一種多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量方法及裝置，包括取樣光路，延遲光路，縮束及合束光路，分束鏡及探測器。被測光束經(jīng)取樣鏡后由延遲系統(tǒng)產(chǎn)生大于激光脈沖的延遲，再經(jīng)縮束及合束鏡進(jìn)行合束，最后由分光鏡對(duì)合束后的光束進(jìn)行分光，分別進(jìn)行波形和能量的測量。然后根據(jù)總能量和波形序列計(jì)算出各光束對(duì)應(yīng)的能量，完成對(duì)所有光束激光參數(shù)測試。該測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路激光參數(shù)的高效集中測試，且可避免不同探測元件間性能參數(shù)和調(diào)試狀態(tài)差異引起的系統(tǒng)誤差，具有廣泛適用性。
【專利說明】一種多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量方法及裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光參數(shù)測試方法，特別涉及一種多路激光參數(shù)的高效測試方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在大型高功率激光系統(tǒng)中，為了獲得高能量和大功率輸出，常常采用多路光束，并進(jìn)行多級(jí)放大。系統(tǒng)中光束傳輸環(huán)節(jié)多，光束數(shù)量多，具有很高的光學(xué)復(fù)雜性。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和評(píng)價(jià)“平臺(tái)”中各個(gè)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)，對(duì)每一級(jí)放大系統(tǒng)和每一光束激光參數(shù)進(jìn)行在線診斷測試，測試點(diǎn)常常達(dá)到幾十上百個(gè)，需要采用復(fù)雜的測試系統(tǒng)，為降低復(fù)雜度，提高測試的可靠性，需要研究高效的激光參數(shù)診斷測試方法。
[0003]傳統(tǒng)激光多路激光參數(shù)測量方式參數(shù)獨(dú)立、位置分散、記錄復(fù)雜、價(jià)格昂貴。由于傳統(tǒng)參數(shù)測量方式中元件分散、獨(dú)立，眾多的光學(xué)元件導(dǎo)致光路調(diào)試起來較為復(fù)雜。又因?yàn)楣鈱W(xué)元件和探測器之間性能參數(shù)和調(diào)試狀態(tài)各不相同，會(huì)帶來系統(tǒng)誤差。這將導(dǎo)致測試效率不高，誤差難以控制。為降低測試系統(tǒng)復(fù)雜度，需要研究高效的測試技術(shù)。
[0004]目前典型的高功率激光系統(tǒng)都對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。我國原子能科學(xué)院的天光裝置設(shè)計(jì)了一套激光能量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)(中國原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2008，pl90)，可以對(duì)能量、波形和波前均勻性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)主要基于分散獨(dú)立的硬件和軟件。中國工程物理研究院星光II (強(qiáng)激光與粒子束，2000，Vol.12，p35-38)、神光II (激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2001 (9)，p82)裝置參數(shù)采樣光路與準(zhǔn)直系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)公用，利用主光路上的反射鏡漏光或者傾斜透鏡反射光束取樣，分別測量激光能量信號(hào)和波形信號(hào)，也是基于分散獨(dú)立元件。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的問題針對(duì)現(xiàn)有多路激光參數(shù)分時(shí)測量的方法及裝置，通過測試光路的合理設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中多路光束激光參數(shù)進(jìn)行分時(shí)測量，可采用同一探測器和能量計(jì)對(duì)多路激光參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，提高了測試效率，降低了系統(tǒng)誤差。
[0006]本發(fā)明的構(gòu)思為分時(shí)法多路激光參數(shù)高效測試系統(tǒng):包括取樣光路，延遲光路，縮束、合束及分光光路，能量及波形探測器。取樣光路采用取樣率為R的鍍膜石英光楔對(duì)被測光束進(jìn)行分振幅透射取樣，通過延遲光路使各取樣光束間延時(shí)為At，通過縮束透鏡使光束成為匯聚光束，再通過合束光路使得各路光束在透鏡焦點(diǎn)處匯聚。采用分束鏡對(duì)合束后的光束進(jìn)行分光，一路通過光電管進(jìn)行波形分時(shí)測量，另一路通過能量計(jì)進(jìn)行總能量測量。
[0007]上述分時(shí)法多路激光參數(shù)高效測試系統(tǒng)中取樣光路為鍍膜石英光楔透射取樣法，正面為高反射膜，背面為高透射膜，取樣率由鍍膜控制。
[0008]上述分時(shí)法多路激光參數(shù)高效測試系統(tǒng)中延遲光路延遲時(shí)間由所測量的激光脈沖寬度決定，At應(yīng)大于激光脈寬。
