專利名稱：單次皮秒脈沖信噪比測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光參數(shù)診斷，是一種單次皮秒脈沖信噪比測量儀。
背景技術(shù)：
超短脈沖的信噪比是超短超強(qiáng)激光裝置中的一項(xiàng)重要參數(shù)。隨著激光技術(shù)的發(fā) 展，激光焦斑的可聚焦功率密度能夠達(dá)到102°W/cm2或者更高，其本底噪聲也隨之升高。當(dāng) 該聚焦光斑用于等離子體物理、激光與物質(zhì)相互作用等相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，希望本底噪聲的 聚焦功率密度小于1012W/cm2，以避免噪聲脈沖產(chǎn)生等離子體，影響后續(xù)的激光主脈沖與物 質(zhì)的相互作用。因此，物理實(shí)驗(yàn)要求超短超強(qiáng)激光的主脈沖與其10ps之前的噪聲脈沖的功 率密度(強(qiáng)度)比值，大于108或者更高。該項(xiàng)參數(shù)被定義為超短脈沖的信噪比。目前還沒有合適的手段能夠?qū)崿F(xiàn)該參數(shù)的精密測量。R. A. Ganeev在1995年提出 了自相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)0. 2 50ps的超短脈沖時(shí)間波形測量的方案(Optics Communications, Vol. 114，1995,432 434)，M. Raghuramaiah在2001年完善了自相關(guān)方法測量超短脈沖 時(shí)間波形的理論分析方法(SADHANA-ACADEMYPROCEEDINGS IN ENGINEERING SCIENCES, Vol. 26，2001，603 611)。J. Collier在2001年提出了基于互相關(guān)原理的信噪比測量方 案(LASER AND PARTICLEBEAMS, Vol. 19，2001，231 235)，互相關(guān)光束的夾角為 20°，測量 結(jié)果的動(dòng)態(tài)范圍為105，時(shí)間范圍為30ps。Dongfang Zhang在2008年提出了基于互相關(guān)方 法的信噪比測量方案(Optics Letters，Vol. 33，2008，1969 1971)，該方案中使用了光電 倍增管作為探測器件，使測量結(jié)果的動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到 107。由于該方案中使用的晶體長 度為6mm，發(fā)生互相關(guān)作用的兩個(gè)光束之間的夾角為3°，因此時(shí)間測量范圍只有士 lps。為 了能夠?qū)崿F(xiàn)超短脈沖的主脈沖之前、10ps以外的信噪比測量，本發(fā)明提出了基于光學(xué)成像 系統(tǒng)的互相關(guān)方法測量方案，以滿足單次皮秒脈沖的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題在于提供一種單次皮秒脈沖信噪比測量儀，該信噪比測量 儀的最大可測脈沖的時(shí)間范圍為150ps，分辨率為0. 2ps，動(dòng)態(tài)范圍為 108。本發(fā)明單次皮秒脈沖信噪比測量儀是基于互相關(guān)原理。它的特點(diǎn)是通過增加被測 脈沖和二倍頻晶體、和頻晶體、反射鏡的尺寸，獲得大口徑的互相關(guān)信號(hào)。然后通過光學(xué)成 像系統(tǒng)將互相關(guān)信號(hào)精密成像到小口徑的高動(dòng)態(tài)范圍探測器上，實(shí)現(xiàn)互相關(guān)信號(hào)的采集和 處理。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種單次皮秒脈沖信噪比測量儀，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括二倍頻晶體、諧波分離反 射鏡、基頻反射鏡、二倍頻反射鏡、和頻晶體、光學(xué)成像系統(tǒng)、高動(dòng)態(tài)范圍的探測器和數(shù)據(jù)采 集處理系統(tǒng)，各元件的位置關(guān)系如下入射的待測的皮秒量級(jí)激光脈沖，首先通過所述的二倍頻晶體產(chǎn)生二倍頻脈沖， 該二倍頻脈沖和激光脈沖的剩余的基頻脈沖入射到所述的諧波分離反射鏡上，該諧波分離反射鏡將基頻脈沖和二倍頻脈沖進(jìn)行分離所述的基頻脈沖經(jīng)諧波分離反射鏡反射后，由 所述的基頻反射鏡導(dǎo)向所述的和頻晶體；所述的二倍頻脈沖透過所述的諧波分離反射鏡之 后，由所述的二倍頻反射鏡導(dǎo)向所述的和頻晶體，所述的基頻脈沖和二倍頻脈沖在所述的 和頻晶體上產(chǎn)生單次脈沖的互相關(guān)信號(hào)，該互相關(guān)信號(hào)經(jīng)所述的光學(xué)成像系統(tǒng)成像在所述 的高動(dòng)態(tài)范圍的探測器上，最后由所述的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，實(shí)現(xiàn)單次 皮秒脈沖的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量。