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专利名称：一种基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体为ー种基于高阶准位相匹配互相关进行信噪比单次测量的方法及其装置。
背景技术：
在强激光与物质相互作用领域，脉 冲信噪比是ー个主要关心的问题。如果前沿脉冲或本底的强度高达101° W/cm2，那么它们就会在主激光脉冲达到之前与物质进行相互作用，从而会改变物质靶的物理特性。鉴于此，信噪比的測量尤为重要。由于目前的高强度激光系统普遍工作在低重复率下，甚至无重复率(即单次)，需要ー种技术能够进行脉冲信噪比的实时测量，以便于激光系统的优化和信噪比的提升。尽管扫描型的信噪比测量技术已经很成熟而且已经商品化，实际可用的单次测量技术仍然面临很大的挑战。目前世界上还没有ー种技术可以同时实现大窗ロ、高分辨率、高保真度和高动态范围的信噪比单次測量，而这四个方面恰恰是实际信噪比测量最为关心的指标。对于ー个信噪比单次测量装置来说，最主要的是两个部分相关过程和探測系统。探测系统主要决定测量的动态范围，而且目前已有基于光纤阵列和光电倍增管的探测系统(美国专利us 8，071，934 B2)可以提供超灵敏的测量。剩余的三个指标(时间窗ロ、分辨率和保真度)主要由相关过程来決定。目前的技术可以分别对其中ー个指标优化，牺牲其余两个指标。比如倾斜脉冲前端可以增大单次时间窗ロ，但也会降低測量分辨率。分辨率和保真度之间也存在不可调和的矛盾。薄晶体可以支持高分辨率，但光在其前后面的反射不可避免地引入测量假信号。举个例子，对于I mm厚的BBO晶体，以三阶谐波产生互相关构型，测量1054 nm脉冲信噪比，可以在20 ps/cm (即每Icm晶体宽度支持20 ps的窗ロ)的窗口内支持O. 5 ps的分别率，但是窗口内会出现反射形成的假信号，比如前沿11 ps处会出现ー级反射假信号，前沿22 ps处出现ニ级反射假信号，这些假信号会干扰信噪比的測量。

发明内容
本发明的目的在于针对目前信噪比单次測量尤其是相关过程的不足，提供ー种能同时实现大窗ロ、高分辨率和高保真度的信噪比单次測量方法及其装置。本发明首次将高阶准位相匹配(quasi-phase-matching, QPM)技术引入到信噪比单次测量中，解决了现存的各种问题，同时实现了大窗ロ、高分辨率和高保真度的測量。信噪比单次测量过程中，测量窗ロ大小主要由晶体的宽度(W)和两作用光束(待测光和取样光)间的夹角决定，同样的晶体宽度下，夹角越大，窗ロ越大。此夹角不能任意地大，要受限于位相匹配条件。传统双折射匹配对非共线角的限制比较严重，从而限制了窗ロ。而准位相匹配由于引入了额外的自由度，即周期性极化的格矢，能够很大程度地减轻位相匹配条件的限制，可以允许更大的非共线角，其位相失配可以通过极化格矢‘=2·/Λ来补偿，其中Λ为极化周期，m为QPM阶数。对于普通的QPM (m=l)，减小Λ可以增大非共线角，从而增大窗ロ，但增加量受到目前エ艺水平的限制(最小的极化周期为4Mm)。为了进一步增大非共线角，可以采用高阶QPM (比如m=3, 5等，QPM原理决定m只能为奇数)。在同样的极化周期下，高阶QPM比普通QPM位相补偿能力提高m倍，测量窗ロ可以得到大幅提闻。分辨率和保真度间的矛盾可以通过QPM结构完美解決。两者间的矛盾主要来自于对晶体长度的相反依赖性高分辨率需要短的晶体，而高保真度要求长的晶体。