專利名稱：一種基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體為ー種基于高階準位相匹配互相關(guān)進行信噪比單次測量的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
在強激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域，脈 沖信噪比是ー個主要關(guān)心的問題。如果前沿脈沖或本底的強度高達101° W/cm2，那么它們就會在主激光脈沖達到之前與物質(zhì)進行相互作用，從而會改變物質(zhì)靶的物理特性。鑒于此，信噪比的測量尤為重要。由于目前的高強度激光系統(tǒng)普遍工作在低重復(fù)率下，甚至無重復(fù)率(即單次)，需要ー種技術(shù)能夠進行脈沖信噪比的實時測量，以便于激光系統(tǒng)的優(yōu)化和信噪比的提升。盡管掃描型的信噪比測量技術(shù)已經(jīng)很成熟而且已經(jīng)商品化，實際可用的單次測量技術(shù)仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。目前世界上還沒有ー種技術(shù)可以同時實現(xiàn)大窗ロ、高分辨率、高保真度和高動態(tài)范圍的信噪比單次測量，而這四個方面恰恰是實際信噪比測量最為關(guān)心的指標。對于ー個信噪比單次測量裝置來說，最主要的是兩個部分相關(guān)過程和探測系統(tǒng)。探測系統(tǒng)主要決定測量的動態(tài)范圍，而且目前已有基于光纖陣列和光電倍增管的探測系統(tǒng)(美國專利us 8，071，934 B2)可以提供超靈敏的測量。剩余的三個指標(時間窗ロ、分辨率和保真度)主要由相關(guān)過程來決定。目前的技術(shù)可以分別對其中ー個指標優(yōu)化，犧牲其余兩個指標。比如傾斜脈沖前端可以增大單次時間窗ロ，但也會降低測量分辨率。分辨率和保真度之間也存在不可調(diào)和的矛盾。薄晶體可以支持高分辨率，但光在其前后面的反射不可避免地引入測量假信號。舉個例子，對于I mm厚的BBO晶體，以三階諧波產(chǎn)生互相關(guān)構(gòu)型，測量1054 nm脈沖信噪比，可以在20 ps/cm (即每Icm晶體寬度支持20 ps的窗ロ)的窗口內(nèi)支持O. 5 ps的分別率，但是窗口內(nèi)會出現(xiàn)反射形成的假信號，比如前沿11 ps處會出現(xiàn)ー級反射假信號，前沿22 ps處出現(xiàn)ニ級反射假信號，這些假信號會干擾信噪比的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前信噪比單次測量尤其是相關(guān)過程的不足，提供ー種能同時實現(xiàn)大窗ロ、高分辨率和高保真度的信噪比單次測量方法及其裝置。本發(fā)明首次將高階準位相匹配(quasi-phase-matching, QPM)技術(shù)引入到信噪比單次測量中，解決了現(xiàn)存的各種問題，同時實現(xiàn)了大窗ロ、高分辨率和高保真度的測量。信噪比單次測量過程中，測量窗ロ大小主要由晶體的寬度(W)和兩作用光束(待測光和取樣光)間的夾角決定，同樣的晶體寬度下，夾角越大，窗ロ越大。此夾角不能任意地大，要受限于位相匹配條件。傳統(tǒng)雙折射匹配對非共線角的限制比較嚴重，從而限制了窗ロ。而準位相匹配由于引入了額外的自由度，即周期性極化的格矢，能夠很大程度地減輕位相匹配條件的限制，可以允許更大的非共線角，其位相失配可以通過極化格矢‘=2·/Λ來補償，其中Λ為極化周期，m為QPM階數(shù)。對于普通的QPM (m=l)，減小Λ可以增大非共線角，從而增大窗ロ，但增加量受到目前エ藝水平的限制(最小的極化周期為4Mm)。為了進一步增大非共線角，可以采用高階QPM (比如m=3, 5等，QPM原理決定m只能為奇數(shù))。