激光脉冲时间功率曲线的测量系统和测量方法技术方案

一种激光脉冲时间功率曲线的测量系统和测量方法，包括单偏振光纤，光纤合束器，光电转换器，数据采集模块与计算机，并结合时域恢复算法，能精确测量带有幅频调制波形的时间功率曲线。本发明专利技术可实现1053nm激光时间功率曲线的远程精确测量，可抑制偏振模色散引起的幅频调制，可去除幅频调制对信号的影响，还原激光脉冲时间功率曲线。可对多个监测点实现远程智能化监测，为ICF高功率激光装置时间波形闭环控制系统提供可靠快速的反馈。本发明专利技术具有成本低，效率高，可靠性强的优点。

Measurement System and Method of Laser Pulse Time Power Curve

A measurement system and method for time power curve of laser pulse, including single polarized optical fiber, optical fiber bundler, photoelectric converter, data acquisition module and computer, combined with time domain recovery algorithm, can accurately measure time power curve with amplitude-frequency modulation waveform. The invention can realize the remote accurate measurement of 1053 nm laser time power curve, restrain the amplitude-frequency modulation caused by polarization mode dispersion, remove the influence of amplitude-frequency modulation on the signal, and restore the laser pulse time power curve. It can realize remote intelligent monitoring for multiple monitoring points and provide reliable and fast feedback for the time waveform closed-loop control system of ICF high power laser device. The invention has the advantages of low cost, high efficiency and strong reliability.

