一种多路单脉冲激光参数的分时测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多路单脉冲激光参数的分时测量方法及装置，包括取样光路，延迟光路，缩束及合束光路，分束镜及探测器。被测光束经取样镜后由延迟系统产生大于激光脉冲的延迟，再经缩束及合束镜进行合束，最后由分光镜对合束后的光束进行分光，分别进行波形和能量的测量。然后根据总能量和波形序列计算出各光束对应的能量，完成对所有光束激光参数测试。该测试系统可以实现多路激光参数的高效集中测试，且可避免不同探测元件间性能参数和调试状态差异引起的系统误差，具有广泛适用性。
【专利说明】一种多路单脉冲激光参数的分时测量方法及装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光参数测试方法，特别涉及一种多路激光参数的高效测试方法及装置。
【背景技术】
[0002]在大型高功率激光系统中，为了获得高能量和大功率输出，常常采用多路光束，并进行多级放大。系统中光束传输环节多，光束数量多，具有很高的光学复杂性。为实现系统高效稳定运行，需要实时监测和评价“平台”中各个环节的工作状态，对每一级放大系统和每一光束激光参数进行在线诊断测试，测试点常常达到几十上百个，需要采用复杂的测试系统，为降低复杂度，提高测试的可靠性，需要研究高效的激光参数诊断测试方法。
[0003]传统激光多路激光参数测量方式参数独立、位置分散、记录复杂、价格昂贵。由于传统参数测量方式中元件分散、独立，众多的光学元件导致光路调试起来较为复杂。又因为光学元件和探测器之间性能参数和调试状态各不相同，会带来系统误差。这将导致测试效率不高，误差难以控制。为降低测试系统复杂度，需要研究高效的测试技术。
[0004]目前典型的高功率激光系统都对此进行了相关的研究。我国原子能科学院的天光装置设计了一套激光能量装置实时监测系统(中国原子能科学研究院年报，2008，pl90)，可以对能量、波形和波前均匀性进行实时监测，其结构主要基于分散独立的硬件和软件。中国工程物理研究院星光II (强激光与粒子束，2000，Vol.12，p35-38)、神光II (激光与光电子学进展，2001 (9)，p82)装置参数采样光路与准直系统、自适应系统公用，利用主光路上的反射镜漏光或者倾斜透镜反射光束取样，分别测量激光能量信号和波形信号，也是基于分散独立元件。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题针对现有多路激光参数分时测量的方法及装置，通过测试光路的合理设计，对系统中多路光束激光参数进行分时测量，可采用同一探测器和能量计对多路激光参数进行监测，提高了测试效率，降低了系统误差。
[0006]本发明的构思为分时法多路激光参数高效测试系统:包括取样光路，延迟光路，缩束、合束及分光光路，能量及波形探测器。取样光路采用取样率为R的镀膜石英光楔对被测光束进行分振幅透射取样，通过延迟光路使各取样光束间延时为At，通过缩束透镜使光束成为汇聚光束，再通过合束光路使得各路光束在透镜焦点处汇聚。采用分束镜对合束后的光束进行分光，一路通过光电管进行波形分时测量，另一路通过能量计进行总能量测量。
[0007]上述分时法多路激光参数高效测试系统中取样光路为镀膜石英光楔透射取样法，正面为高反射膜，背面为高透射膜，取样率由镀膜控制。
[0008]上述分时法多路激光参数高效测试系统中延迟光路延迟时间由所测量的激光脉冲宽度决定，At应大于激光脉宽。
[0009]上述分时法多路激光参数高效测试系统中缩束及合束光路保证焦斑大小与探测器口径匹配，焦斑直径为d=f0 (f为透镜焦距，Θ为光束发散角)。
[0010]上述分时法多路激光参数高效测试系统中合束后的分束镜为镀膜石英光楔，分束比与探测器量程匹配。
[0011]本发明具有以下有益结果:
