一种激光脉冲波形测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种激光脉冲波形测量装置。所述装置的入射激光依次经过取样反射镜和缩束系统，入射到波导，波导内的刻划光栅对激光脉冲进行取样，产生衍射光束，多个光栅基板对光束不断延时，从波导出射的光束变成空间上分开，时间上彼此之间具有固定延时的脉冲序列，从波导出射的光束再经过成像系统进入光开关、偏振片和CCD探测器，光开关和偏振片对激光脉冲序列进行选通，获得脉冲波形不同时间门的取样，由CCD探测器得到强度-空间信息，并转换为电信号进行数字化传输，计算机对数字化信号进行空间到时间的变换，构建强度-时间信息而获得脉冲时间波形。
【专利说明】一种激光脉冲波形测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于脉冲时间特性测试领域，主要涉及一种激光脉冲波形测量装置。
【背景技术】
[0002]激光脉冲波形是高功率激光装置的一个重要性能参数。高功率激光装置要求高对比度时间波形输出，波形形状复杂，且时间波形测量诊断点多，目前，采用光电管结合高带宽示波器或条纹相机进行测量，这两种方法可以直接测量上百皮秒的激光脉冲时间波形，然而对于高峰值强度的脉冲测量来说它的动态范围小；条纹相机作为主要的时间波形精密测量工具，最好的时间分辨率可以达到皮秒量级，为了对光束扫描，需要多次能量转换，其组成复杂，需要条纹管、像增强器和偏转电极等元器件，这使得条纹相机价格昂贵，采用条纹相机的主要问题也是它的动态范围有限，条纹管限制了条纹相机动态范围，当然可以通过增加相机的个数提高动态范围，这样使得测试变得复杂而增加成本。采用光电管或条纹相机测量高功率激光器时间波形的另一主要问题是受限于示波器或条纹相机的测量通道，对应多个测量点需要的测试设备数量多，测量成本高。
【发明内容】
[0003]为了克服现有的激光脉冲时间波形测量方法中的不足，本发明提供一种激光脉冲波形测量装置。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:入射激光依次经过取样反射镜和缩束系统，入射到波导，波导内的刻划光栅对激光脉冲产生衍射光束，从而进行光束取样，多个光栅阵列将激光脉冲分成在空间不同位置的脉冲系列，光栅基板使得脉冲通过光栅基板材料的光程大于脉冲持续时间，光束通过多个光栅基板而得到多个不同延时的脉冲，从波导出射的光束是空间上阵列排布、时间上彼此之间具有固定延时的脉冲序列，光束再经过成像系统进入光开关、偏振片和CCD探测器，光开关和偏振片对激光脉冲序列进行选通，获得脉冲波形不同时间门的取样，由CCD探测器得到强度-空间信息，并转换为电信号进行数字化传输，计算机对数字化信号进行空间到时间的变换，构建强度-时间信息，从而获得脉冲时间波形。
[0005]本发明的有益效果是，采用波导光栅延时取样和光快门选通实现脉冲时间-空间的转换，CCD探测器获得不同空间位置光束强度，经过空间-时间变换得到高动态范围的时间脉冲波形。时间波形对比度可以达到1000:1，时间分辨优于几十皮秒；由于测量模块元件少，成本低，易于集成化，适用于诊断点较多的甚多路激光系统时间波形和精密功率平衡等时间参数的测试；采用CCD作为探测器，标定简单，使用方便。由于其动态范围高，结构简单而易于集成，有望成为高功率激光装置时间诊断的理想产品而占领市场。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是本发明的激光脉冲波形测量装置的结构示意图； 图2是所述的波导侧视图；
图3是所述的光在波导中传输示意图；
图中，1.入射激光2.取样反射镜3.缩束透镜4.波导5.成像系统6.光开关7.偏振片8.CXD探测器9.计算机10.刻划光栅11.衍射光束12.光栅基板13.45°反射面。
【具体实施方式】
[0007]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。
