超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及激光脈沖參數(shù)診斷，特別是一種超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置和 測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] J.Janszky在1977年從理論上提出了自相關(guān)方法實現(xiàn)超短脈沖的脈沖寬度測量 的技術(shù)方案（參見OpticsCommunications，Vol. 23 (3) ,1977, 293 ~298)。此后，該技術(shù)方 案通過不同的實驗方案得到了證實。F.Salin在1987年實現(xiàn)了 52fs的超短脈沖的脈沖寬 度測量結(jié)果（參見AppliedOptics,Vol. 26 (21) ,1987,4528 ~4531)。A.化un在 1991 年 詳細(xì)闡述了超短脈沖的脈沖寬度測量中的重復(fù)頻率脈沖和單次脈沖的自相關(guān)技術(shù)方案的 各自特點（參見?JournalofPhysicsD:Applied化ysics，Vol. 24,1991，1225 ~1233)。 R.A.Ganeev在1995年通過調(diào)節(jié)自相關(guān)過程中兩束脈沖的夾角的方法，實現(xiàn)了 0. 2ps~ 50ps的超短脈沖的脈沖寬度測量結(jié)果（參見OpticsCommunications,Vol. 114,1995， 432~434)。M.Ra曲uramai址在2001年完善了自相關(guān)方法測量超短脈沖時間波形的理論 分析方法（參見SADHANA-ACADEMYPR0CE邸INGSINENGI肥ERINGSCIENCES，V〇1.26,2001， 603~611)。張福領(lǐng)在2010年提出了基于光柵產(chǎn)生脈沖前沿傾斜的方法，采用脈沖前沿 傾斜的方法，提高了自相關(guān)方法的時間測量范圍（參見化inese化ticsLetters,Vol. 8， 2010, 1053 ~1056)。
[0003] 在自相關(guān)儀的相關(guān)專利技術(shù)方面，王益民在1998年提出了一種單脈沖自相關(guān)儀 的技術(shù)方案，該技術(shù)方案通過調(diào)節(jié)兩個位于平移臺上的反射鏡來改變自相關(guān)晶體中光束夾 角的方法調(diào)節(jié)時間測量范圍（參見專利CN2293817Y)。帥斌在2002年提出了一種單次定 標(biāo)二階單發(fā)自相關(guān)測量儀的技術(shù)方案，該技術(shù)方案通過在透射脈沖的一塊反射鏡上增加階 梯反射面的方法得到定標(biāo)用雙脈沖，從而兼顧脈沖寬度測量和定標(biāo)該兩種功能（參見專利 CN1358987A)。傅喜泉在2012年提出了一種超短脈沖不同空間位置的時間脈寬測量系統(tǒng)及 其測量方法，該技術(shù)方案通過在反射光路中增加可移動狹縫的方法，實現(xiàn)被測光束的不同 空間位置的脈沖寬度測量，用于分析超短脈沖的不同空間位置的脈沖寬度。
[0004] 單次自相關(guān)技術(shù)的基本原理，是通過兩束具有一定寬度的傾斜光束的相交，在相 交平面的不同位置產(chǎn)生不同的時間差，從而在單個脈沖條件下實現(xiàn)自相關(guān)過程中的時間延 遲和掃描過程。在現(xiàn)有的自相關(guān)測量技術(shù)方案中，均默認(rèn)待測光脈沖橫截面上的空間強度 分布是均勻的，即近場是均勻的。但是，應(yīng)用于工程的激光束的近場是不均勻的。常見激光 束的近場分布理論上是高斯型分布的。大型激光裝置的光束近場分布理論上是超高斯分布 的。但損傷點和硬邊剪切會產(chǎn)生衍射條紋，累浦不均勻性會產(chǎn)生強弱分布。某些處于實驗 室研制階段的超短脈沖激光器，由于工作在線性放大區(qū)域，其近場分布不僅均勻性差，而且 還不能保持穩(wěn)定性，經(jīng)常發(fā)生變化。因此，近場分布的均勻性和穩(wěn)定性必然影響超短脈沖中 脈沖寬度測量的準(zhǔn)確性。歐陽小平在2012年提出了基于奇數(shù)反射鏡和偶數(shù)反射鏡的左右 手鏡像的方法，有效改善了待測光脈沖近場的線性分布和臺階分布導(dǎo)致的測量誤差（參見 AppliedOptics,Vol. 51 (18) ,2012, 3989~3994)。但該技術(shù)方案無法解決近場不均勻性 的隨機分布導(dǎo)致的測量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的問題是針對上述現(xiàn)有測量技術(shù)方案的不足，提供一種超短光脈沖 近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置和測量方法。