一種激光脈沖波形測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種激光脈沖波形測(cè)量裝置。所述裝置的入射激光依次經(jīng)過取樣反射鏡和縮束系統(tǒng)，入射到波導(dǎo)，波導(dǎo)內(nèi)的刻劃光柵對(duì)激光脈沖進(jìn)行取樣，產(chǎn)生衍射光束，多個(gè)光柵基板對(duì)光束不斷延時(shí)，從波導(dǎo)出射的光束變成空間上分開，時(shí)間上彼此之間具有固定延時(shí)的脈沖序列，從波導(dǎo)出射的光束再經(jīng)過成像系統(tǒng)進(jìn)入光開關(guān)、偏振片和CCD探測(cè)器，光開關(guān)和偏振片對(duì)激光脈沖序列進(jìn)行選通，獲得脈沖波形不同時(shí)間門的取樣，由CCD探測(cè)器得到強(qiáng)度-空間信息，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化傳輸，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行空間到時(shí)間的變換，構(gòu)建強(qiáng)度-時(shí)間信息而獲得脈沖時(shí)間波形。
【專利說明】一種激光脈沖波形測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于脈沖時(shí)間特性測(cè)試領(lǐng)域，主要涉及一種激光脈沖波形測(cè)量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]激光脈沖波形是高功率激光裝置的一個(gè)重要性能參數(shù)。高功率激光裝置要求高對(duì)比度時(shí)間波形輸出，波形形狀復(fù)雜，且時(shí)間波形測(cè)量診斷點(diǎn)多，目前，采用光電管結(jié)合高帶寬示波器或條紋相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，這兩種方法可以直接測(cè)量上百皮秒的激光脈沖時(shí)間波形，然而對(duì)于高峰值強(qiáng)度的脈沖測(cè)量來說它的動(dòng)態(tài)范圍小；條紋相機(jī)作為主要的時(shí)間波形精密測(cè)量工具，最好的時(shí)間分辨率可以達(dá)到皮秒量級(jí)，為了對(duì)光束掃描，需要多次能量轉(zhuǎn)換，其組成復(fù)雜，需要條紋管、像增強(qiáng)器和偏轉(zhuǎn)電極等元器件，這使得條紋相機(jī)價(jià)格昂貴，采用條紋相機(jī)的主要問題也是它的動(dòng)態(tài)范圍有限，條紋管限制了條紋相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)然可以通過增加相機(jī)的個(gè)數(shù)提高動(dòng)態(tài)范圍，這樣使得測(cè)試變得復(fù)雜而增加成本。采用光電管或條紋相機(jī)測(cè)量高功率激光器時(shí)間波形的另一主要問題是受限于示波器或條紋相機(jī)的測(cè)量通道，對(duì)應(yīng)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)需要的測(cè)試設(shè)備數(shù)量多，測(cè)量成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有的激光脈沖時(shí)間波形測(cè)量方法中的不足，本實(shí)用新型提供一種激光脈沖波形測(cè)量裝置。
[0004]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:入射激光依次經(jīng)過取樣反射鏡和縮束系統(tǒng)，入射到波導(dǎo)，波導(dǎo)內(nèi)的刻劃光柵對(duì)激光脈沖產(chǎn)生衍射光束，從而進(jìn)行光束取樣，多個(gè)光柵陣列將激光脈沖分成在空間不同位置的脈沖系列，光柵基板使得脈沖通過光柵基板材料的光程大于脈沖持續(xù)時(shí)間，光束通過多個(gè)光柵基板而得到多個(gè)不同延時(shí)的脈沖，從波導(dǎo)出射的光束是空間上陣列排布、時(shí)間上彼此之間具有固定延時(shí)的脈沖序列，光束再經(jīng)過成像系統(tǒng)進(jìn)入光開關(guān)、偏振片和CCD探測(cè)器，光開關(guān)和偏振片對(duì)激光脈沖序列進(jìn)行選通，獲得脈沖波形不同時(shí)間門的取樣，由CCD探測(cè)器得到強(qiáng)度-空間信息，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化傳輸，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行空間到時(shí)間的變換，構(gòu)建強(qiáng)度-時(shí)間信息，從而獲得脈沖時(shí)間波形。