所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的放大率< 1/10倍。所述的高動(dòng)態(tài)范圍的探測器由兩組光纖陣列接收器和光電倍增管組成，每組光纖 陣列接收器的光纖數(shù)量> 61，因此兩組光纖陣列接收器共有光纖數(shù)> 122根。本發(fā)明的技術(shù)效果是本發(fā)明采用光學(xué)成像方法，解決了大口徑的互相關(guān)信號(hào)與小尺寸的高動(dòng)態(tài)范圍探 測器之間的矛盾。測量裝置中采用了一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)，用于將大口徑的互相關(guān)信號(hào)的空 間分布，成像到小尺寸的高動(dòng)態(tài)范圍探測器接收面上，從而實(shí)現(xiàn) 150ps范圍的單次皮秒 脈沖高動(dòng)態(tài)范圍的信噪比測量，時(shí)間分辨率為3ps，動(dòng)態(tài)范圍為105。基于互相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)超短脈沖信噪比測量的方案中，時(shí)間測量范圍與互相關(guān)過程 中的光束寬度成正比。為了增加時(shí)間測量范圍，必須采用大口徑光束，以及對(duì)應(yīng)尺寸的二倍 頻晶體、和頻晶體、諧波分離反射鏡、基頻反射鏡、二倍頻反射鏡。本發(fā)明中150ps的時(shí)間測 量范圍對(duì)應(yīng)的被測光束寬度為127mm，測量光路中用到的二倍頻晶體、和頻晶體的直徑應(yīng)為 150mm，基頻反射鏡和二倍頻反射鏡的直徑應(yīng)為210mm。經(jīng)過和頻晶體8之后得到的互相關(guān) 信號(hào)的寬度為129mm，目前還沒有合適的高動(dòng)態(tài)范圍光電探測器能夠接收該信號(hào)。Dongfang Zhang在2008年提出的信噪比測量裝置，以光電倍增管和光纖陣列接 收器作為光電探測器，光纖陣列接收器端面長度為7. 75mm，其動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到 107，但 其時(shí)間測量范圍只有士 lps。光電倍增管具有很高的靈敏度，我們于2009年在《中國激光》 報(bào)導(dǎo)了 108的動(dòng)態(tài)范圍的重復(fù)頻率超短脈沖的信噪比測量結(jié)果。法國Amplitude公司的互 相關(guān)測量儀Sequoia能夠?qū)崿F(xiàn)1(T的動(dòng)態(tài)范圍測量結(jié)果。因此在信噪比測量中使用光電倍 增管，目前最高能夠?qū)崿F(xiàn)10"1的動(dòng)態(tài)范圍測量結(jié)果。我們使互相關(guān)信號(hào)通過放大率為1/10倍的光學(xué)成像系統(tǒng)之后，得到互相關(guān)信號(hào) 的像的寬度為12. 9mm。兩組光纖陣列接收器的端面長度之和為15. 5mm，大于12. 9mm。所 以，可以通過兩組光纖陣列接收器以及光電倍增管組成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(19)進(jìn)行接 收和處理。每組光纖陣列接收器的光纖數(shù)量為61，因此兩組光纖陣列接收器有122根光 纖，12. 9mm的相關(guān)信號(hào)對(duì)應(yīng)的光纖數(shù)量為122 X 12. 9mm/15. 5mm = 102 (取整數(shù))，每根光 纖對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍為150ps/102 = 1.47ps。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率為 1.47psX2 = 3ps(取整數(shù))。綜上所述，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單次皮秒脈沖的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量，時(shí)間測量范 圍為150ps，時(shí)間分辨率為3ps，動(dòng)態(tài)范圍為108。


