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专利名称：基于光纤阵列的脉冲信噪比单次测量方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光脉冲测量技术，更确切的说是一种基于光纤阵列的脉冲信噪
比单次测量方法和系统。
背景技术：
由于啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现，高功率、超短脉冲激光系统的研制在近十 几年来取得了极大的进展，高能激光系统已经可以使聚焦光强超过102°W/cm2。它已经被广 泛应用于等离子体物理、惯性约束聚变、量子电动力学等科学领域。在这种高能激光系统 中，反射、散射、自发发射放大或是不完善的时域压縮都可能产生相当可观的脉冲旁辨。信 噪比主要是指脉冲峰值光强与本底噪声或旁辨之间的比值，它已经成为一个高功率激光系 统最主要的参数之一。例如，对于光与物质相互作用的实验，本底或预脉冲信号的大小必须 小于预等离子体产生的阈值。聚焦光强越大，对信噪比的要求越高，激光系统就需要有更加 严格的设计以达到实验的要求。同时也就对现有的脉冲信噪比测量技术提出了新的挑战。
现有的脉冲信噪比测量技术主要是基于非线性相关的方式。首先通过倍频器 (SHG)由待测脉冲产生一个干净的基准脉冲，再由差频器(DFG)或和频器(SFG)产生相关信 号(闲频光信号或三倍频信号)，这个相关信号就可以反映出待测脉冲信号在时间上的形 状以及信噪比特征。这种装置的一个最主要的参数之一就是其动态范围，它决定了装置可 探测信号的最大水平。对于一个特定的测量系统，相关信号的主峰部分需要通过中性衰减 片(NDF)调整到探测器(如光电倍增管(PMT)、光电二极管)饱和量值以下，同时也要确保 较低的本底或噪声信号也在探测器的动态范围以内。 在扫描型信噪比测量装置中(主要用于高重复率脉冲激光器)可以使用锁定放大 器或Boxcar平均器使信噪比测量的动态范围提高约1 2个数量级，并已证明在毫焦量级 激光器信噪比测量中的动态范围已经可达 1011 : 1。但是在单次测量装置中仍然只能达
到约i06 107 : i的动态范围，并且工作在低重复率或单次的高能量、高功率激光系统中
只能选择使用单次测量方式。基于三倍频或差频相关的方式被广泛地应用于脉冲信噪比的 测量中，待测脉冲在时间上的特征通过相关的方式转换成空间上的强度分布。脉冲信噪比 单次测量通常采用多元探测器(例如光电二极管阵列)并行探测，这种探测器本身的动态
范围较低，一般采用在相关信号的主峰部分放置校准的NDF的方式来增加可测量的动态范 围。单次测量相对于扫描型方式的缺陷主要是受限于系统的探测极限，同时相关信号主峰 部分加入的NDF必然会由于衰减片的边缘色散或衍射而弓I入额外的噪声。并且用于并行测 量的二极管阵列的灵敏度远远低于用于描扫型测量的光电倍增管，特别是在单次测量时无 法使用锁定放大器或Boxcar平均器，这就远远限制了单次测量的动态范围。

发明内容
本发明提供了一种基于光纤阵列的脉冲信噪比单次测量系统，该技术可以克服如 上所述的现有设备的缺陷，尤其是可以无需使用外部的NDF，而使用低噪声，高敏感度的探
3测器，如PMT，来完成测量，并且极大的提高了单次测量的动态范围。
—种脉冲信噪比单次测量系统包括
—个相关器产生脉冲相关信号， —个滤色片用于滤除与所述的相关信号波长不同的光， —个光纤阵列包括多根不同长度的光纤，使所述的相关信号并行地传输于其中， 从而形成并行相关信号，和一个光纤束连接于多根光纤的末端，从而会聚所述的并行相关 信号，其中，由于光纤的长度不同，传输至光纤的末端的并行相关信号转换为串行相关信 号， 至少一个衰减器分别安装在至少一根光纤上，从而衰减并行相关信号， —个探测器用于接收和探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从而产生模拟信