[0005]本實(shí)用新型的有益效果是，采用波導(dǎo)光柵延時(shí)取樣和光快門選通實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)間-空間的轉(zhuǎn)換，CCD探測(cè)器獲得不同空間位置光束強(qiáng)度，經(jīng)過空間-時(shí)間變換得到高動(dòng)態(tài)范圍的時(shí)間脈沖波形。時(shí)間波形對(duì)比度可以達(dá)到1000:1，時(shí)間分辨優(yōu)于幾十皮秒；由于測(cè)量模塊元件少，成本低，易于集成化，適用于診斷點(diǎn)較多的甚多路激光系統(tǒng)時(shí)間波形和精密功率平衡等時(shí)間參數(shù)的測(cè)試；采用CCD作為探測(cè)器，標(biāo)定簡(jiǎn)單，使用方便。由于其動(dòng)態(tài)范圍高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而易于集成，有望成為高功率激光裝置時(shí)間診斷的理想產(chǎn)品而占領(lǐng)市場(chǎng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本實(shí)用新型的激光脈沖波形測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0007]圖2是所述的波導(dǎo)側(cè)視圖；
[0008]圖3是所述的光在波導(dǎo)中傳輸示意圖；
[0009]圖中，1.入射激光 2.取樣反射鏡 3.縮束透鏡 4.波導(dǎo) 5.成像系統(tǒng) 6.光開關(guān) 7.偏振片 8.CXD探測(cè)器 9.計(jì)算機(jī) 10.刻劃光柵
11.衍射光束 12.光柵基板 13.45°反射面。

【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0011]如圖1所示，入射激光I依次經(jīng)過取樣反射鏡2和縮束系統(tǒng)3，入射到波導(dǎo)4，波導(dǎo)4內(nèi)的刻劃光柵10對(duì)激光脈沖進(jìn)行取樣，產(chǎn)生衍射光束11，采用光柵陣列將激光脈沖分成在空間不同位置的脈沖系列，光柵基板12使得脈沖通過光柵基板12材料的光程大于脈沖持續(xù)時(shí)間，多個(gè)光柵基板對(duì)光束不斷延時(shí)，從波導(dǎo)4出射的光束變成空間上分開，時(shí)間上彼此之間具有固定延時(shí)的脈沖序列，光束再經(jīng)過成像系統(tǒng)5進(jìn)入光開關(guān)6、偏振片7和CXD探測(cè)器8，成像系統(tǒng)5將從波導(dǎo)4中取樣的光束縮束成像到CCD探測(cè)器8，波導(dǎo)4作為物面成像到CXD探測(cè)器8 ；當(dāng)光開光6 “開”狀態(tài)，光束偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°通過偏振片7進(jìn)入到CXD探測(cè)器8 ;當(dāng)光開光6 “關(guān)”狀態(tài),光束偏振態(tài)不偏轉(zhuǎn),光束通過偏振片7反射；光開關(guān)6和偏振片7對(duì)激光脈沖序列進(jìn)行選通，獲得脈沖波形對(duì)于一定時(shí)間門的穩(wěn)定圖像；CCD探測(cè)器8得到強(qiáng)度-空間信息，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化傳輸，計(jì)算機(jī)9對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行空間到時(shí)間的變換，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值化得光信號(hào)用于分析計(jì)算和圖形顯示，得到強(qiáng)度一時(shí)間信息，計(jì)算機(jī)9編程對(duì)數(shù)字信號(hào)處理構(gòu)建被測(cè)激光脈沖形狀。
[0012]波導(dǎo)4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的，波導(dǎo)4是一個(gè)密集的方基板，波導(dǎo)4可以在結(jié)構(gòu)上微小化，可達(dá)到60_X 60mm,厚度5mm,在某一瞬時(shí),入射激光I脈沖沿著光束傳輸方向的能量取樣通過波導(dǎo)4內(nèi)多個(gè)刻劃光柵10陣列實(shí)現(xiàn)，見圖2，波導(dǎo)4中的刻劃光柵10使光不斷通過各個(gè)光柵基板12通道而提取少量光能，多個(gè)刻劃光柵在空間依次排布將脈沖分割成許多不同的延遲取樣光束，可能有幾十到幾百個(gè)取樣光束，入射激光I通過多個(gè)刻劃光柵后，光束彼此之間具有固定的時(shí)間延時(shí)，時(shí)間間隔可達(dá)到幾個(gè)皮秒，取樣光束以相同的偏振態(tài)進(jìn)入CCD探測(cè)器8。為了保證取樣光束強(qiáng)度基本一致，沿著光傳輸方向的刻劃光柵10刻劃深度逐步增加，以補(bǔ)償前一個(gè)取樣后剩余的能量減少，而保持通過波導(dǎo)4的取樣光束強(qiáng)度基本一致；刻劃光柵10刻劃深度由光波長(zhǎng)確定，刻劃深度決定了發(fā)生衍射的光波長(zhǎng)和衍射對(duì)應(yīng)的能量，刻劃光柵10的光柵常數(shù)選取也要考慮被取樣的衍射光束11的出射角度。
