一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置及其标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置及其标定方法

【技术实现步骤摘要】
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置及其标定方法


[0001]本专利技术涉及超快超强激光技术，具体涉及一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置及其标定方法
。

技术介绍

[0002]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(10
15
W)
，激光脉冲的光强可达
10
22
W/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
。
[0003]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
。
[0004]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
。
[0005]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，一路经第三反射镜
14
和第四反射镜
15
反射，另一路分别经第一反射镜
12
和第二反射镜
13
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
。

技术实现思路

[0006]针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置及其标定方法，实现了超短超强脉冲脉宽的单发测量，并且带宽大
、
成本低
、
便于携带
、
工作稳定且测量精度高
。
[0007]本专利技术的一个目的在于提出一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置
。
[0008]本专利技术的激光脉冲脉宽单发自相关测量装置包括：菲涅尔棱镜
、
非线性晶体
、
晶体平移台
、
探测器
、
标定片
、
标定片平移台
、
第一相机
、
第二相机以及仪器盒；其中，仪器盒为内部中空的壳体，菲涅尔棱镜
、
非线性晶体
、
探测器和标定片安装在仪器盒内；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(n0sin
θ
)
‑
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，非线性晶体放置在晶体平移台，晶体平移台能够带动非线性晶体沿着光轴的方向前后平移；标定片放置在标定片平移台上，通过标定片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；在第一观察窗口和第二观察窗口处分别设置第一相机和第二相机，第一相机和第二相机分别对第一观察窗口和第二观察窗口成像
。
[0009]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
。
[0010]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＜
300
μ
m
，
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
。
[0011]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
。
[0012]标定片的实际厚度大于
100
μ
m
且小于
200
μ
m
，材料采用折射率为
1.3
～
1.7
的光学材料，优选为熔石英
。
[0013]本专利技术的另一个目的在于提出一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置的激光脉冲脉宽测量方法
。
[0014]本专利技术的激光脉冲脉宽单发自相关测量装置在对激光脉冲脉宽测量前，需要先进行出厂参数测量，包括以下步骤：
[0015]1)
初次调试：
[0016]a)
确定非线性晶体与菲涅尔棱镜之间的距离
[0017]b)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，其特征在于，所述激光脉冲脉宽单发自相关测量装置包括：菲涅尔棱镜
、
非线性晶体
、
晶体平移台
、
探测器
、
标定片
、
标定片平移台
、
第一相机
、
第二相机以及仪器盒；其中，仪器盒为内部中空的壳体，菲涅尔棱镜
、
非线性晶体
、
探测器和标定片安装在仪器盒内；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(n0sin
θ
)
‑
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，非线性晶体放置在晶体平移台，晶体平移台能够带动非线性晶体沿着光轴的方向前后平移；标定片放置在标定片平移台上，通过标定片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；在第一观察窗口和第二观察窗口处分别设置第一相机和第二相机，第一相机和第二相机分别对第一观察窗口和第二观察窗口成像
。2.
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，其特征在于，所述菲涅尔棱镜距离入光孔小于
2cm。3.
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，其特征在于，所述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＜
300
μ
m
，
a0＜
20mm
，5°
＜
θ
＜8°
。4.
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，其特征在于，所述非线性晶体与菲涅尔棱镜之间的距离
5.
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，其特征在于，所述探测器与非线性晶体之间的距离
6.
一种激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，其特征在于，所述标定片的厚度大于
100
μ
m
且小于
200
μ
m
，材料采用折射率为
1.3
～
1.7
的光学材料
。7.
一种如权利要求1所述的激光脉冲脉宽单发自相关测量装置的激光脉冲脉宽测量方法，其特征在于，所述激光脉冲脉宽测量方法包括以下步骤：
1)
倍频晶体位置确定：
a)
通过标定片平移台将标定片移出光路；
b)
被测激光通过入光孔进入激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，观察第一相机和第二相机上光斑，第一相机和第二相机接收到的光斑的中心位置分别为
Z
1t
和
Z
2t
，分别读取第一相机和第二相机上光斑的大小为
D
1t
和
D
2t
；
c)
通过与沿着入射激光垂直的方向平移激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，使第一相
机和第二相机上光斑的大小满足
(1
‑
D
th
)
×
D
2t
＜
D
1t
＜
(1+D
th
)
×
D
2t
，
D
th
为光斑差异阈值，或者使得第一相机和第二相机上光斑的位置满足
(1
‑
D
th
)
×
|Z
2t
‑
Z2|
＜
|Z
1t
‑
Z1|
＜
(1+D
th
)
×
|Z
2t
‑
Z2|
；
d)
通过第一相机或第二相机得到此时的光斑大小为
D
1t
或
D
2t
，根据此时的光斑大小计算获得调整后非线性晶体与菲涅尔棱镜之间的距离
A
t
＝
A
×
D
1t
/D
′
，或者
A
t
＝
A
×
D
2t
/D
′
，将晶体平移台向菲涅尔棱镜方向移动或者
2)
获取和频信号：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；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；
3)
单个像素对应延迟标定：
a)
标定片位于光路外，记录和频光在探测器上形成的光斑最强的像素位置为
p
；
b)
通过标定片平移台将标定片移入光路，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|
；
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作为激光脉冲脉宽单发自相关测量装置的分辨率，
c
为光速；
4)
测量激光脉冲脉宽：
a)
通过标定片平移台将标定片移出光路；
b)
被测激光通过入光孔进入激光脉冲脉宽单发自相关测量装置，经菲涅尔棱镜分束并合束在非线性晶体中产生和频光，探测器得到和频信号，沿着垂直于和频光方向，取一行和频信号最强的数值，并画图，横向坐标为每一行像素位置的坐标值即探测器的空间位置，纵坐标为和...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵研英，耿易星，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：