[0009]上述分時(shí)法多路激光參數(shù)高效測試系統(tǒng)中縮束及合束光路保證焦斑大小與探測器口徑匹配，焦斑直徑為d=f0 (f為透鏡焦距，Θ為光束發(fā)散角)。
[0010]上述分時(shí)法多路激光參數(shù)高效測試系統(tǒng)中合束后的分束鏡為鍍膜石英光楔，分束比與探測器量程匹配。
[0011]本發(fā)明具有以下有益結(jié)果:
[0012]1、本發(fā)明采用對(duì)多路光束進(jìn)行合束后集中測量，減少了探測器的數(shù)量和光學(xué)元件數(shù)目，降低了測試系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了探測效率；
[0013]2、本發(fā)明采用由于采用同一探測器對(duì)多路激光束進(jìn)行參數(shù)測量，避免了由于不同探測器間性能參數(shù)和調(diào)試狀態(tài)差異所帶來的系統(tǒng)誤差；
[0014]3、本發(fā)明所采用的測量方法適用于不僅適用于高功率激光系統(tǒng)，且適合其它需要進(jìn)行多路激光參數(shù)測量的場合，具有廣泛適用性；
[0015]4、本發(fā)明所提出的測試方法，不但可以采用傳統(tǒng)分立光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，也同樣可以由光纖等其它光學(xué)元件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，原理相同，為該測試系統(tǒng)的變形。
[0016]5、本發(fā)明所提出的測試方法對(duì)于系統(tǒng)中多路光束間本來就存在延遲間隔或取樣光束傳輸特性為會(huì)聚光束的激光系統(tǒng)尤為適用，可以大大簡化測試光路，同樣為該光路的變形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的分時(shí)多路激光參數(shù)高效測試方法原理圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例獲得的測試波形。
[0019]附圖標(biāo)記如下:
[0020]1-取樣單元；2_延遲單元；3_合束單元；4_探測單元；5_分光鏡；6_能量計(jì)；7-功率計(jì)；8-折返鏡；9-匯聚透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置如圖1所示，包括取樣單元、延時(shí)單元、合束單元和探測單元；
[0022]沿空間排布的待測量的多路單脈沖激光進(jìn)行經(jīng)過取樣單元進(jìn)行分振幅取樣，并將分振幅取樣后得到的多路取樣光束入射至延時(shí)單元；取樣單元為鍍膜石英光楔，其中包含絕大部分能量的主光束用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，而取樣光束則用于激光參數(shù)測量。
[0023]延時(shí)單元分別對(duì)多路取樣光束進(jìn)行延時(shí)，使得同時(shí)達(dá)到的光脈沖在時(shí)間排布上形成無重疊的光脈沖序列；如圖1所示，通常情況下，測量的目標(biāo)為同步性較好的光脈沖，也就是說多路光脈沖是同時(shí)達(dá)到取樣單元的。延時(shí)單元采用不同光程設(shè)置的折返鏡，其中最小的延時(shí)光程應(yīng)大于最大的單脈沖脈寬，這樣在后續(xù)合束后才能在時(shí)間軸上將光脈沖分開，避免重疊；同樣延時(shí)單元也可以采用不同長度的光纖，光纖所帶來的附加光程也需要滿足將光脈沖序列分開的要求。
[0024]合束單元將延時(shí)后的多路取樣光束合束后入射至探測單元；對(duì)于經(jīng)過折返鏡出射的光束，可采用多只焦距相同匯聚透鏡作為合束單元，這時(shí)功率計(jì)和能量計(jì)設(shè)置在匯聚透鏡的焦點(diǎn)上，這樣可以保證采用小口徑的能量計(jì)和功率計(jì)以及同一只分光鏡就可以實(shí)現(xiàn)激光參數(shù)測量，對(duì)于采用不同長度的光纖作為延時(shí)單元時(shí)，只需要將光纖尾端合并為一束，并制成光纖連接器，就可以直接入射至探測單元進(jìn)行探測。
[0025]探測單元包括分光鏡、能量計(jì)和功率計(jì)，合束單元出射的合束光束經(jīng)過分光鏡后，主光束入射至能量計(jì)，分光束入射至功率計(jì)。能量計(jì)記錄多個(gè)脈沖的總能量，功率計(jì)則選用時(shí)間分辨率較高的功率計(jì)，實(shí)現(xiàn)脈沖序列中多個(gè)脈沖隨時(shí)間變化的功率波形監(jiān)測，并根據(jù)不同脈沖的功率波形積分得到的能量因子，進(jìn)而計(jì)算得到取樣光束的功率和能量值，并根據(jù)取樣單元的分振幅取樣系數(shù)，計(jì)算得到多路入射脈沖激光的能量及功率參數(shù)。
[0026]為了使得測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可以通過折返鏡的合理布置，僅可能使得合束時(shí)不同取樣激光束之間的夾角較小，匯聚透鏡9的焦距的選擇應(yīng)使得合束時(shí)的焦斑大小與能量計(jì)和光電管的接收孔徑匹配。
[0027]本發(fā)明的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量方法，包括以下步驟:
[0028][I]將沿空間排布的待測量的η路單脈沖激光進(jìn)行分振幅取樣；
[0029][2]將分振幅取樣后得到的取樣光束通過不同光程的折返鏡組或不同長度的光纖延時(shí)(1-1) △ t,使得取樣光束在時(shí)間排布上形成無重疊的光脈沖序列,其中i為光纖的路數(shù)，延時(shí)時(shí)間△ t大于多路單脈沖激光的最大脈寬T ；