【技术实现步骤摘要】
激光脉冲时间功率曲线的测量系统和测量方法
本专利技术涉及高功率激光，特别是一种激光脉冲时间功率曲线的测量系统和测量方法。
技术介绍
惯性约束核聚变(ICF)实验要求高功率激光驱动器对激光脉冲的时间功率曲线有精确的控制能力。为此建立了高功率激光驱动器时间波形闭环控制系统，需要准确获得激光脉冲时间功率曲线，反馈给脉冲整形控制端。激光脉冲的时间功率曲线，在本应用中为相对功率曲线，即时间功率曲线上各点的功率相对关系是确定的，如此脉冲的形状是确定的，时间功率曲线是去除了幅频调制影响的脉冲曲线，因此是一条相对光滑的功率曲线。由于前端种子源采用的是窄线宽的单频激光源，为了抑制TSBS的产生，以及配合光谱束匀滑技术。将会对激光脉冲进行展宽，在高功率激光装置的各级系统中，由于各种光学元件对展宽之后的激光脉冲的各光谱成分的透过率具有差异性，在脉冲时域波形上会出现幅度调制。这种因为频率调制而产生的幅度调制现象称为幅频调制。目前尚无针对受幅频调制影响的激光脉冲的高精度时间功率曲线测量方法，主要是就近测量，一台示波器对应一个测量点，通过减小信号传输距离来减少测量误差。然而高速示波器与高速的光电管价格昂贵，而且，现场测试，示波器会容易受到干扰。在测量点较多的情况下，该方法会大大增加测量装置成本。已有的时间波形远程测量技术，如专利《高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置》(申请公布号：CN101782436A)，采用多模石英光纤作为传输光纤。然而该技术适用于高功率波形测量场合，激光脉冲在经过单模光纤、多模光纤或保偏光纤传输之后，会产生偏振模式色散，由于其偏振模耦合与温度和应力带来的模式耦合在传输过程中是随机的，由此引发的幅频调制也具有随机性，所以该技术无法精确测得脉冲时间波形。
技术实现思路
本专利技术专利的目的在于提供一种激光脉冲时间功率曲线的测量系统和测量方法，该方法能精确获得受到幅频调制效应影响的激光脉冲时间功率曲线，通过单偏振光纤进行光传输以实现远程测量，通过时域恢复算法复原时间功率曲线。在激光脉冲时间功率曲线远程测量方面具有成本低、效率高、可靠性高的优点。本专利技术的技术方案如下：一种激光脉冲时间功率曲线的测量系统，其特点在于，装置包括N路不同时延的单偏振光纤，光纤合束器，光电转换器，数据采集模块，计算机，以及与该系统匹配的时域恢复算法。所述的单偏振光纤，其结构可以是领结形单偏振光纤，或熊猫型单偏振光纤。其光纤长度分布在1m至1000m。所述的N路不同时延单偏振光纤同时需要保证：1、时延量呈线性增加，间隔为10ns或更高(不超过30ns)。2、相邻两组单偏振光纤，其时延td须大于待测激光脉冲宽度tw。所述的不同时延的单偏振光纤输出端连接到所述的光纤合束器输入端。该光纤合束器输出端连接所述光电转换器，光电转换器将信号输入到所述数据采集模块，数据采集模块输出端通过数据传输线与所述的计算机相连。一种激光脉冲时间功率曲线的测量方法，其特点在于：该方法包括下列步骤：1)所述的光纤合束器将N个测量点得到的激光脉冲整合为在一个时间轴上的多个激光脉冲信号，该信号经所述的数据采集模块采样后输出一系列电压值v1、…、vj…、vK。这里电压值在时间与电压为坐标的图上是一个个分立点，vj的下标j表示其在时间轴上的前后位置，vj的数值表示其电压值大小，因此在所述激光脉冲时间功率曲线的测量方法中，使用vj表示电压值也表示顶端起始点等点的定义，实际上是不矛盾的。相邻电压值在时间轴上的间隔为所述采样间隔ts。2)所述的电压判别阈值T，其设定值应高于光电转换器的最高背底噪声，如此方可鉴别脉冲信号所在区间与无脉冲信号的区间。电压值与T比较，在时间轴上，第一个超过阈值的点P0位于脉冲信号上升沿，因此P0点与其前tf时间与后tb时间范围内的电压值va～va+n一定存在一个时间波形信号，这里需要保证的条件是：tf+tb＝td、tf>tp、tb>tw，这样可以完整的选取一个时间波形信号，由于光纤的时延是td，激光脉冲彼此的时间间隔是一致的，按照上面的条件可以保证不会选取到下一个时间波形信号。3)激光脉冲的上升沿时间tp一般在100至200ps，这里认为下降沿时间与上升沿时间一致，因此在所述激光脉冲时间功率曲线的测量方法中，上升沿与下降沿均采用上升沿时间tp进行信号处理。因上升沿和下降沿包含大量高频成分，若对整个时间波形进行处理，则会使激光脉冲时间功率曲线的上升沿与下降沿失真，在时间功率曲线测量过程中，采用将顶端波形信号选取，单独处理顶端信号，上升沿和下降沿由于持续时间短，几乎不受幅频调制影响，故在激光脉冲时间功率曲线的测量方法中，不对其进行处理。4)所述的数据采集模块得到的信号我们称为时间波形信号，由于幅频调制的影响，脉冲波形上有幅度调制，脉冲曲线不再光滑；经所述激光脉冲时间功率曲线的测量方法处理后，得到所述的时间功率曲线，其幅度调制被消除，脉冲曲线光滑。5)所述的顶端均值E，为t1与t2时间范围内的电压值的平均值，t1与t2的时间以所述的P0点的时间为时间起点，t1大于tp、t2小于tw，t2-t1>tw/5，这样可以保证在时间波形顶端内选取足够的点数估算顶端均值。6)所述的微分曲线的最大值与微分曲线的最小值，是对所述的时间波形信号求微分后得到，时间波形信号上升沿与下降沿最为陡峭，斜率具有正最大值与负最大值，因此微分曲线的最大值所对应所述电压值vdmax，微分曲线的最小值所对应所述电压值为vdmin。这两点在上升沿与下降沿的中间位置附近。通过这两个点，与上升沿时间tp，就可以找到波形的顶端。然而对于方波，这种方法寻找顶端的准确度不如通过顶端均值E寻找，因此对于脉冲类型为方波的时间波形不采用此种方法。7)所述的离差法用于判断在所述的vs-1、vs、vs+1点中，哪一个点更适合做为所述的顶端起始点，同样也可以判断在ve-1、ve、ve+1中，哪一个点更适合作为所述的顶端终止点。电压值距顶端均值E越近，越适合作为顶端起始点或顶端终止点。所述的对数离差条件判断顶端起始点或终止点是否合适，只对其与其前后两点进行判断。8)所述的时间功率曲线，其功率值为相对功率，我们需要保证的脉冲时间功率的相对精度，即脉冲的形状信息被还原。由于光电转换器将光功率转换为电压值，我们处理的所述的电压值vj与光功率是线性对应关系，因此测量电压值信号我们可以得到相对功率的时间功率曲线。本专利技术激光脉冲时间功率曲线的测量系统和测量方法的工作过程如下：从某一个信号监测点采集的激光脉冲信号，通过单偏振光纤远程传输至光纤合束器里。若系统中存在N个信号监测点，则需要N路不同时延的单偏振光纤，并将信号在N路光纤合束器里通过时分复用的方法耦合。该方法需要保证不同路的光纤的延时要大于激光脉冲时间，且时延量呈线性增加。避免不同路的激光脉冲信号发生交叠。光纤合束器将耦合的光信号输入到光电转换器中，将激光脉冲光强度信号转化为电压信号，电信号被数据采集模块采集，将电压值传输给计算机。在计算机中，时域恢复算法通过以下流程(图2)，得到时间功率曲线。采集到的原始数据按时延间隔，将每个脉冲时间波形信号分开(图3)，分别进行处理。对于一个脉冲，其波形形状由脉冲整形系统决定，分为方波或非方波，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光脉冲时间功率曲线的测量系统，其特征在于，包括第一单偏振光纤(11)、第二单偏振光纤(12)、…、第N单偏振光纤(1N)、光纤合束器(2)、光电转换器(3)、数据采集模块(4)和计算机(5)；从所述的第一单偏振光纤(11)、第二单偏振光纤(12)、…、所述的第N单偏振光纤(1N)的时延逐级增加，且相邻单偏振光纤时延td应大于待测激光脉冲的脉冲宽度tw；每个单偏振光纤的输出端均与所述的光纤合束器(2)输入端相连，该光纤合束器(2)的输出端依次经所述的光电转换器(3)和数据采集模块(4)与所述的计算机(5)相连，所述的单偏振光纤偏振消光比大于等于30dB，所述的光电转换器与所述的数据采集模块的带宽大于等于5GHz，其中N为2以上的正整数。