在同樣的極化周期下，高階QPM比普通QPM位相補償能力提高m倍，測量窗ロ可以得到大幅提聞。分辨率和保真度間的矛盾可以通過QPM結(jié)構(gòu)完美解決。兩者間的矛盾主要來自于對晶體長度的相反依賴性高分辨率需要短的晶體，而高保真度要求長的晶體。常見的QPM晶體是周期性極化的銀酸鋰(periodically poled lithium niobate, PPLN),它的加工方法可以保證在一塊大的基片上只極化其中一小部分，如圖I (a)所示，極化區(qū)的長度為L1,未極化區(qū)(即鈮酸鋰基片)長度為L2。時間分辨率僅由L1來決定，而反射造成的前沿假信號的位置是由整個晶體長度(L1+L2)來決定的。這樣實際設(shè)計時可按照要求的分辨率設(shè)計L1,然后根據(jù)窗ロ大小來確定要把反射造成的前沿假信號移到什么時間位置，即再確定L2。這樣分辨率和保真度之間的矛盾就很好地解決了。L1和L2沒有嚴格的比例關(guān)系，可以根據(jù)不同的測量要求靈活地選擇。利用這種晶體設(shè)計，待測光和取樣光必須同為寬光束，而且要從晶體的同一端面入射，我們稱之為“同向互相夫”。
圖I (b)所示為基于高階QPM的第二種構(gòu)型“側(cè)向互相夫”。利用這種設(shè)計，待測光為寬光束而取樣光為細光束，兩者從晶體不同端面入射。需要指出的是只有使用高階QPM這種設(shè)計才能實現(xiàn)，基于普通雙折射位相匹配或ー階QPM都無法實現(xiàn)此種構(gòu)型，因為只有高階QPM才具有強大的位相失配補償能力。此時待測光束的口徑W決定著測量時間窗ロ，口徑越大窗ロ越大。而取樣光束口徑D決定測量分辨率，D越小分辨率越高。反射造成的假信號的位置由晶體寬度決定，并且在粗光束完全覆蓋晶體的境況下，取樣光反射造成的假信號一定在窗ロ之外，自動保證了高保真度。這樣，測量窗ロ、分辨率和保真度各有ー個量來決定，彼此之間沒有耦合作用，可以同時得到優(yōu)化。在一定的條件下，待測光束和取樣光束的夾角可以為90°。本發(fā)明提供的一種基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法，包括以下步驟
1)產(chǎn)生脈沖的相關(guān)信號；
2)傳輸所述的相關(guān)信號，在所述的相關(guān)信號傳輸過程中，衰減所述相關(guān)信號；
3)接收并探測步驟2)得到的衰減后相關(guān)信號，產(chǎn)生模擬信號；
4)轉(zhuǎn)換所述模擬信號為數(shù)字信號，再接收并處理所述數(shù)字信號得到脈沖的信噪比；
其中步驟I)中產(chǎn)生脈沖的相關(guān)信號的過程具體如下
其特征在于步驟I)中產(chǎn)生脈沖的相關(guān)信號的過程具體如下近紅外待測激光被分束器分為兩束，其中一束作為待測光束，其依次經(jīng)過潛望鏡轉(zhuǎn)偏振，反射鏡反射后，經(jīng)過擴束器擴束使得光束口徑接近晶體寬度，再由柱凹面鏡將其聚焦至晶體寬的端面；另ー光束用來產(chǎn)生取樣光束，其通過脈沖浄化器產(chǎn)生干凈取樣光，再經(jīng)反射鏡反射，時間延時線延時后，直接由圓凹面鏡聚焦至晶體的窄端面上，或者經(jīng)過擴束器擴束后再由柱凹面鏡聚焦至晶體的同一寬端面上，兩光束發(fā)生和頻互相關(guān)作用，得到相關(guān)信號；
所述晶體設(shè)計時需要滿足IΛ ，其中km為極化區(qū)的格矢，m為彡3的奇數(shù)，
A為晶體極化區(qū)的周期。本發(fā)明中，所述脈沖浄化器選自倍頻器或光參量放大器中任ー種。