該測量裝置能夠基于被測激光脈沖的近場分布情況， 結(jié)合自相關(guān)的測量值，分析得到真實、準(zhǔn)確的脈沖寬度。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] 一種超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，特點在于其構(gòu)成包括第一分光鏡、第二 分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第=反射鏡、第四反射鏡、非線性晶體、柱面鏡、第一光電 探測器、第二光電探測器和圖像處理單元，上述元部件的位置關(guān)系如下：
[000引待測光脈沖首先入射到第一分光鏡，第一分光鏡將所述的待測光脈沖分為第一反 射光和第一透射光，所述的第一反射光稱為第一相關(guān)光束，沿第一相關(guān)光束方向依次是第 一反射鏡、第二反射鏡、第=反射鏡和非線性晶體；在所述的第一透射光方向為第二分光 鏡，所述的第二分光鏡將入射光分為第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光為第二 相關(guān)光束進入所述的非線性晶體，第二透射光為近場探測光束，在所述的近場探測光束方 向為第二光電探測器；第一相關(guān)光束和第二相關(guān)光束同步地進入所述的非線性晶體產(chǎn)生并 輸出自相關(guān)信號，在該自相關(guān)信號方向上依次是第四反射鏡、柱面鏡和第一光電探測器，所 述的第一光電探測器的輸出端接所述的圖像處理單元的第一輸入端，所述的第二光電探測 器的輸出端接所述的圖像處理單元的第二輸入端。
[0009]所述的第一分光鏡為反射率R=50+10%的鍛膜反射鏡或偏振分光棱鏡。
[0010] 所述的第二分光鏡為反射率R= 85+10%的鍛膜反射鏡或偏振分光棱鏡。
[0011] 所有反射鏡為反射率>99 %的鍛膜反射鏡。
[0012] 所述的非線性晶體為BB0、LB0、邸P或YC0B晶體。
[0013] 所述的第一光電探測器、第二光電探測器為CCD相機或CMOS相機。
[0014] 所述的圖像處理單元為計算機、工控機或圖形工作站。
[0015]利用上述超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置對超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬的測量 方法，該方法包括下列步驟：
[0016] 1)首先將待測光脈沖輸入所述的第一分光鏡，調(diào)整第一反射鏡、第二反射鏡，使第 一相關(guān)光束的中屯、和第二相關(guān)光束的中屯、同時到達所述的非線性晶體，使所述的非線性晶 體產(chǎn)生包含近場誤差的自相關(guān)信號V(X，T);
[0017] 2)所述的第二光電探測器采集得到第二相關(guān)光束的近場分布信息為
【主權(quán)項】
1. 一種超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其構(gòu)成包括第一分光鏡（I)、第二分光鏡 (8)、第一反射鏡（3)、第二反射鏡（4)、第三反射鏡（5)、第四反射鏡（11)、非線性晶體（6)、 柱面鏡（12)、第一光電探測器（13)、第二光電探測器（10)和圖像處理單元（14)，上述元部 件的位置關(guān)系如下： 待測光脈沖首先入射到第一分光鏡（1)，第一分光鏡（1)將所述的待測光脈沖分為第 一反射光和第一透射光，所述的第一反射光稱為第一相關(guān)光束（2)，沿第一相關(guān)光束方向依 次是第一反射鏡（3)、第二反射鏡（4)、第三反射鏡（5)和非線性晶體（6);在所述的第一透 射光方向為第二分光鏡（8)，所述的第二分光鏡（8)將入射光分為第二反射光和第二透射 光，所述的第二反射光為第二相關(guān)光束（8)進入所述的非線性晶體（6)，第二透射光為近場 探測光束（9)，在所述的近場探測光束（9)方向為第二光電探測器（10);第一相關(guān)光束（2) 和第二相關(guān)光束（7)同步地經(jīng)所述的非線性晶體（6)產(chǎn)生并輸出自相關(guān)信號，在該自相關(guān) 信號方向上依次是第四反射鏡（11)、柱面鏡（12)和第一光電探測器（13)，所述的第一光電 探測器（13)的輸出端接所述的圖像處理單元（14)的第一輸入端，所述的第二光電探測器 (10)的輸出端接所述的圖像處理單元（14)的第二輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其特征在于所述的第一 分光鏡為反射率R = 50± 10%的鍍膜反射鏡或偏振分光棱鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其特征在于所述的第二 分光鏡為反射率R = 85± 10%的鍍膜反射鏡或偏振分光棱鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其特征在于所有反射鏡 為反射率>99 %的鍍膜反射鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其特征在于所述的非線 性晶體為BBO、LBO、KDP或YCOB晶體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其特征在于所述的第一 光電探測器、第二光電探測器為CXD相機或CMOS相機。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置，其特征在于所述的圖像 處理單元為計算機、工控機或圖形工作站。
8. 利用權(quán)利要求1所述的超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置對超短光脈沖近場關(guān)聯(lián) 脈寬的測量方法，其特征在于該方法包括下列步驟： 1) 首先將待測光脈沖輸入所述的第一分光鏡（1)，調(diào)整第一反射鏡（3)、第二反射鏡 (4)，使第一相關(guān)光束（2)的中心和第二相關(guān)光束（8)的中心同步地到達所述的非線性晶體 (6)，使所述的非線性晶體（6)產(chǎn)生包含近場誤差的自相關(guān)信號1/ (X，τ); 2) 所述的第二光電探測器（10)采集得到第二相關(guān)光束（8)的近場分布信息為 并輸入所述的圖像處理單元（14)，由第一相關(guān)光束（2)和第反，得到第一 相關(guān)光束的近場分布信息Y ("C0s(Ci)/2))： 3) 所述的第一光電探測器（13)采集所述的包含近場誤差的自相關(guān)信號ΙΑ'（X，τ)并 輸入所述的圖像處理單元（14):
式中，X為待測光脈沖的空間坐標(biāo)，
分別表示第二 相關(guān)光束（8)和第一相關(guān)光束（2)的近場分布，R表不待測光脈沖的光束半徑，t表不時間， At為待測光脈沖的脈沖寬度，Φ是第一相關(guān)光束⑵和第二相關(guān)光束⑶之間的非共線 夾角，τ是第一相關(guān)光束（2)和第二相關(guān)光束（8)的右邊光束和左邊光束到達所述的非線 性晶體（6)的時間延遲量，X'為第一相關(guān)光束⑵和第二相關(guān)光束⑶之間存在非共線夾 角Φ時，X投影在非線性晶體（6)上的坐標(biāo)，g卩X' = x/C〇S(?/2); 4) 所述的圖像處理單元（14)將近場分布信息
包含近場誤差的自相關(guān)信號IA'（X，τ)中分離出去，得到準(zhǔn)確的自相關(guān)信號ΙΑ(τ):
5) 所述的圖像處理單元（14)根據(jù)得到的自相關(guān)信號ΙΑ(τ)，首先計算ΙΑ(τ)的脈 寬τ Α，計算過程為：首先計算自相關(guān)信號ΙΑ(τ)的峰值高度為一半時的像素數(shù)η，然后 計算η個像素的寬度為nXSjum)，所述的第一光電探測器（13)每個像素的寬度為S tlUm, 最后計算脈寬τ A= nXS ^XTtl(Um)，其中Ttl是本發(fā)明裝置定標(biāo)之后的時間分辨率，T ^ = 0. 046fs/20um，然后計算待測脈沖的脈寬為At = q / #。
【專利摘要】一種超短光脈沖近場關(guān)聯(lián)脈寬測量裝置和測量方法，所述的測量裝置包括第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、非線性晶體、柱面鏡、第一光電探測器、第二光電探測器和圖像處理單元。本發(fā)明在單次自相關(guān)過程中使用了兩個光電探測器，分別測量包含近場誤差的自相關(guān)信號和近場分布信息，并通過圖像處理單元校正近場分布導(dǎo)致的誤差，得到真實、準(zhǔn)確的脈沖寬度，高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
【IPC分類】G01J11-00
【公開號】CN104880258
【申請?zhí)枴緾N201510304214
【發(fā)明人】歐陽小平, 惠洪超, 劉代中, 朱寶強, 朱健強, 王楊
【申請人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月4日