[0012]1、本发明采用对多路光束进行合束后集中测量，减少了探测器的数量和光学元件数目，降低了测试系统复杂度，提高了探测效率；
[0013]2、本发明采用由于采用同一探测器对多路激光束进行参数测量，避免了由于不同探测器间性能参数和调试状态差异所带来的系统误差；
[0014]3、本发明所采用的测量方法适用于不仅适用于高功率激光系统，且适合其它需要进行多路激光参数测量的场合，具有广泛适用性；
[0015]4、本发明所提出的测试方法，不但可以采用传统分立光学元件实现，也同样可以由光纤等其它光学元件进行实现，原理相同，为该测试系统的变形。
[0016]5、本发明所提出的测试方法对于系统中多路光束间本来就存在延迟间隔或取样光束传输特性为会聚光束的激光系统尤为适用，可以大大简化测试光路，同样为该光路的变形。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的分时多路激光参数高效测试方法原理图；
[0018]图2为本发明实施例获得的测试波形。
[0019]附图标记如下:
[0020]1-取样单元；2_延迟单元；3_合束单元；4_探测单元；5_分光镜；6_能量计；7-功率计；8-折返镜；9-汇聚透镜。
【具体实施方式】
[0021]本发明的多路单脉冲激光参数的分时测量装置如图1所示，包括取样单元、延时单元、合束单元和探测单元；
[0022]沿空间排布的待测量的多路单脉冲激光进行经过取样单元进行分振幅取样，并将分振幅取样后得到的多路取样光束入射至延时单元；取样单元为镀膜石英光楔，其中包含绝大部分能量的主光束用于后续的实验，而取样光束则用于激光参数测量。
[0023]延时单元分别对多路取样光束进行延时，使得同时达到的光脉冲在时间排布上形成无重叠的光脉冲序列；如图1所示，通常情况下，测量的目标为同步性较好的光脉冲，也就是说多路光脉冲是同时达到取样单元的。延时单元采用不同光程设置的折返镜，其中最小的延时光程应大于最大的单脉冲脉宽，这样在后续合束后才能在时间轴上将光脉冲分开，避免重叠；同样延时单元也可以采用不同长度的光纤，光纤所带来的附加光程也需要满足将光脉冲序列分开的要求。
[0024]合束单元将延时后的多路取样光束合束后入射至探测单元；对于经过折返镜出射的光束，可采用多只焦距相同汇聚透镜作为合束单元，这时功率计和能量计设置在汇聚透镜的焦点上，这样可以保证采用小口径的能量计和功率计以及同一只分光镜就可以实现激光参数测量，对于采用不同长度的光纤作为延时单元时，只需要将光纤尾端合并为一束，并制成光纤连接器，就可以直接入射至探测单元进行探测。
[0025]探测单元包括分光镜、能量计和功率计，合束单元出射的合束光束经过分光镜后，主光束入射至能量计，分光束入射至功率计。能量计记录多个脉冲的总能量，功率计则选用时间分辨率较高的功率计，实现脉冲序列中多个脉冲随时间变化的功率波形监测，并根据不同脉冲的功率波形积分得到的能量因子，进而计算得到取样光束的功率和能量值，并根据取样单元的分振幅取样系数，计算得到多路入射脉冲激光的能量及功率参数。
[0026]为了使得测量装置结构紧凑，可以通过折返镜的合理布置，仅可能使得合束时不同取样激光束之间的夹角较小，汇聚透镜9的焦距的选择应使得合束时的焦斑大小与能量计和光电管的接收孔径匹配。
[0027]本发明的多路单脉冲激光参数的分时测量方法，包括以下步骤:
[0028][I]将沿空间排布的待测量的η路单脉冲激光进行分振幅取样；
[0029][2]将分振幅取样后得到的取样光束通过不同光程的折返镜组或不同长度的光纤延时(1-1) △ t,使得取样光束在时间排布上形成无重叠的光脉冲序列,其中i为光纤的路数，延时时间△ t大于多路单脉冲激光的最大脉宽T ；
[0030][3]将延时后的η路取样光束入射至同一只能量计，测量得到η路取样光束的总能量Ε，并在能量计前监测光脉冲序列的功率波形Pi (t)；
[0031][4]对PJt)中的η个光脉冲进行单独的时间积分，得到第i路取样光束单脉冲激光的能量因子h，则第i路取样 光束单脉冲激光的能量为Ei=Gci/ Σ kjE ;
