高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置及方法与流程

本发明涉及超快超强激光技术，具体涉及一种高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置及其测量方法。

背景技术：

1、啁啾激光脉冲放大系统(cpa)提出后，激光器的峰值功率飞跃发展，激光脉冲峰值功率可达数pw(1015w)，激光脉冲的光强可达1022w/cm2。这类强场激光脉冲被广泛应用于激光与靶的相互作用中。在激光与靶的相互作用中，脉宽作为表征激光的重要参数对实验现象有着显著的影响。所以快速有效地诊断激光脉冲脉宽是十分有意义的工作。

2、目前在百太瓦(tw)和拍瓦(pw)激光器的重复频率多在0.1到10hz，脉宽大小通常在飞秒量级。因为现有光电器件的响应时间最小也在皮秒量级，所以光电器件不能直接测量飞秒激光的脉宽，需要扫描技术的诊断方法也满足不了快速测量的要求。

3、当前只能利用光与介质的非线性作用去实现测量，其中最常用的方法有三种：自相关法、频率分辨光学开关法(frog)和自参考光谱相位相干直接电场重建法(spider)。其中频率分辨光学开关法和自参考光谱相位相干电场直接重建法虽然可以测量更多的时域信息，如啁啾，相位等。但是他们分别有算法复杂、耗时长和设备复杂、操作困难的缺点。

4、传统自相关仪测量装置图如图1所示。原理是通过分束装置11将主激光分为两路，一路经两个反射镜13和15反射，另一路分别经另两个反射镜12和14反射，经合束装置16合束后，由聚焦镜17聚焦后，使之在非线性晶体中交汇生成和频光，经滤波片19滤波后，传输至探测装置110中测量。在一路光中引入延时，测量和频光光强随延时的变化即可计算得出脉冲的宽度。这种方法需要对延时进行连续变化，耗时较长，不能实现单发测量。同时为了对延时进行连续调节，所需要的光路复杂，光学元件多，导致成本提高、体积变大、操作不易且误差大。并且由于ccd中高分辨率和高动态范围不能兼得，因此使用ccd作为检测设备的二阶相关仪动态范围在102～103，这对于了解激光在百飞秒到皮秒区域的时域特征还不够。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置及其测量方法，实现了超短超强脉冲脉宽的单发测量，该装置可自标定并校正系统测量误差。

2、本发明的一个目的在于提出一种高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置。

3、本发明的高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置包括：菲涅尔棱镜、非线性晶体、探测器、标定片、衰减片和仪器盒；其中，仪器盒为内部中空的壳体，菲涅尔棱镜、非线性晶体、探测器、标定片和衰减片安装在仪器盒内；在仪器盒的一个侧壁上开设有入光孔，在与入光孔相对的侧壁上安装有第一观察窗口和第二观察窗口；在仪器盒内且位于入光孔前设置菲涅尔棱镜，菲涅尔棱镜的底角为θ，入光孔的口径比菲涅尔棱镜的口径大，保证入光孔不会遮挡菲涅尔棱镜的通光面，菲涅尔棱镜将分束和合束双功能集于一身：菲涅尔棱镜既将被测激光分为两束，同时将分束后的光束以夹角2α合束，其中α＝arcsin(n0sinθ)-θ，n0为菲涅尔棱镜的折射率；合束后的光在非线性晶体中形成和频光，和频光被探测器接收；标定片为长方形或正方形，标定片放置在第一平移台上，通过第一平移台移出光路或者移入光路，标定片移出光路时完全位于光路之外；标定片移入光路时，标定片位于入光孔和菲涅尔棱镜之间，此时标定片的一边与菲涅尔棱镜的棱平行，入射光有一半的光透过标定片，且透过标定片的光全部经过菲涅尔棱镜后传输到第二观察窗口，另一半没有经过标定片的光全部经过菲涅尔棱镜后传输到第一观察窗口，从仪器盒外面分别通过第一观察窗口和第二观察窗口观察光束打在观察窗口的位置；衰减片为长方形或正方形，衰减片的衰减倍数为z；衰减片放置在第二平移台上，通过第二平移台移出光路或者移入光路，衰减片移出光路时完全位于光路之外，衰减片移入光路时，衰减片位于入光孔和菲涅尔棱镜之间，此时衰减片部分遮挡光路，衰减片的置入，将入射光分为两部分，一部分被衰减片衰减，另一部分未被衰减片衰减，两部分之间的分界线垂直于菲涅尔棱镜棱的方向。