[0030][3]將延時(shí)后的η路取樣光束入射至同一只能量計(jì)，測量得到η路取樣光束的總能量Ε，并在能量計(jì)前監(jiān)測光脈沖序列的功率波形Pi (t)；
[0031][4]對(duì)PJt)中的η個(gè)光脈沖進(jìn)行單獨(dú)的時(shí)間積分，得到第i路取樣光束單脈沖激光的能量因子h，則第i路取樣 光束單脈沖激光的能量為Ei=Gci/ Σ kjE ;
[0032][5]根據(jù)步驟[2]分振幅取樣的取樣系數(shù)，計(jì)算得到待測量的η路單脈沖激光的能
量及功率參數(shù)。
[0033]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
[0034]在高功率準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)中，選擇其中三束光路進(jìn)行分時(shí)法集中測量。采用鍍膜石英光楔獲得了能量為μ J量級(jí)的取樣光束，三束取樣光束為平行光束，能量大致相同，發(fā)散角約為3mrad。被測激光脈沖半寬約為10ns，設(shè)置延遲光路間程差為6m，即延遲時(shí)間為20ns。匯聚透鏡焦距為3.0m，被測光束焦斑直徑為9.0mm。分光鏡口徑Φ50πιπι，分束比為100:1。能量計(jì)采用0PIR-PD10，量程為20nJ_2mJ ;功率計(jì)選用HAMAMAZU1193-54光電管，響應(yīng)時(shí)間約為lOOps。
[0035]圖2是光電管7測得的典型波形序列，表明三路激光能同時(shí)得到良好的波形。此外采用分別測量三路激光能量和本發(fā)明的分時(shí)測量能量的方法，對(duì)本發(fā)明的能量分配法進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明，二者的能量測量誤差在在5%以內(nèi)。
[0036]本發(fā)明不僅適用于高功率激光系統(tǒng)，還適用于其它類似的多路脈沖激光參數(shù)測試場合。本發(fā)明中分立光學(xué)元件也可采用光纖等其它光學(xué)傳輸元件代替。對(duì)各光束間存在時(shí)間延遲的被測光束，延遲光路可以省略，以上變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量方法，其特征在于，包括以下步驟: [1]將沿空間排布的待測量的η路單脈沖激光進(jìn)行分振幅取樣； [2]將分振幅取樣后得到的取樣光束通過不同光程的折返鏡組或不同長度的光纖延時(shí)(1-1) At，使得取樣光束在時(shí)間排布上形成無重疊的光脈沖序列，其中i為光纖的路數(shù)，延時(shí)時(shí)間△ t大于多路單脈沖激光的最大脈寬T ； [3]將延時(shí)后的η路取樣光束入射至同一只能量計(jì)，測量得到η路取樣光束的總能量Ε，并在能量計(jì)前監(jiān)測光脈沖序列的功率波形Pi (t)； [4]對(duì)PJt)中的η個(gè)光脈沖進(jìn)行單獨(dú)的時(shí)間積分，得到第i路取樣光束單脈沖激光的能量因子h，則第i路取樣光束單脈沖激光的能量為Ei=Gci/ Σ kjE ； [5]根據(jù)步驟[2]分振幅取樣的取樣系數(shù)，計(jì)算得到待測量的η路單脈沖激光的能量及功率參數(shù)。
2.一種多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置，其特征在于:包括取樣單元、延時(shí)單元、合束單元和探測單元； 所述的取樣單元對(duì)沿空間排布的待測量的多路單脈沖激光進(jìn)行分振幅取樣，并將分振幅取樣后得到的多路取樣光束入射至延時(shí)單元； 所述的延時(shí)單元分別對(duì)多 路取樣光束進(jìn)行延時(shí)，使得同時(shí)達(dá)到的光脈沖在時(shí)間排布上形成無重疊的光脈沖序列； 所述合束單元將延時(shí)后的多路取樣光束合束后入射至探測單元； 所述的探測單元包括分光鏡、能量計(jì)和功率計(jì)，合束單元出射的合束光束經(jīng)過分光鏡后，主光束入射至能量計(jì)，分光束入射至功率計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置，其特征在于:所述的取樣單元為鍍膜石英光楔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置，其特征在于:所述的延時(shí)單元為不同光程設(shè)置的折返鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置，其特征在于:所述的延時(shí)單元為不同長度的光纖，所述的合束單元為將光纖尾端合并為一束的光纖連接器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置，其特征在于:所述的合束單元為多只焦距相同匯聚透鏡，所述的功率計(jì)和能量計(jì)設(shè)置在匯聚透鏡的焦點(diǎn)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多路單脈沖激光參數(shù)的分時(shí)測量裝置，其特征在于:所述的匯聚透鏡的焦距與功率計(jì)、能量計(jì)的接收孔徑角相匹配。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK103542942SQ201310486096
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】胡云, 王大輝, 趙學(xué)慶, 張永生 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所