本發(fā)明中，晶體設(shè)計時!11為> 3的奇數(shù)，所述待測光束和取樣光束在從晶體中的不同端面入射，晶體全部極化或者任意部分極化。在合適的QPM階數(shù)和極化周期下，兩光束的夾角正好為90°。本發(fā)明中，晶體設(shè)計時，m為>3的奇數(shù)，晶體部分極化，晶體極化區(qū)長度L1，其大小由分辨率的要求決定，晶體未極化區(qū)長度L2，其大小由保真度的要求決定。兩者沒有固定的比例關(guān)系，可以根據(jù)所需的性能要求，靈活地確定。本發(fā)明提供的一種實施上述基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法的裝置，包括相關(guān)器和探測系統(tǒng)，所述相關(guān)器包括分束器、潛望鏡、反射鏡、擴束器、時間延時線和脈沖凈化器。分束器和測量晶體之間有兩路光，一路為潛望鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第一擴束器和第一柱凹面鏡依次放置；另外一路為脈沖浄化器、第一反射鏡、時間延時線和凹面鏡依次放置，或者另一路光路為脈沖凈化器、第一反射鏡、時間延時線、第二擴束器和第二柱凹面鏡依次放置。
本發(fā)明采用“側(cè)向互相關(guān)器”進行了原理驗證試驗，測量了鈦寶石再生放大器輸出脈沖(中心波長800 nm)的信噪比。實驗中采用3. 4 Mm的中紅外長波長脈沖作為取樣光(中國專利，申請?zhí)柎a=201110048052. 2)，PPLN晶體大小為10*5*0. 5 mm3，全部極化，極化周期為4.9 Mm。我們得到了窗ロ高達70 ps，分辨率900 fs (采用的細光束口徑為150μ m)，窗口內(nèi)無假信號的單次測量結(jié)果。而且如果采用15-30 mm寬的PPLN，測量窗ロ可達100-200 ps，達到了與掃描型信噪比測量儀相比擬的測量能力。本發(fā)明實現(xiàn)了大窗ロ、高分辨率、高保真度和高動態(tài)范圍的信噪比單次測量。


圖I所示為基于高階準位相匹配的兩種晶體設(shè)計及相關(guān)構(gòu)型。圖2所示為基于高階準位相匹配的兩種構(gòu)型對應(yīng)的信噪比測量裝置。圖3所示為信噪比測量結(jié)果。下面的曲線為將主峰衰減3X IO7后的結(jié)果。圖中標號1為待測近紅外激光(800nm鈦寶石激光或1054nm釹玻璃激光)，2為分束器，3為待測激光，4為用于產(chǎn)生取樣光的激光，5為脈沖浄化器(倍頻器或光參量放大器)，6為產(chǎn)生的取樣光,7為第一反射鏡,8為時間延時線,9為凹面鏡，10為潛望鏡(轉(zhuǎn)偏振)，11為第二反射鏡，12為第三反射鏡，13為第一擴束器,14為第一柱凹面鏡，15為基于圖I (b)構(gòu)型的晶體,16為產(chǎn)生的相關(guān)信號光，17為點狀衰減器,18為第一柱凸透鏡，19為第ニ柱凸透鏡，20為第三柱凸透鏡,21為第四反射鏡,22為基于光纖陣列和光電倍增管的探測系統(tǒng)(中國專利=200810207458. 9 ;美國專利=US 8，071，934 B2)，23為第二擴束器，24為第二柱凹面鏡，25為基于圖I (a)構(gòu)型的晶體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進ー步闡述本發(fā)明。實施例I :
圖I (a)為基于高階準位相匹配(QPM)的新穎的晶體設(shè)計，在一塊大的鈮酸鋰基片上(長度為LfL2)只極化其中的一部分(長度為L1),剰余部分不極化(長度為L2)。極化區(qū)的周期為Λ，對應(yīng)的格矢為た = 2·/Λ，m為彡3的奇數(shù)。