[0032][5]根据步骤[2]分振幅取样的取样系数，计算得到待测量的η路单脉冲激光的能
量及功率参数。
[0033]下面结合实施例对本发明做进一步详述。
[0034]在高功率准分子激光系统中，选择其中三束光路进行分时法集中测量。采用镀膜石英光楔获得了能量为μ J量级的取样光束，三束取样光束为平行光束，能量大致相同，发散角约为3mrad。被测激光脉冲半宽约为10ns，设置延迟光路间程差为6m，即延迟时间为20ns。汇聚透镜焦距为3.0m，被测光束焦斑直径为9.0mm。分光镜口径Φ50πιπι，分束比为100:1。能量计采用0PIR-PD10，量程为20nJ_2mJ ;功率计选用HAMAMAZU1193-54光电管，响应时间约为lOOps。
[0035]图2是光电管7测得的典型波形序列，表明三路激光能同时得到良好的波形。此外采用分别测量三路激光能量和本发明的分时测量能量的方法，对本发明的能量分配法进行了比较，比较结果表明，二者的能量测量误差在在5%以内。
[0036]本发明不仅适用于高功率激光系统，还适用于其它类似的多路脉冲激光参数测试场合。本发明中分立光学元件也可采用光纤等其它光学传输元件代替。对各光束间存在时间延迟的被测光束，延迟光路可以省略，以上变化均在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种多路单脉冲激光参数的分时测量方法，其特征在于，包括以下步骤: [1]将沿空间排布的待测量的η路单脉冲激光进行分振幅取样； [2]将分振幅取样后得到的取样光束通过不同光程的折返镜组或不同长度的光纤延时(1-1) At，使得取样光束在时间排布上形成无重叠的光脉冲序列，其中i为光纤的路数，延时时间△ t大于多路单脉冲激光的最大脉宽T ； [3]将延时后的η路取样光束入射至同一只能量计，测量得到η路取样光束的总能量Ε，并在能量计前监测光脉冲序列的功率波形Pi (t)； [4]对PJt)中的η个光脉冲进行单独的时间积分，得到第i路取样光束单脉冲激光的能量因子h，则第i路取样光束单脉冲激光的能量为Ei=Gci/ Σ kjE ； [5]根据步骤[2]分振幅取样的取样系数，计算得到待测量的η路单脉冲激光的能量及功率参数。
2.一种多路单脉冲激光参数的分时测量装置，其特征在于:包括取样单元、延时单元、合束单元和探测单元； 所述的取样单元对沿空间排布的待测量的多路单脉冲激光进行分振幅取样，并将分振幅取样后得到的多路取样光束入射至延时单元； 所述的延时单元分别对多 路取样光束进行延时，使得同时达到的光脉冲在时间排布上形成无重叠的光脉冲序列； 所述合束单元将延时后的多路取样光束合束后入射至探测单元； 所述的探测单元包括分光镜、能量计和功率计，合束单元出射的合束光束经过分光镜后，主光束入射至能量计，分光束入射至功率计。
3.根据权利要求2所述的多路单脉冲激光参数的分时测量装置，其特征在于:所述的取样单元为镀膜石英光楔。
4.根据权利要求2所述的多路单脉冲激光参数的分时测量装置，其特征在于:所述的延时单元为不同光程设置的折返镜。
5.根据权利要求2所述的多路单脉冲激光参数的分时测量装置，其特征在于:所述的延时单元为不同长度的光纤，所述的合束单元为将光纤尾端合并为一束的光纤连接器。
6.根据权利要求2所述的多路单脉冲激光参数的分时测量装置，其特征在于:所述的合束单元为多只焦距相同汇聚透镜，所述的功率计和能量计设置在汇聚透镜的焦点上。
7.根据权利要求6所述的多路单脉冲激光参数的分时测量装置，其特征在于:所述的汇聚透镜的焦距与功率计、能量计的接收孔径角相匹配。
【文档编号】G01J11/00GK103542942SQ201310486096
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】胡云, 王大辉, 赵学庆, 张永生 申请人:西北核技术研究所