【技术特征摘要】
1.一种激光脉冲时间功率曲线的测量系统，其特征在于，包括第一单偏振光纤(11)、第二单偏振光纤(12)、…、第N单偏振光纤(1N)、光纤合束器(2)、光电转换器(3)、数据采集模块(4)和计算机(5)；从所述的第一单偏振光纤(11)、第二单偏振光纤(12)、…、所述的第N单偏振光纤(1N)的时延逐级增加，且相邻单偏振光纤时延td应大于待测激光脉冲的脉冲宽度tw；每个单偏振光纤的输出端均与所述的光纤合束器(2)输入端相连，该光纤合束器(2)的输出端依次经所述的光电转换器(3)和数据采集模块(4)与所述的计算机(5)相连，所述的单偏振光纤偏振消光比大于等于30dB，所述的光电转换器与所述的数据采集模块的带宽大于等于5GHz，其中N为2以上的正整数。2.利用权利要求1所述的系统对激光脉冲时间功率曲线的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)第一单偏振光纤(11)连接第一个测量点，第二单偏振光纤(12)连接第二个测量点，…，第i单偏振光纤连接第i个测量点，…，第N单偏振光纤(1N)中连接第N个测量点，经光纤合束器(2)输出的光信号进入光电转换器(3)，将光信号转换为电信号后输出，再经数据采集模块(4)输出一系列电压值v1、…、vj…、vK给所述的计算机(5)；2)设定电压判别阈值T、单偏振光纤时延间隔td、脉冲宽度tw、脉冲波形类型、顶端阈值比例p、数据采样间隔ts、上升沿时间tp；3)所述的计算机将所述的电压值v1、…、vj…、vK，依次与电压判别阈值T比较，若电压值高于判别阈值T，设该点为P0，则P0点与其前tf时间与后tb时间范围内的电压值va～va+n为第1时间波形信号，其中tf+tb＝td、tf>tp、tb>tw、n＝td/ts，n为正整数，对应于第1单偏振光纤输入的有效信号；第i时间波形信号后td时间内的电压值va+in+1～va+(i+1)n为第i+1时间波形信号，对应第i+1单偏振光纤输入的有效信号，…，第N-1时间波形信号后td时间内的电压值va+(N-1)n+1～va+Nn为第N时间波形信号，对应第N单偏振光纤输入的有效信号；4)令i＝1，5)对第i时间波形信号进行处理：①当脉冲波类型为方波，选取P0点后t1～t2范围内的波形电压值，其中t1大于tp、t2小于tw，t2-t1>tw/5,计算这些电压值的均值E，E乘以顶端阈值比例p作为选取顶端波形信号的顶端阈值(E*p)，按照时间由先到后顺序，从va到va+n依次与顶端阈值比较，当电压值超过顶端阈值作为顶端波形起始点vs；然后按照时间由后到先顺序，从va+n到va依次与顶端阈值比较，当电压值超过顶端阈值作为顶端波形终止点ve。用v的下标减一表示v的前一个点，用v的下标加一表示v的后一个点，对vs与ve作离差法微调；离差法微调步骤如下：计算vs-1、vs、vs+1与均值E的离差值，即差值绝对值，离差值最小的点作为新的顶端波形起始点，将该点设置为vs，再对该顶端波形起始点做一次离差法微调，直到选...

【专利技术属性】
技术研发人员：范薇，黄家鹏，卢兴华，李娆，汪小超，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31