[0008]如图1所示，入射激光I依次经过取样反射镜2和缩束系统3，入射到波导4，波导4内的刻划光栅10对激光脉冲进行取样，产生衍射光束11，采用光栅阵列将激光脉冲分成在空间不同位置的脉冲系列，光栅基板12使得脉冲通过光栅基板12材料的光程大于脉冲持续时间，多个光栅基板对光束不断延时，从波导4出射的光束变成空间上分开，时间上彼此之间具有固定延时的脉冲序列，光束再经过成像系统5进入光开关6、偏振片7和CXD探测器8，成像系统5将从波导4中取样的光束缩束成像到CCD探测器8，波导4作为物面成像到CXD探测器8 ；当光开光6 “开”状态，光束偏振态旋转90°通过偏振片7进入到CXD探测器8 ;当光开光6 “关”状态,光束偏振态不偏转,光束通过偏振片7反射；光开关6和偏振片7对激光脉冲序列进行选通，获得脉冲波形对于一定时间门的稳定图像；CCD探测器8得到强度-空间信息，并转换为电信号进行数字化传输，计算机9对数字化信号进行空间到时间的变换，将电信号转换为数值化得光信号用于分析计算和图形显示，得到强度一时间信息，计算机9编程对数字信号处理构建被测激光脉冲形状。
[0009]波导4结构设计是非常重要的，波导4是一个密集的方基板，波导4可以在结构上微小化，可达到60_X60mm,厚度5mm,在某一瞬时,入射激光I脉冲沿着光束传输方向的能量取样通过波导4内多个刻划光栅10阵列实现，见图2，波导4中的刻划光栅10使光不断通过各个光栅基板12通道而提取少量光能，多个刻划光栅在空间依次排布将脉冲分割成许多不同的延迟取样光束，可能有几十到几百个取样光束，入射激光I通过多个刻划光栅后，光束彼此之间具有固定的时间延时，时间间隔可达到几个皮秒，取样光束以相同的偏振态进入CCD探测器8。为了保证取样光束强度基本一致，沿着光传输方向的刻划光栅10刻划深度逐步增加，以补偿前一个取样后剩余的能量减少，而保持通过波导4的取样光束强度基本一致；刻划光栅10刻划深度由光波长确定，刻划深度决定了发生衍射的光波长和衍射对应的能量，刻划光栅10的光栅常数选取也要考虑被取样的衍射光束11的出射角度。
[0010]波导4材料选择是非常重要，波导4材料要求能够传输被测量波长的光束，设计的刻划光栅10的光栅基板12使得脉冲通过光栅基板12材料的光程大于脉冲持续时间,波导4材料折射率要高，如ZnSe、锗(germanium)或玻璃,使光的传播速度变慢，当然，一般的光学玻璃可用于较短时间延迟的脉冲。例如，测试波长为1053nm的长脉冲(10ns)激光束，可以采用高折射率材料，如ZnSe，这样增大了在同样几何长度光学材料中传输的光束光学长度。波导4材料要有足够硬度，要容易在表面刻划、容易机械加工或者压膜。图3给出激光通过波导4的路线，为了减少波导4的体积，在波导4边缘通过45°全反射镜反射激光束，波导4包含45°反射面13，在波导4中，随着激光脉冲通过波导4，镶嵌在波导4中的刻划光栅10不断增加。
[0011]光快门选通利用光开关6的“开” “关”状态下光束偏振态发生变化实现。由于具有一定的偏振态的光束经过波导4通道不改变其偏振态，来自波导4的所有光线有同样的偏振态；光开关6可以采用普克盒或其它光敏感材料用于转动光束的偏振态，如用光克尔效应照明激光光束，利用光克尔快门选通对脉冲序列进行选通。如果光开关6处于“开”状态，它引起偏振态变化90°，偏振片7让光通过，光通过它之后偏振态将不改变，作用也就等效于光学透明板；当光开关6处于“关”状态，偏振片7阻挡这种偏振态的所有光，光从偏振片反射并由光束垃圾桶吸收，这样没有光束到达CCD探测器8。光开关6的快门上升(门)动作时间决定了装置的时间分辨率，要尽可能使其短，快的上升时间是诸如光克尔效应的重要特性，即要很快达到“开”状态，关的时间很容易实现，只要关闭电压。在实际应用中，由于要求当快门“关”状态，相机完全看不到光，可能需要很多偏振片，常用的一片偏振片会泄露大约1/100光能，用两个偏振片将增加到约1/10000。光开关6的直径可以在约3mm，偏振片7的尺寸选择与光开关6大致相同。由于光开关6时间不是无限短，测量值是光开关6门开关时间内能量的积分值，编写计算程序根据CCD探测器8采集的光斑灰度得到在多个像素的能量叠加。