4、探测器采用ccd相机。第一观察窗口和第二观察窗口采用毛玻璃。

5、菲涅尔棱镜距离入光孔小于2cm；菲涅尔棱镜的通光面尺寸为a0×a0，菲涅尔棱镜中间厚，两侧薄，中间最厚处为菲涅尔棱镜的棱，最薄处的厚度为b0，b0＜300μm，a0＜20mm，5°＜θ＜8°。菲涅尔棱镜的底角θ过小，菲涅尔棱镜分光后合束角度α过小，导致整个设备过长，并且合束后的光空间干涉，不利于脉宽测量；菲涅尔棱镜的底角θ过大，分束后的光波前倾斜严重，影响脉宽测量，因此非线性晶体与菲涅尔棱镜之间的距离优选此时充分利用菲涅尔棱镜的通光面积，使可测量程最宽。

6、探测器与非线性晶体之间的距离如此保证和频光与基频光空间充分分离，基频光不会进入探测器干扰测量。

7、标定片的实际厚度大于100μm且小于200μm，材料采用折射率为1.3～1.7的光学材料，优选为熔石英。

8、本发明的另一个目的在于提出一种高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置的测量方法。

9、本发明的高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置的测量方法，包括以下步骤：

10、1)设置高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置：

11、仪器盒为内部中空的壳体，菲涅尔棱镜、非线性晶体、探测器、标定片和衰减片安装在仪器盒内；在仪器盒的一个侧壁上开设入光孔，在与入光孔相对的侧壁上安装第一观察窗口和第二观察窗口；在仪器盒内且位于入光孔前设置菲涅尔棱镜，菲涅尔棱镜的底角为θ，入光孔的口径比菲涅尔棱镜的口径大，保证入光孔不会遮挡菲涅尔棱镜的通光面，菲涅尔棱镜将分束和合束双功能集于一身：菲涅尔棱镜既将被测激光分为两束，同时将分束后的光束以夹角2α合束，其中α＝arcsin(n0sinθ)-θ，n0为菲涅尔棱镜的折射率；合束后的光在非线性晶体中形成和频光，和频光被探测器接收，在探测器上获得和频信号；标定片放置在第一平移台上，通过第一平移台移出光路或者移入光路，标定片移出光路时完全位于光路之外；标定片移入光路时，标定片位于入光孔和菲涅尔棱镜之间，此时标定片的一边与菲涅尔棱镜的棱平行，入射光有一半的光透过标定片，且透过标定片的光全部经过菲涅尔棱镜后传输到第二观察窗口，另一半没有经过标定片的光全部经过菲涅尔棱镜后传输到第一观察窗口，从仪器盒外面分别通过第一观察窗口和第二观察窗口观察光束打在观察窗口的位置；衰减片为长方形或正方形，衰减片的衰减倍数为z；衰减片放置在第二平移台上，通过第二平移台移出光路或者移入光路，衰减片移出光路时完全位于光路之外，衰减片移入光路时，衰减片位于入光孔和菲涅尔棱镜之间，此时衰减片部分遮挡光路，衰减片的置入，将入射光分为两部分，一部分被衰减片衰减，另一部分未被衰减片衰减，两部分之间的分界线垂直于菲涅尔棱镜棱的方向

12、衰减片移出光路时，探测器得到的和频信号为竖直的长条形状，定义和频信号的长边为和频光方向，选取任意一行垂直于和频光方向的数值，并画图，横坐标是每一行像素位置的坐标值，纵坐标是每一行像素采集到的和频信号的强度；

13、2)获取和频信号：

14、a)将标定片移出光路；

15、b)激光系统发出的被测激光通过入光孔进入高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置，分束后的两束光分别打在第一观察窗口和第二观察窗口上，通过观察第一观察窗口和第二观察窗口，调整被测激光方向，保证分束后的两束光分别位于第一观察窗口和第二观察窗口上；