以測量1054nm釹玻璃激光為例，取樣光為其倍頻光527nm。由釹玻璃激光器發(fā)出的1054nm激光I被分束器2分為兩束。一束作為待測光束3，依次經(jīng)過潛望鏡10轉(zhuǎn)偏振，第二反射鏡11，第三反射鏡12，第一擴束器13 (擴束至與晶體寬度相當)后，由柱凹面鏡14豎直聚焦至晶體25寬的端面。另一束4泵浦倍頻器5產(chǎn)生527nm取樣光6，經(jīng)過第一反射鏡7，時間延時線8和第二擴束器23后，由第二柱凹面鏡24聚焦至晶體25的同一端面上。兩者發(fā)生和頻互相關(guān)作用，產(chǎn)生相關(guān)信號光16。16分別經(jīng)過點狀衰減器17 (抑制散射)，第一柱透鏡18 (豎直準直)，第二柱透鏡19 (水平成像)，第三柱透鏡20 (豎直聚焦)，第四反射鏡21后被基于光纖陣列和光電倍增管的探測系統(tǒng)22接收(中國專利200810207458. 9 ;美國專利US 8，071，934 B2)。系統(tǒng)22可以給出信噪比測量曲線。本實施例中采用五階QPM (m=5)，極化周期為4 μ m，此時允許的晶體內(nèi)非共線角度為58. 6° ,可以實現(xiàn)的測量窗ロ大小為69. 6ps/cm (姆Icm寬的晶體支持69. 6ps窗ロ)。極化區(qū)長度L1可選擇為O. 25mm，支持400fs的分辨率。為了在窗口內(nèi)無假信號，L2需滿足
Liさ59ラ，其中W為晶體寬度，C為真空中光速，η為527nm光在晶體內(nèi)的折射率。如果In
W=Icm,則 L2 至少為 4. 68mm。實施例2
圖1(b)為基于高階QPM的另一新穎構(gòu)型。以測量800nm鈦寶石激光為例，采用3.4μπι長波長取樣光，其對應(yīng)的原型實驗裝置如下由鈦寶石激光器發(fā)出的SOOnm激光I被分束器2分為兩束。一束作為待測光束3，依次經(jīng)過潛望鏡10轉(zhuǎn)偏振,第二反射鏡11,第三反射鏡12，第一擴束器13 (擴束至與晶體寬度相當)后，由柱凹面鏡14豎直聚焦至晶體25寬的端面。另一束4泵浦中紅外光參量放大器5產(chǎn)生3. 4 μ m長波長取樣光6，經(jīng)過第一反射鏡7和時間延時線8后，由凹面鏡9聚焦至晶體15的窄端面上。兩者發(fā)生和頻互相關(guān)作用，產(chǎn)生相關(guān)信號光16。16分別經(jīng)過點狀衰減器17 (抑制散射)，第一柱透鏡18 (豎直準直)，第二柱透鏡19 (水平成像)，第三柱透鏡20 (豎直聚焦)，第四反射鏡21后被基于光纖陣列和光電倍增管的探測系統(tǒng)22接收(中國專利=200810207458. 9 ;美國專利US 8，071，934 B2)。系統(tǒng)22可以給出信噪比測量曲線。本實施例中采用三階QPM(m=3)，極化周期4.9 μ m，此時非共線角為90°，待測光束和取樣光束分別從晶體的兩個端面垂直入射。待測光束仍然為粗光束，其口徑?jīng)Q定時間窗ロ。取樣光束為細光束，其口徑?jīng)Q定分辨率(此時晶體的長度對分辨率沒有影響)。由于取樣光是沿著晶體寬度方向入射的，此時保真度由晶體的寬度來決定(不再由晶體長度決定)。時間窗口和保真度均與晶體寬度有關(guān)，但具體的計算表明，由反射造成的假信號的時間位置一定處于測量窗ロ之外，從而保真度自動保證。分辨率可以通過調(diào)整細光束的口徑來方便地調(diào)整。由于此時晶體的長度不再對以上指標存在影響，它可以被設(shè)計成任意值(原則上只要比細光束口徑大就行，但還要考慮到實際晶體加工的難易程度)，并且可以全部極化。圖3是實施例2的實驗測量曲線(非共線角為90° )。窗ロ 70 ps，實驗中設(shè)定從前沿-65 ps測到后沿+5 ps0上面的曲線是正常測量結(jié)果，+7/14ps兩處的小脈沖經(jīng)過驗證是激光器輸出的真實信號，不是測量的假信號。為驗證系統(tǒng)的動態(tài)范圍，我們將待測信號3衰減三千萬倍后再測量，得到的結(jié)果如下面的曲線所示。除了主峰之外，其余地方均為平的，那是儀器的測量極限。從圖中可看出，本裝置的動態(tài)范圍約為109。實驗中采用的取樣 光束口徑為150 μ m,相應(yīng)的分辨率為900fs，如果換用65 μ m的取樣光束，則分辨率會提高到約400fso
權(quán)利要求