[0013]波導(dǎo)4材料選擇是非常重要，波導(dǎo)4材料要求能夠傳輸被測(cè)量波長(zhǎng)的光束，設(shè)計(jì)的刻劃光柵10的光柵基板12使得脈沖通過光柵基板12材料的光程大于脈沖持續(xù)時(shí)間,波導(dǎo)4材料折射率要高，如ZnSe、鍺(germanium)或玻璃,使光的傳播速度變慢，當(dāng)然，一般的光學(xué)玻璃可用于較短時(shí)間延遲的脈沖。例如，測(cè)試波長(zhǎng)為1053nm的長(zhǎng)脈沖(10ns)激光束，可以采用高折射率材料，如ZnSe，這樣增大了在同樣幾何長(zhǎng)度光學(xué)材料中傳輸?shù)墓馐鈱W(xué)長(zhǎng)度。波導(dǎo)4材料要有足夠硬度，要容易在表面刻劃、容易機(jī)械加工或者壓膜。圖3給出激光通過波導(dǎo)4的路線，為了減少波導(dǎo)4的體積，在波導(dǎo)4邊緣通過45°全反射鏡反射激光束，波導(dǎo)4包含45°反射面13，在波導(dǎo)4中，隨著激光脈沖通過波導(dǎo)4，鑲嵌在波導(dǎo)4中的刻劃光柵10不斷增加。
[0014]光快門選通利用光開關(guān)6的“開” “關(guān)”狀態(tài)下光束偏振態(tài)發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)。由于具有一定的偏振態(tài)的光束經(jīng)過波導(dǎo)4通道不改變其偏振態(tài)，來自波導(dǎo)4的所有光線有同樣的偏振態(tài)；光開關(guān)6可以采用普克盒或其它光敏感材料用于轉(zhuǎn)動(dòng)光束的偏振態(tài)，如用光克爾效應(yīng)照明激光光束，利用光克爾快門選通對(duì)脈沖序列進(jìn)行選通。如果光開關(guān)6處于“開”狀態(tài)，它引起偏振態(tài)變化90°，偏振片7讓光通過，光通過它之后偏振態(tài)將不改變，作用也就等效于光學(xué)透明板；當(dāng)光開關(guān)6處于“關(guān)”狀態(tài)，偏振片7阻擋這種偏振態(tài)的所有光，光從偏振片反射并由光束垃圾桶吸收，這樣沒有光束到達(dá)CCD探測(cè)器8。光開關(guān)6的快門上升(門)動(dòng)作時(shí)間決定了裝置的時(shí)間分辨率，要盡可能使其短，快的上升時(shí)間是諸如光克爾效應(yīng)的重要特性，即要很快達(dá)到“開”狀態(tài)，關(guān)的時(shí)間很容易實(shí)現(xiàn)，只要關(guān)閉電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，由于要求當(dāng)快門“關(guān)”狀態(tài)，相機(jī)完全看不到光，可能需要很多偏振片，常用的一片偏振片會(huì)泄露大約1/100光能，用兩個(gè)偏振片將增加到約1/10000。光開關(guān)6的直徑可以在約3mm，偏振片7的尺寸選擇與光開關(guān)6大致相同。由于光開關(guān)6時(shí)間不是無(wú)限短，測(cè)量值是光開關(guān)6門開關(guān)時(shí)間內(nèi)能量的積分值，編寫計(jì)算程序根據(jù)CCD探測(cè)器8采集的光斑灰度得到在多個(gè)像素的能量疊加。
[0015]從波導(dǎo)4出射的多個(gè)光束陣列通過成像系統(tǒng)5，縮束成像到CXD探測(cè)器8的接收面，成像系統(tǒng)5的光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)保證多個(gè)光斑在CXD探測(cè)器8上應(yīng)該沒有互相重疊干擾。
[0016]CCD探測(cè)器8的動(dòng)態(tài)范圍為輸入信號(hào)滿量程范圍(即CCD滿阱電荷容量)與所能分辨的最小信號(hào)(由讀出噪聲決定)的比值，目前的CCD探測(cè)器，尤其是科學(xué)級(jí)CCD的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)10000:1，為了盡量利用CCD探測(cè)器8的動(dòng)態(tài)范圍，在線性響應(yīng)區(qū)內(nèi)，將放大器增益調(diào)至最低處，從而抑制了噪聲，使輸出信號(hào)達(dá)到最高信噪比。為了增大CCD探測(cè)器8動(dòng)態(tài)范圍，容易提取特征信息，希望最小信號(hào)越大越好。如果最小信號(hào)變大，最大信號(hào)也要變大，甚至飽和，最大信號(hào)飽和將帶來很大的誤差，采樣點(diǎn)值全部偏大(或偏小)，使描述的被測(cè)信號(hào)發(fā)生畸變，故要控制輸出光強(qiáng)，使最大信號(hào)接近飽和但不能飽和。