圖1是本發(fā)明單次皮秒脈沖信噪比測量儀的結(jié)構(gòu)簡圖；圖2是互相關(guān)信號(hào)產(chǎn)生過程分析。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明單次皮秒脈沖信噪比測量儀的結(jié)構(gòu)簡圖。由圖可見， 本發(fā)明單次皮秒脈沖信噪比測量儀，構(gòu)成包括二倍頻晶體2、諧波分離反射鏡3、基頻反射 鏡5、二倍頻反射鏡7、和頻晶體8、光學(xué)成像系統(tǒng)10、高動(dòng)態(tài)范圍的探測器11和數(shù)據(jù)采集處 理系統(tǒng)19，各元件的位置關(guān)系如下入射的待測的皮秒量級(jí)激光脈沖1，首先通過所述的二倍頻晶體2產(chǎn)生二倍頻脈 沖6，該二倍頻脈沖6和激光脈沖1的剩余的基頻脈沖4入射到所述的諧波分離反射鏡3 上，該諧波分離反射鏡3將基頻脈沖4和二倍頻脈沖6進(jìn)行分離所述的基頻脈沖4經(jīng)諧波 分離反射鏡3反射后，由所述的基頻反射鏡5導(dǎo)向所述的和頻晶體8 ；所述的二倍頻脈沖6 透過所述的諧波分離反射鏡3之后，由所述的二倍頻反射鏡7導(dǎo)向所述的和頻晶體8，所述 的基頻脈沖4和二倍頻脈沖6在所述的和頻晶體8上產(chǎn)生單次脈沖的互相關(guān)信號(hào)9，該互相 關(guān)信號(hào)9經(jīng)所述的光學(xué)成像系統(tǒng)10成像在所述的高動(dòng)態(tài)范圍的探測器11上，最后由所述 的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)19進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，實(shí)現(xiàn)單次皮秒脈沖的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量。對(duì)于兩個(gè)超短脈沖的時(shí)域信號(hào)I (t)、I ‘ (t)，其互相關(guān)過程的數(shù)學(xué)描述為X( X ) = / I(t)I' (t- x ) dt其中，t為兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間延遲。在超短脈沖的互相關(guān)測量物理過程中，只有一個(gè)入射脈沖I (t)，即基頻脈沖。另一 個(gè)脈沖I' (t)是由I(t)經(jīng)過二倍頻晶體產(chǎn)生，即二倍頻脈沖，表示為I' (t)=I2u(t)因此，互相關(guān)信號(hào)可以表示為X(x) = / I(t)I20J(t-x)dt在單次脈沖的互相關(guān)方法測量中，通過采用兩束寬光束的傾斜相交產(chǎn)生光程延 遲，來實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲丁。在本發(fā)明中，當(dāng)基頻脈沖中心位置13與二倍頻脈沖中心位置16到達(dá)和頻晶體8 的時(shí)間相同時(shí)，二倍頻脈沖上邊緣15到達(dá)和頻晶體8的時(shí)間將落后于基頻脈沖上邊緣12， 二倍頻脈沖下邊緣17將比基頻脈沖下邊緣14提前到達(dá)和頻晶體8。在和頻晶體8表面，基頻脈沖上邊緣12相對(duì)于基頻中心位置13的距離為A12jl3 = Dbeam/2cosO其中，Db_為光束寬度，2。為基頻脈沖和二倍頻脈沖之間的夾角?；l脈沖上邊緣12相對(duì)于基頻脈沖中心位置13到達(dá)和頻晶體8的時(shí)間提前量 為6 12,13 = A 12a3sinO/c = DbeamtanO/2c同理，二倍頻脈沖上邊緣15相對(duì)于二倍頻脈沖中心位置16到達(dá)和頻晶體8的時(shí) 間延遲量為615a6 = DbeamtanO/2c所以，二倍頻作為掃描脈沖，其上邊緣15與基頻脈沖上邊緣12之間的時(shí)間延遲
5為615>12 = +DbeamtanO/c同理，二倍頻脈沖下邊緣17與基頻脈沖下邊緣14之間的時(shí)間延遲為617a4 = -DbeamtanO/c因此，在本發(fā)明中，自相關(guān)過程的時(shí)間延遲T的取值范圍為(-Db_tanO/C， +DbeamtanO/c)0考慮到倍頻效率小于10%的情況下，二倍頻脈沖的半高全寬(FWHM)小于基頻脈 沖的半高全寬(FWHM)。因此互相關(guān)信號(hào)的時(shí)間波形，就是被測脈沖的時(shí)間波形，本發(fā)明可測 量的時(shí)間范圍為2DbMmtan①/c。為了測量時(shí)間范圍為T的激光脈沖，對(duì)應(yīng)的被測脈沖的光束寬度為 dx=tc/2sinθ其中，c為光速，20為基頻脈沖和二倍頻脈沖之間的夾角，本發(fā)明中①=15°。 當(dāng)t = 150ps時(shí)，對(duì)應(yīng)的被測脈沖寬度為Dbeam= 127mm。進(jìn)一步，在和頻晶體8之后產(chǎn)生 的互相關(guān)信號(hào)9，其空間上的寬度口、為Db_/C0S①=129mm?；ハ嚓P(guān)信號(hào)的空間寬度Dx與