1.一種基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法，包括以下步驟 1)產(chǎn)生脈沖的相關(guān)信號； 2)傳輸所述的相關(guān)信號，在所述的相關(guān)信號傳輸過程中，衰減所述相關(guān)信號； 3)接收并探測步驟2)得到的衰減后相關(guān)信號，產(chǎn)生模擬信號； 4)轉(zhuǎn)換所述模擬信號為數(shù)字信號，再接收并處理所述數(shù)字信號得到脈沖的信噪比； 其特征在于步驟I)中產(chǎn)生脈沖的相關(guān)信號的過程具體如下近紅外待測激光被分束器分為兩束，其中一束作為待測光束，其依次經(jīng)過潛望鏡轉(zhuǎn)偏振，反射鏡反射后，經(jīng)過擴束器擴束使得光束口徑接近晶體寬度，再由柱凹面鏡將其聚焦至晶體寬的端面；另一光束用來產(chǎn)生取樣光束，其通過脈沖凈化器產(chǎn)生干凈取樣光，再經(jīng)反射鏡反射，時間延時線延時后，直接由圓凹面鏡聚焦至晶體的窄端面上，或者是經(jīng)過擴束器擴束后再由柱凹面鏡聚焦至晶體的同一寬端面上，兩光束發(fā)生和頻互相關(guān)作用，得到相關(guān)信號； 所述晶體設(shè)計時需要滿足 km = 2Km(k ，其中km為極化區(qū)的格矢，m為彡3的奇數(shù)，Λ為晶體極化區(qū)的周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法，其特征在于所述晶體設(shè)計時，m為> 3的奇數(shù)，晶體部分極化，極化區(qū)長L1，非極化區(qū)長L2，L1由分辨率來確定，L2由保真度來確定，寬的取樣光束和寬的待測光束由晶體的寬端面入射。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法，其特征在于所述晶體設(shè)計時，m為> 3的奇數(shù)，晶體全部極化，寬的待測光束從晶體的寬端面入射，細的取樣光束從晶體的窄端面入射，兩者的夾角為90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的給予高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法，其特征在于所述脈沖凈化器選自倍頻器或光參量放大器中任一種。
5.一種實施權(quán)利要求I所述的基于高階準位相匹配互相關(guān)的信噪比單次測量方法的裝置，包括相關(guān)器和探測系統(tǒng)，其特征在于 所述相關(guān)器包括分束器、潛望鏡、反射鏡、擴束器、時間延時線和脈沖凈化器；分束器和測量晶體之間有兩路光，一路為潛望鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第一擴束器和第一柱凹面鏡依次放置；另外一路為脈沖凈化器、第一反射鏡、時間延時線和凹面鏡依次放置，或者另外一路為脈沖凈化器、第一反射鏡、時間延時線、第二擴束器和第二柱凹面鏡依次放置。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于高階準位相匹配互相關(guān)的脈沖信噪比單次測量方法及其裝置。高階準位相匹配的引入，很好地解決了傳統(tǒng)測量方法中測量窗口、分辨率和保真度不能同時滿足的問題?；诟唠A準位相匹配原理，我們設(shè)計了兩類互相關(guān)構(gòu)型同側(cè)互相關(guān)和側(cè)向互相關(guān)。這兩種測量構(gòu)型都可以實現(xiàn)大窗口、高分辨率和高保真度的測量。
文檔編號G01J11/00GK102840921SQ20121034261
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者錢列加, 馬金貴, 王永志, 袁鵬, 謝國強, 朱鶴元 申請人:復(fù)旦大學