專利名稱：基于啁啾脈沖特性的單次信噪比測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于啁啾脈沖特性的單次信噪比測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
超短超強(qiáng)激光脈沖與物質(zhì)相互作用是一個(gè)強(qiáng)場作用過程，脈沖信噪比是直接影響激光與物質(zhì)相互作用效果的一個(gè)非常重要的參數(shù)，精確的測量出超短超強(qiáng)激光脈沖的信噪比對于強(qiáng)場物理是至關(guān)重要的。對于皮秒和飛秒脈沖信噪比的測量，通用的條紋相機(jī)等電子測量技術(shù)已無法滿足需要，最常用的測量方法是三階自相關(guān)法等技術(shù)。三次相關(guān)法采用一次倍頻和一次和頻過程得到三倍頻信號(hào)，可以比較準(zhǔn)確的測量脈沖的子脈沖、前沿、后沿等噪聲信息。該方法通常采用掃描測量方式，可用于測量重復(fù)頻率較高(IOHz以上)、能量穩(wěn)定輸出的超短脈沖。但當(dāng)脈沖放大到焦耳量級(jí)、強(qiáng)度達(dá)到帕瓦量級(jí)時(shí)，重復(fù)頻率低，通常都是單次脈沖，對于這類單次運(yùn)行的超強(qiáng)激光裝置，必須采用單次測量。現(xiàn)在的單次測量系統(tǒng)通常是基于三倍頻或差頻相關(guān)的方式，采用各種方法將單脈沖進(jìn)行復(fù)制或者不同延遲時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)單次測量，通常可探測時(shí)間窗口僅為幾十皮秒。光克爾效應(yīng)是由介質(zhì)的三階非線性引起的效應(yīng)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超短脈沖的泵浦探測實(shí)驗(yàn)中。光克爾效應(yīng)可表示為f(..1Ks=Ipmhe sin- (2沒)sirr (-才)Itts是光克爾效應(yīng)透射光強(qiáng)，Iprabe是探測光強(qiáng)，0是泵浦光和探測光偏振方向的夾角，A Cj5是非線性相移。當(dāng)非線性相移較小時(shí)，可近似為。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于啁啾脈沖特性的單次信噪比測量方法和裝置，克服了現(xiàn)有單次信噪比測量方法和裝置時(shí)間窗口較窄(一般為幾十皮秒)的缺點(diǎn)，本方法可單次測量幾百皮秒。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量方法，包括以下步驟，(I)產(chǎn)生光克爾信號(hào)；(2) CXD采集光克爾信號(hào)得到光強(qiáng)在空間上的分布；(3)根據(jù)光強(qiáng)在空間上的分布信息計(jì)算得到信噪比；其特殊之處在于步驟(I)中產(chǎn)生光克爾信號(hào)的具體步驟是(1.1)將待測激光分成兩束，一束作為泵浦光，另一束作為探測光；(1. 2)探測光經(jīng)展寬裝置展寬為時(shí)間上啁啾和空間上啁啾的脈沖，展寬后脈沖經(jīng)過第一偏振器后，聚焦到非線性介質(zhì)中；(1. 3)泵浦光通過光延遲裝置，繼而通過半波片調(diào)整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向與探測光的偏振方向所成角度為a，a古90°，聚焦到非線性介質(zhì)中；(1. 4)調(diào)整光延遲裝置使泵浦光和探測光同步到達(dá)非線性介質(zhì)，即使得泵浦光和探測光在時(shí)間上重合；調(diào)節(jié)泵浦光光路上各器件的傾角和位置，使探測光與泵浦光聚焦焦點(diǎn)重合在非線性介質(zhì)中，即泵浦光和探測光在空間上重合；(1. 5)將透過非線性介質(zhì)的探測光準(zhǔn)直后，再經(jīng)過第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向與第一偏振器的透射偏振方向垂直，能夠透過第二偏振器的光信號(hào)即光克爾信號(hào)。展寬裝置包括由兩塊相同光柵組成的光柵對或由兩塊相同三棱鏡組成的棱鏡對，所述光柵對中的第一塊光柵設(shè)置于探測光的光路，第二塊光柵設(shè)置于第一塊光柵的衍射光路上，第一偏振器設(shè)置于第二塊光柵的出射光路上；所述棱鏡對以同樣方式設(shè)置。 光柵為反射光柵或透射光柵。三棱鏡是具有色散性質(zhì)的三棱鏡?；诿}沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，包括將待測激光分成泵浦光和探測光的分束裝置和將探測光進(jìn)行展寬的展寬裝置，其特殊之處在于所述展寬裝置包括由兩塊相同光柵組成的光柵對或由 兩塊相同棱鏡組成的棱鏡對，所述光柵對中的第一塊光柵設(shè)置于探測光的光路，第二塊光柵設(shè)置于第一塊光柵的衍射光路上；所述棱鏡對以同樣方式設(shè)置。