号， —个模数转换器将模拟信号转换为数字信号， —个计算机，接收并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。
—个脉冲信噪比单次测量方法，包括以下步骤
(a)产生脉冲相关信号， (b)接收所述的相关信号，并滤除与所述的相关信号波长不同的光， (c)并行地传输所述的相关信号，从而形成并行相关信号，其中每个并行相关信号
有不同的时间延迟，在传输完成后，会聚所述的并行相关信号，从而将并行相关信号转换为
串行相关信号， (d)在传输过程中，衰减所述的并行相关信号， (e)接收并探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从而产生模拟信号， (f)转换所述的模拟信号为数字信号，禾口 (g)接收并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。 本发明的这些目的，特点，和优点将会在下面的具体实施方式
，附图，和权利要求 中详细的揭露。


图1为本发明的一种脉冲信噪比单次测量系统的示意图。
图2为本发明探测到的计算机重建的脉冲形状的图形。
具体实施例方式
参考图1， 一个脉冲信噪比单次测量系统包括一个相关器1， 一个滤色片2， 一个光 纤阵列4包括多根不同长度的光纤41和一个光纤束42，至少一个衰减器5，一个探测器7， 一个模数转换器8，和一个计算机9。 相关器1用于产生一个脉冲相关信号。该相关器1可以为SHG-DFG结构，或 SHG-SFG结构。滤色片2用于接收相关信号，并且滤除与所述的相关信号波长不同的光。
—个光纤阵列4包括多根不同长度的光纤41，使所述的相关信号并行地传输于其 中，从而形成并行相关信号，和一个光纤束42束于多根光纤的末端，从而会聚所述的并行 相关信号，其中，由于光纤41的长度不同，传输至光纤41的末端的并行相关信号转换为串
4行相关信号。 至少一个衰减器5分别安装在至少一根光纤41上，从而衰减并行相关信号，以确 保相关信号在探测器的动态范围之内。例如，多个衰减器5分别安装至部分光纤41或全部 光纤上，来衰减相关信号。探测器7用于接收和探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从 而产生模拟信号。 一个模数转换器8将模拟信号转换为数字信号。 一个计算机，用于接收 并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。 多根光纤41分别具有不同的长度从最短到最长依次排列。相邻光纤的长度差可 以相同也可以不同。最佳地，多根光纤41分别具有不同的长度从最短到最长依次并排排 列，并且每根光纤的长度比下一根光纤的长度增加一个数值。 多根光纤的不同长度使并行相关信号分别通过这些光纤传输的时间延迟有所不 同，所以在光纤的末端，并行相关信号可以转换为单元探测器7可以分辨的串行信号。由于 光纤长度不同而导致的时间延迟应该大于探测器7的响应时间。 在本发明中，相关器1将一个待测信号时域特征转换为一个相关信号的空间强度 分布。由于多根光纤的不同长度，在光纤的末端，并行传输的空间分布的相关信号被转换成 为一系列的时域离散信号，使用单元探测器就可以完成探测任务，而无需使用多元探测器。 所以探测器7为一个单元探测器，如PMT或一个光电二极管。在本发明中高灵敏度的PMT 优先使用。 本发明的脉冲信噪比和脉冲形状的探测系统还包括一个成像透镜3设置在所述 的滤色片和光纤阵列之间。成像透镜主要是为了进一步调整相关信号与光纤阵列4的耦 合。本发明的脉冲信噪比和脉冲形状的探测系统还包括一个聚焦透镜6，设置在光纤束42 和探测器7之间，从而保证所有的串行相关信号会聚到探测器的有效探测面积之内。