常见的QPM晶体是周期性极化的银酸锂(periodically poled lithium niobate, PPLN),它的加工方法可以保证在一块大的基片上只极化其中一小部分，如图I (a)所示，极化区的长度为L1,未极化区(即铌酸锂基片)长度为L2。时间分辨率仅由L1来决定，而反射造成的前沿假信号的位置是由整个晶体长度(L1+L2)来決定的。这样实际设计时可按照要求的分辨率设计L1,然后根据窗ロ大小来确定要把反射造成的前沿假信号移到什么时间位置，即再确定L2。这样分辨率和保真度之间的矛盾就很好地解决了。L1和L2没有严格的比例关系，可以根据不同的測量要求灵活地选择。利用这种晶体设计，待测光和取样光必须同为宽光束，而且要从晶体的同一端面入射，我们称之为“同向互相夫”。
图I (b)所示为基于高阶QPM的第二种构型“侧向互相夫”。利用这种设计，待测光为宽光束而取样光为细光束，两者从晶体不同端面入射。需要指出的是只有使用高阶QPM这种设计才能实现，基于普通双折射位相匹配或ー阶QPM都无法实现此种构型，因为只有高阶QPM才具有強大的位相失配补偿能力。此时待测光束的口径W决定着測量时间窗ロ，口径越大窗ロ越大。而取样光束口径D决定测量分辨率，D越小分辨率越高。反射造成的假信号的位置由晶体宽度决定，并且在粗光束完全覆盖晶体的境况下，取样光反射造成的假信号一定在窗ロ之外，自动保证了高保真度。这样，測量窗ロ、分辨率和保真度各有ー个量来决定，彼此之间没有耦合作用，可以同时得到优化。在一定的条件下，待测光束和取样光束的夹角可以为90°。本发明提供的一种基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次測量方法，包括以下步骤
1)产生脉冲的相关信号；
2)传输所述的相关信号，在所述的相关信号传输过程中，衰减所述相关信号；
3)接收并探测步骤2)得到的衰减后相关信号，产生模拟信号；
4)转换所述模拟信号为数字信号，再接收并处理所述数字信号得到脉冲的信噪比；
其中步骤I)中产生脉冲的相关信号的过程具体如下
其特征在于步骤I)中产生脉冲的相关信号的过程具体如下近红外待测激光被分束器分为两束，其中一束作为待测光束，其依次经过潜望镜转偏振，反射镜反射后，经过扩束器扩束使得光束口径接近晶体宽度，再由柱凹面镜将其聚焦至晶体宽的端面；另ー光束用来产生取样光束，其通过脉冲浄化器产生干净取样光，再经反射镜反射，时间延时线延时后，直接由圆凹面镜聚焦至晶体的窄端面上，或者经过扩束器扩束后再由柱凹面镜聚焦至晶体的同一宽端面上，两光束发生和频互相关作用，得到相关信号；
所述晶体设计时需要满足IΛ ，其中km为极化区的格矢，m为彡3的奇数，
A为晶体极化区的周期。本发明中，所述脉冲浄化器选自倍频器或光參量放大器中任ー种。
本发明中，晶体设计时!11为> 3的奇数，所述待测光束和取样光束在从晶体中的不同端面入射，晶体全部极化或者任意部分极化。在合适的QPM阶数和极化周期下，两光束的夹角正好为90°。本发明中，晶体设计时，m为>3的奇数，晶体部分极化，晶体极化区长度L1，其大小由分辨率的要求决定，晶体未极化区长度L2，其大小由保真度的要求決定。两者没有固定的比例关系，可以根据所需的性能要求，灵活地确定。本发明提供的一种实施上述基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次測量方法的装置，包括相关器和探测系统，所述相关器包括分束器、潜望镜、反射镜、扩束器、时间延时线和脉冲净化器。分束器和测量晶体之间有两路光，一路为潜望镜、第二反射镜、第三反射镜、第一扩束器和第一柱凹面镜依次放置；另外一路为脉冲浄化器、第一反射镜、时间延时线和凹面镜依次放置，或者另一路光路为脉冲净化器、第一反射镜、时间延时线、第二扩束器和第二柱凹面镜依次放置。
