタルコンバータの測定範囲の拡大を可能にする。

随意的に、パルスレプリケーション装置は、第１及び第２の信号経路と交わるように配置された少なくとも１つの中間ノードを備え、第１又は第２の信号経路は、少なくとも第２の時間遅延を加えるように構成される。

随意的に、少なくとも１つの中間ノードは、第１の信号経路に沿って進むパルス信号の振幅特性が第２の信号経路に沿って進むパルス信号の振幅特性と異なるように、パルス信号を分割するように構成されている。

さらなる時間遅延でもって信号を不均等にさらに分割すると、パルス信号の振幅においてさらなる段階的ステップが可能になり、パルスのうちの１つが所定の閾値範囲の中にあることになるのをさらに保証する。

随意的に、パルス信号は光パルス信号である。好都合には光パルスを特性化できると、このような装置の広域スペクトル用途が可能になる。

随意的に、パルス信号はレーザーパルス信号である。好都合には、レーザーパルスの特性化は、特に、慣性核融合プロセス、プラズマ物理学、及びレーザー加工産業の範囲で多くの用途を有する。

随意的に、パルス信号は電気信号を含む。装置は、電気信号処理分野で利用することができる。これは、様々な電子放出からの出力の試験及び特性化を可能にする。

随意的に、装置は、信号パルス列を受け取るように構成された測定機器を備えることができる。

随意的に、測定機器はオシロスコープである。

好都合には、このことにより、単一の装置は、信号が装置を飽和させるリスクなしで、又はユーザに対してパルス特性を指示及び表示することなく、単一時間的未知パルス信号を受け取り、その特性を測定することができる。

本発明の第２の態様によれば、単一の未同定パルス信号を、パルス信号レプリカのうち少なくとも１つが所定の振幅閾値範囲の中にあることになるパルス信号レプリカチェーンに受動的に最適化する方法が提供され、本方法は、
ａ）測定されるパルス信号を受け取るステップと、
ｂ）未同定パルス信号を、各々が異なる振幅特性を有する少なくとも２つの別個のパルス信号に分割するステップと、
ｃ）別個のパルス信号のうちの一方に時間遅延を加えるステップと、
ｄ）別個のパルス信号を、統合された信号列に結合するステップと、
を含む。

この方法の各ステップは、好都合には、採用すると単純な市販の機器を用いて信頼性のある未同定単一パルス信号の取得及び測定を可能にするプロセスを記載する。

随意的に、本方法は、統合された信号列を測定機器に送るさらなるステップを含む。これによって、元のパルス信号の即時の特性化が可能になる。

随意的に、本方法は、光パルスに用いることができる。好都合には光パルスを特性化できると、このような装置の広域スペクトル用途が可能になる。

随意的に、本方法は、レーザーパルスに用いることができる。好都合には、レーザーパルスの特性化は、特に、慣性核融合プロセス、プラズマ物理学、及びレーザー加工産業の範囲で多くの用途を有する。

随意的に、本方法は、電気パルスに用いることができる。本方法は、電気信号処理分野で利用することができる。これは、様々な電子放出からの出力の試験及び特性化を可能にする。

随意的に、本方法は、電気パルスに用いる場合、電気パルスを光パルスに変換するステップを含むことができる。これは、電気パルスを光ファイバーにより利用可能な高帯域で特性化することを可能にする。

装置の１つの特定の実施形態は、単に例示的に図面を参照して以下に説明される。

レーザーパルスの４つのレプリカを作り出すように設計されたパルスレプリケーターの概略図を示す。

装置自体は、図面に示すように、例えば、光結合器、ファイバー光結合器（又は、バルクビーム分割器）、及び遅延線の一連のノードで構成される。

図１は、レーザーパルスの４つのレプリカを作り出すように設計されたパルスレプリケーターの概略図を示す。振幅及び時間的プロファイルに関して未知の特性（２）の入射パルス（１）は、第１のノード（３）に入り、異なる振幅の２つのパルスに分割され、ファイバー光経路で形成された少なくとも２つの別個の信号経路に沿って送られる。最も強いパルス（５）は、第２のノード（７）に送られる前に時間「ｔ」（４）だけ遅延される。他方の、より弱いパルス（６）は、第２のノード（７）に直接送られる。第２のノード（７）において、信号の各々からの一部の光は、さらなる各出力に送られる。各出力に伝搬する光の量は、ノード（７）の結合比によって決定される。これらの特性（５及び６）の出力のうちの一方は、第３のノード（１１）に直接送られ、他方の出力（８）は遅延され、この場合、遅延時間は「２＊ｔ」であり、特性（９）を有する。この２つの出力は、第３の結合器（１１）で結合され、ここでは、結合比は、第１のノード出力（１２）から出る信号が４つのパルスのチェーン（それぞれ強度が漸増する（１３））を構成するように決定される。このパルスチェーンは、次に、測定機器（図示せず）に送られる。装置からの何らかの残留光は、ノードの他のアーム（１４）から出る。

図１の開示された特徴は、入力ノード（３）と出力ノード（１１）との間の中間ノードを含む例示的な設計を提示し、最も広い形態では、本発明は、中間ノード、又は中間ノード（７）と出力ノード（１１）との間の対応する経路を必要としないことに留意されたい。明瞭化のために、用語「入力ノード（３）」は、第１のノードとして言及され、中間ノード（７）は、第２のノード、出力ノード（１１）は、第３のノード又は結合器として言及される。