衰减器5可以具有固定的衰减因子或可变的衰减因子。值得指出的是，如果使用 固定衰减因子的衰减器，必须事先可以确定相关信号，尤其是峰值部分的位置，以通过衰减 器衰减到探测器的动态范围之内。因此，最好使用具有可变衰减因子的衰减器，其衰减因子 可以在不同的条件下调节。例如，相关信号峰值部分的衰减器的衰减因子可以调节至比相 关信号非峰值部分的衰减器的衰减因子小，从而使全部的相关信号在探测器的动态范围以 内。 在处理数字信号的时候，计算机9通过结合衰减器和光纤本身造成的相关信号的 衰减量，来重建脉冲信号。 例如，作为初始脉冲信号由Ti:s即phire再生放大器产生，脉冲能量为400 y J， 脉宽为70fs，波长为800nm。光纤阵列包括61根不同长度的光纤，由高精确度的 V-groove-based技术制造。每一根光纤直径为62. 5咖，数值孔径(NA)为0. 275，光纤阵列 的宽度为7.75mm。光纤的长度从lm(第一根光纤)至91m(第61根光纤)不等，相邻光纤 的长度差为1.5m，具有7.3ns的时间间隔。衰减器安装在第24到34根光纤。其中安装在 第27到31根光纤的衰减器的衰减因子为100，而第24到26和第32到34根光纤上安装的 衰减器的衰减因子为32。 上述例子的脉冲信噪比和脉冲形状单次测量系统还包括一个NDF，其具有衰 减因子50，000，从而在信号到达探测器之前对相关信号进行总体衰减。PMT(R5108， Hammamatsu)，偏置电压为-1260V用于捕获光纤束的输出信号。PMT输出的信号通过模数转计算机来进行数据处理。PMT的响应时间为1. 2ns足够分辨串行的 输出信号，因为两个相邻的光纤造成的时间延迟间隔足够大，如7. 3ns。
图2为重建的脉冲信号。可测量的信噪比动态范围由DFG波长，也就是基频光的 波长决定。主要的噪声来源于散射入DFG信号中的基频光。通过隔离二次谐波，噪声值可 以由图2所示的数据得到。测得的光噪声在通过光纤阵列后不是很均匀，说明散射的基频 光信号存在空间分布的不均匀性。尽管脉冲形状和光噪声值通过不同的脉冲测量出，但是 由于激光光源的高稳定性，不同脉冲的误差基本可以忽略不计。在本发明例子中的动态范 围约为2X107 : 1。基于光纤阵列的脉冲信噪比单次测量系统还具有两个优点(l)由于 可以不使用传统的NDF，避免了NDF所产生的额外噪声。(2)由于光纤具有较小的芯径和数 值孔径，每一根光纤的本身可以作为空间滤波器，在一定程度上抑制散射噪声。如果使用一 个SHG-SFG结构，本发明可以有更高的动态范围，其中可以使用滤色片，进一步抑制基频光 和二阶谐波的散射。 本发明的技术可以直接应用于现有的脉冲信噪比和脉冲形状单次测量设备中。
—个脉冲信噪比单次测量方法，包括以下步骤
(a)产生脉冲相关信号， (b)接收所述的相关信号，并滤除与所述的相关信号波长不同的光， (c)并行地传输所述的相关信号，从而形成并行相关信号，其中每个并行相关信号
有不同的时间延迟，在传输完成后，会聚所述的并行相关信号，从而将并行相关信号转换为
串行相关信号， (d)在传输过程中，衰减所述的并行相关信号， (e)接收并探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从而产生模拟信号， (f)转换所述的模拟信号为数字信号，禾口 (g)接收并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。 在步骤(c)中，相关信号由一个光纤阵列传输，该光纤阵列包括多根不同长度的 并列的光纤，并行地传输相关信号，从而形成并行相关信号，其中由于光纤的长度不同，所 以每一个并行相关信号传输的时间延迟有所不同。步骤(C)还包括一个步骤将所述的光 纤的末端束在一起，从而在所述光纤的末端，将并行相关信号转换成串行相关信号。
步骤(d)由分别安装在至少一根光纤上的至少一个衰减器实现，步骤(e)由一个 探测器实现，从而将相关信号衰减至探测器的动态范围。衰减器具有可变或固定的衰减因 子。当使用可变衰减器的时候，本发明探测脉冲信噪比的方法还包括一个步骤调节可变衰 减器的衰减因子，从而衰减相关信号。 其中，可以将相关信号峰值部分的衰减器的衰减因子调到一个比相关信号非峰值 部分的衰减器的衰减因子要大的数值。 在处理数字信号的时候，步骤(g)还包括一个通过结合衰减器和光纤本身造成的 相关信号的衰减量，来重建脉冲信号的步骤，从而获得其信噪比。 通过上述实施例，本发明的目的已经被完全有效的达到了。熟悉该项技艺的人士 应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式