本发明采用“侧向互相关器”进行了原理验证试验，測量了钛宝石再生放大器输出脉冲(中心波长800 nm)的信噪比。实验中采用3. 4 Mm的中红外长波长脉冲作为取样光(中国专利，申请号码=201110048052. 2)，PPLN晶体大小为10*5*0. 5 mm3，全部极化，极化周期为4.9 Mm。我们得到了窗ロ高达70 ps，分辨率900 fs (采用的细光束口径为150μ m)，窗口内无假信号的单次测量結果。而且如果采用15-30 mm宽的PPLN，测量窗ロ可达100-200 ps，达到了与扫描型信噪比测量仪相比拟的测量能力。本发明实现了大窗ロ、高分辨率、高保真度和高动态范围的信噪比单次测量。


图I所示为基于高阶准位相匹配的两种晶体设计及相关构型。图2所示为基于高阶准位相匹配的两种构型对应的信噪比测量装置。图3所示为信噪比測量結果。下面的曲线为将主峰衰减3X IO7后的結果。图中标号1为待测近红外激光(800nm钛宝石激光或1054nm钕玻璃激光)，2为分束器，3为待测激光，4为用于产生取样光的激光，5为脉冲浄化器(倍频器或光參量放大器)，6为产生的取样光,7为第一反射镜,8为时间延时线,9为凹面镜，10为潜望镜(转偏振)，11为第二反射镜，12为第三反射镜，13为第一扩束器,14为第一柱凹面镜，15为基于图I (b)构型的晶体,16为产生的相关信号光，17为点状衰减器,18为第一柱凸透镜，19为第ニ柱凸透镜，20为第三柱凸透镜,21为第四反射镜,22为基于光纤阵列和光电倍增管的探测系统(中国专利=200810207458. 9 ;美国专利=US 8，071，934 B2)，23为第二扩束器，24为第二柱凹面镜，25为基于图I (a)构型的晶体。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进ー步阐述本发明。实施例I :
图I (a)为基于高阶准位相匹配(QPM)的新颖的晶体设计，在一块大的铌酸锂基片上(长度为LfL2)只极化其中的一部分(长度为L1),剰余部分不极化(长度为L2)。极化区的周期为Λ，对应的格矢为た = 2·/Λ，m为彡3的奇数。
以测量1054nm钕玻璃激光为例，取样光为其倍频光527nm。由钕玻璃激光器发出的1054nm激光I被分束器2分为两束。一束作为待测光束3，依次经过潜望镜10转偏振，第二反射镜11，第三反射镜12，第一扩束器13 (扩束至与晶体宽度相当)后，由柱凹面镜14竖直聚焦至晶体25宽的端面。另一束4泵浦倍频器5产生527nm取样光6，经过第一反射镜7，时间延时线8和第二扩束器23后，由第二柱凹面镜24聚焦至晶体25的同一端面上。两者发生和频互相关作用，产生相关信号光16。16分别经过点状衰减器17 (抑制散射)，第一柱透镜18 (竖直准直)，第二柱透镜19 (水平成像)，第三柱透镜20 (竖直聚焦)，第四反射镜21后被基于光纤阵列和光电倍增管的探测系统22接收(中国专利200810207458. 9 ;美国专利US 8，071，934 B2)。系统22可以给出信噪比测量曲线。本实施例中采用五阶QPM (m=5)，极化周期为4 μ m，此时允许的晶体内非共线角度为58. 6° ,可以实现的测量窗ロ大小为69. 6ps/cm (姆Icm宽的晶体支持69. 6ps窗ロ)。极化区长度L1可选择为O. 25mm，支持400fs的分辨率。为了在窗口内无假信号，L2需满足
Liさ59ラ，其中W为晶体宽度，C为真空中光速，η为527nm光在晶体内的折射率。如果In