16、c)沿着与被测激光的入射方向垂直的方向平移高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置，观察第一观察窗口和第二观察窗口上的两束光的光斑是否一样大，如果是，进入步骤d)，如果不一样大则返回步骤b)；

17、d)被测激光入射至菲涅尔棱镜后，分束并合束，在非线性晶体中产生和频光，经过探测器对和频光进行探测，在探测器上获得和频信号；

18、3)单个像素对应延迟标定：

19、a)将标定片移出光路，记录和频光在探测器上形成的光斑最强的像素位置为p；

20、b)将标定片移入光路，此时和频光在探测器上形成的光斑移动了距离，记录此时光斑最强的像素位置为q，光斑移动的像素个数k＝|p-q|；

21、c)计算标定片的置入引入脉冲延迟t1＝(n-1)d/c，d为标定片的厚度，n为标定片的折射率，计算得到单个像素对应延迟τ1＝t1/k，以单个像素对应延迟τ1作为高动态范围超快超强激光脉冲脉宽单发测量装置的分辨率；

22、4)动态范围增强：

23、a)将标定片移出光路，并将衰减片移入光路；

24、b)衰减片的置入，使得探测器得到的和频光信号为两部分且中心线位于同一条直线上的竖直的长条形状，未衰减光产生的和频光信号为第一和频光信号，衰减光产生的和频光信号为第二和频光信号；在第一频光信号和第二频光信号各自选取任意一行垂直于和频光方向的数值，并画图，横坐标是每一行像素位置的坐标值，纵坐标是每一行像素采集到的和频信号的强度；

25、c)调节进入激光脉冲脉宽单发测量装置的激光功率，使得步骤4)b)中第二和频光信号的纵坐标中的最大值是探测器不饱和情况下能探测的最大值t的m1倍，m1为实数且满足0.5＜m1＜0.9；

26、d)在第一和频信号中选取任意一行垂直于和频光方向的数值，定义为第一数值，并且在第二和频信号选取任意一行垂直于和频光方向的数值，定义为第二数值，并画图，横坐标是探测器每一行像素位置的坐标值，纵坐标是每一行像素采集到的第一和频信号或第二和频信号的强度，第一数值中有部分像素是饱和状态；

27、e)将第二数值乘以衰减片的衰减倍数z，获得新的第三数值；

28、f)将第一数值中数值小于m2×t的数值保留，将数值大于等于m2×t的数值替换为第三数值中像素位置的坐标值相同的数值，由此获得第四数值，m2为实数且满足0.5＜m2＜1；

29、g)对第四数值进行计算，计算第四数值中半高全宽的像素个数y，和频信号代表的半高全宽的时间为yτ1；

30、h)利用卷积因子w，获得激光脉冲脉宽t＝yτ1/w。

31、其中，在步骤4)f)中，具体替换方法有两种，第一种：寻找第一数值中数值大于等于m2×t对应的横坐标的坐标值，在第三数值中将此横坐标的坐标值对应的纵坐标的数值替换到第一数值中相应横坐标对应的纵坐标的数值；第二种：寻找第三数值中纵坐标的数值大于等于m2×t的横坐标的坐标值，在第三数值中将此横坐标的坐标值对应的纵坐标的数值替换到第一数值中相应横坐标对应的纵坐标的数值。

32、本发明的优点：

33、(1)结构简单、成本低且精度高：

34、本发明采用小角度的菲涅尔棱镜和标定片取代了传统二阶相关仪的干涉仪和透镜组合，使得装置的结构大大简化；

35、(2)单发测量，操作简单快速免调试：

36、以标定片作为标准具，采用置入标准具的方法进行定标，免去多点定标的复杂操作；一次定标后，对于固定探测模块能够在后续测量中省去定标操作；这样在测量脉宽中只需要测量和频信号的半高全宽就能够直接计算得出激光脉冲脉宽；

37、(3)测量结果精确，动态范围高：

38、采用滤波片，通过数据处理能够提高装置测量的动态范围。