中描述的内容。任何不偏离本发明 的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
权利要求
一种脉冲信噪比单次测量系统包括一个相关器产生脉冲的相关信号，一个滤色片用于滤除与所述的相关信号波长不同的光，一个光纤阵列包括多根不同长度的光纤，使所述的相关信号并行地传输于其中，从而形成并行相关信号，和一个光纤束连接于多根光纤的末端，从而会聚所述的并行相关信号，其中，由于光纤的长度不同，传输至光纤的末端的并行相关信号转换为串行相关信号，至少一个衰减器分别安装在至少一根光纤上，从而衰减所述的并行相关信号，一个探测器用于接收和探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从而产生模拟信号，一个模数转换器将所述的模拟信号转换为数字信号，一个计算机，接收并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。
2. 如权利项l所述的脉冲信噪比单次测量系统，其中所述的多根光纤分别具有不同 的长度从最短到最长依次并排排列，并且每根光纤的长度比上一根光纤的长度增加一个数 值。
3. 如权利项l所述的脉冲信噪比单次测量系统，还包括一个成像透镜设置在所述的滤 色片和光纤阵列之间。
4. 如权利项l所述的脉冲信噪比单次测量系统，还包括一个聚焦透镜，设置在所述的 光纤束和所述的探测器之间。
5. 如权利项1所述的脉冲信噪比单次测量系统，其中所述的相关器为SHG-DFG结构或 SHG-SFG结构。
6. 如权利项l所述的脉冲信噪比单次测量系统，其中所述的衰减器具有可变的衰减因 子或固定的衰减因子。
7. 如权利项l所述的脉冲信噪比单次测量系统，其中所述的探测器为单元探测器。
8. 如权利项7所述的脉冲信噪比单次测量系统，其中所述单元探测器为PMT或一个光 电二极管。
9. 一个脉冲信噪比单次测量系统，包括以下步骤(a) 产生脉冲的相关信号，(b) 接收所述的相关信号，并滤除与所述的相关信号波长不同的光，(c) 并行地传输所述的相关信号，从而形成并行相关信号，其中每个并行相关信号有不 同的时间延迟，在传输完成后，会聚所述的并行相关信号，从而将并行相关信号转换为串行 相关信号，(d) 在传输过程中，衰减所述的并行相关信号，(e) 接收并探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从而产生模拟信号，(f) 转换所述的模拟信号为数字信号，禾口(g) 接收并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。
10. 如权利项9所述的脉冲信噪比单次测量系统，还包括调节衰减器的衰减因子的步骤。
全文摘要
一种脉冲信噪比单次测量系统包括一个相关器产生相关信号，一个滤色片用于滤除与所述的相关信号波长不同的光，一个光纤阵列包括多根不同长度的光纤，使所述的相关信号并行地传输于其中，从而形成并行相关信号，和一个光纤束连接于多根光纤的末端，从而会聚所述的并行相关信号，其中，由于光纤的长度不同，传输至光纤的末端的并行相关信号转换为串行相关信号，至少一个衰减器分别安装在至少一根光纤上，从而衰减并行相关信号，一个探测器用于接收和探测来自光纤束的所述的串行相关信号，从而产生模拟信号，一个模数转换器将模拟信号转换为数字信号，一个计算机，接收并处理所述的数字信号，从而得到脉冲的信噪比。
文档编号G01J11/00GK101750155SQ200810207458
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者张东方, 朱鹤元, 袁鹏, 钱列加 申请人:复旦大学