レプリケーションステージを介する結合比の賢明な選択によって、出力（１２）において、一連の時間的に分離した入射パルス（１）のレプリカ（１３）が、強度が漸増して生成される。一連の指数的に増大する４つのパルス（各パルスは前のパルスよりもｎ倍強い）を生成するために、分割比は以下に定める値に設定する必要がある。

信号パルス列と呼ばれる一連の分離されたレプリカパルス（１３）は、次に、フォトダイオード（図示せず）を用いて電気信号に変換され、オシロスコープ（図示せず）に記録される。従って、測定機器の有効ダイナミックレンジは、最初のパルスレプリカに対する最後のパルスレプリカの強度比によって拡大される。この漸増する強度特性の時間的に分離されたレプリカを生成する方法によって、パルスの少なくとも１つがオシロスコープなどの測定機器のダイナミックレンジの中にあることが保証され、未知の時間特性の元のパルスを記録する信頼性が向上する。また、測定機器は、以前の高強度パルスによって目くらましされない又は飽和状態になっていないことが保証される。

当業者であれば、光結合器は、受け取った各信号を結合し、次に、さらに信号をさらに分割するという２つの機能をもつことができることを理解できるはずである。これらはまた、当該技術分野において代替的に、光タップ（ｏｐｔｉｃａｌ ｔａｐｓ）、スプリッタ（ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ）とも呼ばれる。

さらに、この特定の実施形態は、光信号のレプリケーションを説明するが、この方法は、同様に電気信号に適用可能であり、出力分配器又は方向性結合器を備えることができることを理解されたい。

処理されるパルス信号のタイプ及び特性に依存して、ファイバー光経路は、電気経路などの適切な伝送経路に置き換えることができる。

Claims (14)

1. 単一の未同定パルス信号を、パルス信号レプリカのうち少なくとも１つが所定の振幅閾値範囲の中にあることになるパルス信号レプリカチェーンに変換するための受動的パルスレプリケーション装置であって、
   入射パルス信号を受け取るための入力ノードであって、前記入射パルス信号を、それぞれ第１の信号経路に沿って又は第２の信号経路に沿って送信される、少なくとも２つの別個のパルス信号に分割し、前記第１の信号経路に沿って進むパルス信号の振幅特性が、前記第２の信号経路に沿って進むパルス信号の振幅特性と異なるように構成された、入力ノードを備え、
   前記第１の信号経路は、前記第２の信号経路に対して第１の時間遅延を加えるように構成され、
   前記第１の信号経路及び前記第２の信号経路と交わるように構成された中間ノードであって、該中間ノードは、前記第１の信号経路に沿って進むパルス信号と、前記第２の信号経路に沿って進むパルス信号を、強度が漸増する第１の統合された信号列に結合し、前記第１の統合された信号列の各パルス信号を、それぞれ前記第１の信号経路に沿って又は前記第２の信号経路に沿って送信される、各々が異なる振幅特性を有する少なくとも２つの別個のパルス信号に分割するように構成された中間ノードを備え、前記第１の信号経路及び前記第２の信号経路の一つが、他方の信号経路に対して、少なくとも第２の時間遅延を加えるように構成され、
   強度が漸増する、時間的に分離された複数のパルス信号を前記第１の信号経路及び前記第２の信号経路から受け取り、前記第１の信号経路及び前記第２の信号経路から受け取った前記複数のパルス信号を第２の統合された信号列に結合するように構成された出力ノードを備え、
   前記入力ノードと、前記中間ノードと、前記出力ノードは直列に配置されている、装置。
2. 複数の前記中間ノードを備え、該複数の中間ノードは直列に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の中間ノードのうち少なくとも１つの中間ノードは、前記第１の信号経路に沿って進む前記パルス信号及び前記第２の信号経路に沿って進む前記パルス信号の前記振幅特性が互いに対してさらに変化するように、前記パルス信号をさらに分割するように構成される、請求項２に記載の装置。
4. 前記パルス信号は、光パルス信号を含む、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記パルス信号は、レーザーパルス信号を含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記パルス信号は、電気信号を含む、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
7. 前記第２の統合された信号列を受け取るように構成された測定機器を備える、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記測定機器は、オシロスコープである、請求項７に記載の装置。
9. 単一の未同定パルス信号を、パルス信号レプリカのうち少なくとも１つが所定の振幅閾値範囲の中にあることになるパルス信号レプリカチェーンに受動的に最適化する方法であって、
   ａ）測定されるパルス信号を受け取るステップと、
   ｂ）前記未同定パルス信号を、各々が異なる振幅特性を有する少なくとも２つの別個のパルス信号に分割するステップと、
   ｃ）前記別個のパルス信号のうちの一方に時間遅延を加えるステップと、
   ｄ）前記別個のパルス信号を、強度が漸増する第１の統合された信号列に結合するステップと、
   ｅ）前記第１の統合された信号列の各パルス信号を、各々が異なる振幅特性を有する少なくとも２つの別個のパルス信号に分割するステップと、
   ｆ）ステップｅ）で分割された別個のパルス信号のうちの一方に時間遅延を加えるステップと、
   ｇ）前記別個のパルス信号を、強度が漸増する第２の統合された信号列に結合するステップと、
   を含む、方法。
10. 前記第２の統合された信号列を測定機器に送るさらなるステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記受け取ったパルス信号は、光パルスを含む、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記受け取ったパルス信号は、レーザーパルスを含む、請求項９又は１０に記載の方法。
13. 前記受け取ったパルス信号は、電気パルスを含む、請求項９又は１０に記載の方法。
14. 前記電気パルスを光パルスに変換するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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