時(shí)間范圍t之間的關(guān)系為Dx=tc/2sinθ經(jīng)過本實(shí)施例的M= 1/10的光學(xué)成像系統(tǒng)10之后，可以得到和頻晶體8上產(chǎn)生的 互相關(guān)信號(hào)的像18。該互相關(guān)信號(hào)的像18的空間寬度D' x= 12.9!11111，仍然等效于15(^8 的時(shí)間延遲范圍。該互相關(guān)信號(hào)的像18中，空間寬度D'、與時(shí)間測量范圍T之間的關(guān)系 為 Dx=Mtc/2sinθ本實(shí)施例，150ps對(duì)應(yīng)的互相關(guān)信號(hào)的像的寬度為12. 9mm，通過兩組光纖陣列接 收器和光電倍增管組成的高動(dòng)態(tài)范圍的探測器11進(jìn)行接收和處理，接收端面為15. 5mm，接 收單元為122根光纖。12. 9mm的互相關(guān)信號(hào)對(duì)應(yīng)的光纖數(shù)量為102根(取整數(shù))，每根光 纖對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍為150ps/102 = 1.47ps。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率為 1.47psX2 = 3ps(取整數(shù))。動(dòng)態(tài)范圍為108。
權(quán)利要求
一種單次皮秒脈沖信噪比測量儀，特征在于其構(gòu)成包括二倍頻晶體(2)諧波分離反射鏡(3)、基頻反射鏡(5)、二倍頻反射鏡(7)、和頻晶體(8)、光學(xué)成像系統(tǒng)(10)、高動(dòng)態(tài)范圍的探測器(11)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(19)，各元件的位置關(guān)系如下入射的待測的皮秒量級(jí)激光脈沖(1)，首先通過所述的二倍頻晶體(2)產(chǎn)生二倍頻脈沖(6)，該二倍頻脈沖(6)和激光脈沖(1)的剩余的基頻脈沖(4)入射到所述的諧波分離反射鏡(3)上，該諧波分離反射鏡(3)將基頻脈沖(4)和二倍頻脈沖(6)進(jìn)行分離所述的基頻脈沖(4)經(jīng)諧波分離反射鏡(3)反射后，由所述的基頻反射鏡(5)導(dǎo)向所述的和頻晶體(8)；所述的二倍頻脈沖(6)透過所述的諧波分離反射鏡(3)之后，由所述的二倍頻反射鏡(7)導(dǎo)向所述的和頻晶體(8)，所述的基頻脈沖(4)和二倍頻脈沖(6)在所述的和頻晶體(8)上產(chǎn)生單次脈沖的互相關(guān)信號(hào)(9)，該互相關(guān)信號(hào)(9)經(jīng)所述的光學(xué)成像系統(tǒng)(10)成像在所述的高動(dòng)態(tài)范圍的探測器(11)上，最后由所述的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(19)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，實(shí)現(xiàn)單次皮秒脈沖的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單次皮秒脈沖信噪比測量儀，其特征在于所述的光學(xué)成像系 統(tǒng)(10)的放大率≤ 1/10倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單次皮秒脈沖信噪比測量儀，其特征在于所述的高動(dòng)態(tài)范圍 的探測器(11)由兩組光纖陣列接收器和光電倍增管組成，每組光纖陣列接收器的光纖數(shù) 量≥61，因此兩組光纖陣列接收器共有光纖數(shù)> 122根。
全文摘要
一種單次皮秒脈沖信噪比測量儀，基于光學(xué)成像系統(tǒng)的互相關(guān)測量方案，構(gòu)成包括二倍頻晶體、諧波分離反射鏡、基頻反射鏡、二倍頻反射鏡、和頻晶體、光學(xué)成像系統(tǒng)、高動(dòng)態(tài)范圍的探測器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單次皮秒脈沖的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量，時(shí)間測量范圍為150ps，時(shí)間分辨率為3ps，動(dòng)態(tài)范圍為108?？梢詫?shí)現(xiàn)～150ps范圍內(nèi)的高動(dòng)態(tài)范圍信噪比測量。
文檔編號(hào)G01J11/00GK101865727SQ20101020756
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者朱健強(qiáng), 朱寶強(qiáng), 歐陽小平 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所