測量裝置還包括設(shè)置于展寬裝置與CCD之間的空間光調(diào)制器或衰減元件，所述空間光調(diào)制器或衰減元件用于對CCD上探測到強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行固定倍數(shù)地衰減，防止CCD相面的飽和，增大可探測的動(dòng)態(tài)范圍。CXD選用科學(xué)級(jí)CXD。非線性介質(zhì)選用三階非線性系數(shù)較大的液體或固體材料，優(yōu)選的，所述非線性介質(zhì)是CS2、鉍酸鹽玻璃或碲酸鹽玻璃。偏振器為偏振棱鏡或偏振片。偏振器為尼克爾棱鏡、格蘭棱鏡、格蘭-泰勒棱鏡或渥拉斯頓棱鏡。本發(fā)明的原理是利用光克爾門效應(yīng)構(gòu)建泵浦探測光路，該測量裝置是通過光柵或棱鏡將探測光展寬為時(shí)間上啁啾和空間上啁啾的激光脈沖；測量過程中可選啁啾脈沖半高寬區(qū)域內(nèi)作為測量窗口。當(dāng)泵浦光在非線性介質(zhì)中形成光克爾門，對探測光形成時(shí)間上的選通信號(hào)，也就是由于非線性介質(zhì)的三階非線性對探測光中時(shí)間同步的部分產(chǎn)生了偏振旋轉(zhuǎn)。最終通過檢偏器，再由科學(xué)級(jí)C⑶采集透射的信號(hào)，得到光強(qiáng)Itts在空間上的分布。由
1PumP 00 ^1OKsI1Probe可知，CCD上各點(diǎn)歸一化的Ims與Ijffdre強(qiáng)度分布開方后就反映了待測激
光脈沖(即泵浦光)的信噪比信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本方法通過光柵或棱鏡等展寬裝置引入較大的色散量，將探測光脈沖展寬到幾百皮秒或更寬，能夠使單次信噪比測量裝置的時(shí)間窗口達(dá)到幾百皮秒以上。(2)本測量信噪比裝置的時(shí)間分辨率由非線性介質(zhì)的響應(yīng)時(shí)間和CCD的空間分辨率決定。因此，選用鉍酸鹽玻璃或碲酸鹽玻璃(響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到飛秒量級(jí))等響應(yīng)時(shí)間快的非線性介質(zhì)有利于信噪比測量時(shí)間分辨率的提高；選擇高空間分辨率和大橫向尺寸的CCD的利于時(shí)間分辨率與時(shí)間窗口的提高。
(3)本測量信噪比裝置的動(dòng)態(tài)范圍取決于第一偏振器和第二偏振器的消光比以及CCD的動(dòng)態(tài)范圍。因此，在調(diào)節(jié)到兩偏振器嚴(yán)格垂直的情況下，要求第一偏振器和第二偏振器的消光比越高越好，通?？筛哂贗O5 ;同時(shí)CCD的動(dòng)態(tài)范圍越大越好。(4)在展寬裝置與C⑶之間插入空間光調(diào)制器或衰減元件，對CXD上探測信號(hào)光強(qiáng)較強(qiáng)的部分進(jìn)行固定倍數(shù)地衰減，防止CCD相面的飽和，增大可探測信噪比的動(dòng)態(tài)范圍。


圖1利用啁啾脈沖特性測量信噪比原理圖；圖2利用光柵對的脈沖激光信噪比測量裝置圖；圖3利用棱鏡對的脈沖激光信噪比測量裝置圖。其中1_脈沖激光器；2_分光束；3_小孔光闌；4-光柵；5_三棱鏡；6_第一偏振器；7_第一聚焦透鏡；8_非線性介質(zhì)；9_準(zhǔn)直透鏡；10-第二偏振器；I1-CXD ;12_半波片；13-第二聚焦透鏡。具體實(shí)施方法本發(fā)明的原理是利用光克爾門效應(yīng)構(gòu)建泵浦探測光路，該測量裝置是通過光柵或棱鏡將探測光展寬為時(shí)間上啁啾和空間上啁啾的激光脈沖；而泵浦光是待測的被壓縮的超短脈沖，通常是皮秒或飛秒脈沖，如圖1所示，測量過程中可選啁啾脈沖半高寬區(qū)域內(nèi)作為測量窗口(見圖1中虛線框內(nèi)區(qū)域)。當(dāng)泵浦光在非線性介質(zhì)中形成光克爾門，對探測光形成時(shí)間上的選通信號(hào)，也就是由于非線性介質(zhì)的三階非線性對探測光中時(shí)間同步的部分產(chǎn)生了偏振旋轉(zhuǎn)。最終通過檢偏器，再由科學(xué)級(jí)C⑶采集透射的信號(hào)，得到克爾信號(hào)光強(qiáng)Itts
在空間上的分布。由
權(quán)利要求