[0017]光束經(jīng)過波導(dǎo)4的時(shí)空轉(zhuǎn)換、傳輸成像，進(jìn)入CXD探測(cè)器8，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中影響因素很多，實(shí)驗(yàn)前要光束經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)的空間強(qiáng)度分布進(jìn)行標(biāo)定。首先標(biāo)定CCD探測(cè)器8測(cè)量平均暗輸出，將C⑶探測(cè)器8預(yù)熱后，置于全黑環(huán)境采集一幅圖像，將所有像元灰度值平均。然后，采用均勻光場(chǎng)，如積分球，直接照射波導(dǎo)4，CCD探測(cè)器8記錄相應(yīng)的輸出，給出由于波導(dǎo)光柵衍射效率不一致、波導(dǎo)材料吸收損耗、光學(xué)成像系統(tǒng)、CCD探測(cè)器8面陣探測(cè)器響應(yīng)不均勻性等因素影響的輸出標(biāo)定值，實(shí)際測(cè)試時(shí)對(duì)CCD探測(cè)器8每一個(gè)區(qū)域進(jìn)行修正。
[0018]測(cè)量中要對(duì)雜散光進(jìn)行控制，可以將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)封閉起來，并在CCD探測(cè)器8入口前加一個(gè)光闌以遮擋雜散光進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
[0019]對(duì)于多路光束時(shí)間波形的同時(shí)測(cè)量，可以將上述一套波導(dǎo)元件如同單片集成電路單元一樣進(jìn)行集成安裝。由于測(cè)量涉及的元件少，成本低，易于集成化，可大批生產(chǎn)集成。
【權(quán)利要求】
1.一種激光脈沖波形測(cè)量裝置，其特征在于:所述裝置中的入射激光(I)依次經(jīng)過取樣反射鏡(2)和縮束透鏡(3)，入射到波導(dǎo)(4)，波導(dǎo)(4)內(nèi)的刻劃光柵(10)對(duì)激光脈沖進(jìn)行取樣，產(chǎn)生衍射光束(11)，光柵基板(12)對(duì)光束延時(shí),米用光柵陣列將激光脈沖分成在空間不同位置的脈沖系列，從波導(dǎo)(4)出射的光束變成空間上分開，時(shí)間上彼此之間具有固定延時(shí)的脈沖序列，光束再經(jīng)過成像系統(tǒng)(5)進(jìn)入光開關(guān)(6)、偏振片(7)和CXD探測(cè)器(8)，成像系統(tǒng)(5)將從波導(dǎo)(4)中取樣的光束縮束成像到CXD探測(cè)器(8);當(dāng)光開光(6) “開”狀態(tài)，光束偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°通過偏振片(7)進(jìn)入到CXD探測(cè)器(8);當(dāng)光開光(6) “關(guān)”狀態(tài)，光束偏振態(tài)不偏轉(zhuǎn)，光束通過偏振片(7)反射；光開關(guān)(6)和偏振片(7)對(duì)激光脈沖序列進(jìn)行選通，獲得脈沖波形對(duì)于一定時(shí)間門的穩(wěn)定圖像；(XD探測(cè)器(8)得到強(qiáng)度-空間信息，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化傳輸。
2.權(quán)利要求1所述的激光脈沖波形測(cè)量裝置，其特征在于:所述沿著入射激光(I)傳輸方向的刻劃光柵(10)的光柵刻劃深度逐步增加，以補(bǔ)償能量損耗，而保持通過波導(dǎo)(4)的衍射光束(11)強(qiáng)度一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖波形測(cè)量裝置，其特征在于:所述波導(dǎo)(4)為方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖波形測(cè)量裝置，其特征在于:所述波導(dǎo)(4)中設(shè)置的反射面成45°角。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK203929243SQ201420140298
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】孫志紅, 董軍, 夏彥文, 彭志濤 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心