[0012]从波导4出射的多个光束阵列通过成像系统5，缩束成像到CXD探测器8的接收面，成像系统5的光学设计应保证多个光斑在CXD探测器8上应该没有互相重叠干扰。
[0013]CCD探测器8的动态范围为输入信号满量程范围(即CCD满阱电荷容量)与所能分辨的最小信号(由读出噪声决定)的比值，目前的CCD探测器，尤其是科学级CCD的动态范围高达10000:1，为了尽量利用CCD探测器8的动态范围，在线性响应区内，将放大器增益调至最低处，从而抑制了噪声，使输出信号达到最高信噪比。为了增大CCD探测器8动态范围，容易提取特征信息，希望最小信号越大越好。如果最小信号变大，最大信号也要变大，甚至饱和，最大信号饱和将带来很大的误差，采样点值全部偏大(或偏小)，使描述的被测信号发生畸变，故要控制输出光强，使最大信号接近饱和但不能饱和。
[0014]光束经过波导4的时空转换、传输成像，进入CXD探测器8，能量转换环节中影响因素很多，实验前要光束经过测试系统的空间强度分布进行标定。首先标定CCD探测器8测量平均暗输出，将C⑶探测器8预热后，置于全黑环境采集一幅图像，将所有像元灰度值平均。然后，采用均匀光场，如积分球，直接照射波导4，CCD探测器8记录相应的输出，给出由于波导光栅衍射效率不一致、波导材料吸收损耗、光学成像系统、CCD探测器8面阵探测器响应不均匀性等因素影响的输出标定值，实际测试时对CCD探测器8每一个区域进行修正。
[0015]测量中要对杂散光进行控制，可以将整个测试系统封闭起来，并在CCD探测器8入口前加一个光阑以遮挡杂散光进一步提高系统的动态范围。
[0016]对于多路光束时间波形的同时测量，可以将上述一套波导元件如同单片集成电路单元一样进行集成安装。由于测量涉及的元件少，成本低，易于集成化，可大批生产集成。
【权利要求】
1.一种激光脉冲波形测量装置，其特征在于:所述装置中的入射激光(I)依次经过取样反射镜(2)和缩束透镜(3)，入射到波导(4)，波导(4)内的刻划光栅(10)对激光脉冲进行取样，产生衍射光束(11)，光栅基板(12)对光束延时,米用光栅阵列将激光脉冲分成在空间不同位置的脉冲系列，从波导(4)出射的光束变成空间上分开，时间上彼此之间具有固定延时的脉冲序列，光束再经过成像系统(5)进入光开关(6)、偏振片(7)和CXD探测器(8)，成像系统(5)将从波导(4)中取样的光束缩束成像到CXD探测器(8);当光开光(6) “开”状态，光束偏振态旋转90°通过偏振片(7)进入到CXD探测器(8);当光开光(6) “关”状态，光束偏振态不偏转，光束通过偏振片(7)反射；光开关(6)和偏振片(7)对激光脉冲序列进行选通，获得脉冲波形对于一定时间门的稳定图像；(XD探测器(8)得到强度-空间信息，并转换为电信号进行数字化传输，计算机(9)对数字化信号进行空间到时间的变换，将电信号转换为数值化得光信号用于分析计算和图形显示，得到强度一时间信息，计算机(9)编程对数字信号处理构建被测激光脉冲形状。
2.权利要求1所述的激光脉冲波形测量装置，其特征在于:所述沿着入射激光(I)传输方向的刻划光栅(10)的光栅刻划深度逐步增加，以补偿能量损耗，而保持通过波导(4)的衍射光束(11)强度一致。
3.根据权利要求1所述的激光脉冲波形测量装置，其特征在于:所述波导(4)为方形。
4.根据权利要求1所述的激光脉冲波形测量装置，其特征在于:所述波导(4)材料是ZnSe，锗或光学玻璃。
5.根据权利要求1所述的激光脉冲波形测量装置，其特征在于:所述波导(4)中设置的反射面成45°角。
【文档编号】G01J11/00GK103837241SQ201410115538
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】孙志红, 董军, 夏彦文, 彭志涛 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心