1.基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量方法，包括以下步驟， (1)產(chǎn)生光克爾信號(hào)； (2)CCD采集光克爾信號(hào)得到光強(qiáng)在空間上的分布； (3)根據(jù)光強(qiáng)在空間上的分布信息計(jì)算得到信噪比； 其特征在于步驟(I)中產(chǎn)生光克爾信號(hào)的具體步驟是 (1.1)將待測激光分成兩束，一束作為泵浦光，另一束作為探測光； (1. 2)探測光經(jīng)展寬裝置展寬為時(shí)間上啁啾和空間上啁啾的脈沖，展寬后脈沖經(jīng)過第一偏振器后，聚焦到非線性介質(zhì)中； (1. 3)泵浦光通過光延遲裝置，繼而通過半波片調(diào)整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向與探測光的偏振方向所成角度為a，a古90°，聚焦到非線性介質(zhì)中； (1. 4)調(diào)整光延遲裝置使泵浦光和探測光同步到達(dá)非線性介質(zhì)，即使得泵浦光和探測光在時(shí)間上重合；調(diào)節(jié)泵浦光光路上各器件的傾角和位置，使探測光與泵浦光聚焦焦點(diǎn)重合在非線性介質(zhì)中，即泵浦光和探測光在空間上重合； (1.5)將透過非線性介質(zhì)的探測光準(zhǔn)直后，再經(jīng)過第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向與第一偏振器的透射偏振方向垂直，能夠透過第二偏振器的光信號(hào)即光克爾信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量方法，其特征在于所述展寬裝置包括由兩塊相同光柵組成的光柵對或由兩塊相同三棱鏡組成的棱鏡對，所述光柵對中的第一塊光柵設(shè)置于探測光的光路，第二塊光柵設(shè)置于第一塊光柵的衍射光路上，第一偏振器設(shè)置于第二塊光柵的出射光路上；所述棱鏡對以同樣方式設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量方法，其特征在于所述光柵為反射光柵或透射光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量方法，其特征在于所述三棱鏡是具有色散性質(zhì)的三棱鏡。
5.基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，包括將待測激光分成泵浦光和探測光的分束裝置和將探測光進(jìn)行展寬的展寬裝置，其特征在于所述展寬裝置包括由兩塊相同光柵組成的光柵對或由兩塊相同棱鏡組成的棱鏡對，所述光柵對中的第一塊光柵設(shè)置于探測光的光路，第二塊光柵設(shè)置于第一塊光柵的衍射光路上；所述棱鏡對以同樣方式設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，其特征在于所述測量裝置還包括設(shè)置于展寬裝置與CCD之間的空間光調(diào)制器或衰減元件，所述空間光調(diào)制器或衰減元件用于對CCD上探測到強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行固定倍數(shù)地衰減，防止CCD相面的飽和，增大可探測的動(dòng)態(tài)范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，其特征在于所述CXD選用科學(xué)級(jí)CXD。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，其特征在于所述偏振器為偏振棱鏡或偏振片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，其特征在于所述偏振器為尼克爾棱鏡、格蘭棱鏡、格蘭-泰勒棱鏡或渥拉斯頓棱鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于脈沖啁啾特性的單次信噪比測量裝置，其特征在于所述非線性介質(zhì)選用三階非線性系數(shù)較大的液體或固體材料，優(yōu)選的，所述非線性介質(zhì)是 CS2、鉍酸鹽玻璃或碲酸鹽玻璃。
全文摘要
本發(fā)明是基于啁啾脈沖特性的單次信噪比測量方法和裝置，能夠測量單次脈沖的信噪比。其原理是利用光克爾效應(yīng)構(gòu)建泵浦探測光路，該測量裝置是通過光柵或棱鏡將探測光展寬為時(shí)間上啁啾和空間上啁啾的激光脈沖。探測光因光克爾效應(yīng)從檢偏器透射，再由科學(xué)級(jí)CCD采集透射的信號(hào)，得到待測激光脈沖的信噪比信息。本方法通過光柵或棱鏡引入較大的負(fù)色散量，將探測光脈沖展寬到幾百皮秒或更寬，能夠使時(shí)間窗口達(dá)到幾百皮秒或更寬。而且可通過在探測光路中插入空間光調(diào)制器，最終增加動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號(hào)G01J11/00GK103063315SQ20121059129
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者王向林, 王屹山, 趙衛(wèi), 張偉, 楊直, 胡曉鴻 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所