W=Icm,则 L2 至少为 4. 68mm。实施例2
图1(b)为基于高阶QPM的另一新颖构型。以测量800nm钛宝石激光为例，采用3.4μπι长波长取样光，其对应的原型实验装置如下由钛宝石激光器发出的SOOnm激光I被分束器2分为两束。一束作为待测光束3，依次经过潜望镜10转偏振,第二反射镜11,第三反射镜12，第一扩束器13 (扩束至与晶体宽度相当)后，由柱凹面镜14竖直聚焦至晶体25宽的端面。另一束4泵浦中红外光參量放大器5产生3. 4 μ m长波长取样光6，经过第一反射镜7和时间延时线8后，由凹面镜9聚焦至晶体15的窄端面上。两者发生和频互相关作用，产生相关信号光16。16分别经过点状衰减器17 (抑制散射)，第一柱透镜18 (竖直准直)，第二柱透镜19 (水平成像)，第三柱透镜20 (竖直聚焦)，第四反射镜21后被基于光纤阵列和光电倍增管的探测系统22接收(中国专利=200810207458. 9 ;美国专利US 8，071，934 B2)。系统22可以给出信噪比测量曲线。本实施例中采用三阶QPM(m=3)，极化周期4.9 μ m，此时非共线角为90°，待测光束和取样光束分别从晶体的两个端面垂直入射。待测光束仍然为粗光束，其口径决定时间窗ロ。取样光束为细光束，其口径决定分辨率(此时晶体的长度对分辨率没有影响)。由于取样光是沿着晶体宽度方向入射的，此时保真度由晶体的宽度来决定(不再由晶体长度决定)。时间窗口和保真度均与晶体宽度有关，但具体的计算表明，由反射造成的假信号的时间位置一定处于测量窗ロ之外，从而保真度自动保证。分辨率可以通过调整细光束的口径来方便地调整。由于此时晶体的长度不再对以上指标存在影响，它可以被设计成任意值(原则上只要比细光束口径大就行，但还要考虑到实际晶体加工的难易程度)，并且可以全部极化。图3是实施例2的实验测量曲线(非共线角为90° )。窗ロ 70 ps，实验中设定从前沿-65 ps测到后沿+5 ps0上面的曲线是正常測量結果，+7/14ps两处的小脉冲经过验证是激光器输出的真实信号，不是测量的假信号。为验证系统的动态范围，我们将待测信号3衰减三千万倍后再測量，得到的结果如下面的曲线所示。除了主峰之外，其余地方均为平的，那是仪器的测量极限。从图中可看出，本装置的动态范围约为109。实验中采用的取样 光束口径为150 μ m,相应的分辨率为900fs，如果换用65 μ m的取样光束，则分辨率会提高到约400fso
权利要求
1.一种基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量方法，包括以下步骤 1)产生脉冲的相关信号； 2)传输所述的相关信号，在所述的相关信号传输过程中，衰减所述相关信号； 3)接收并探测步骤2)得到的衰减后相关信号，产生模拟信号； 4)转换所述模拟信号为数字信号，再接收并处理所述数字信号得到脉冲的信噪比； 其特征在于步骤I)中产生脉冲的相关信号的过程具体如下近红外待测激光被分束器分为两束，其中一束作为待测光束，其依次经过潜望镜转偏振，反射镜反射后，经过扩束器扩束使得光束口径接近晶体宽度，再由柱凹面镜将其聚焦至晶体宽的端面；另一光束用来产生取样光束，其通过脉冲净化器产生干净取样光，再经反射镜反射，时间延时线延时后，直接由圆凹面镜聚焦至晶体的窄端面上，或者是经过扩束器扩束后再由柱凹面镜聚焦至晶体的同一宽端面上，两光束发生和频互相关作用，得到相关信号； 所述晶体设计时需要满足 km = 2Km(k ，其中km为极化区的格矢，m为彡3的奇数，Λ为晶体极化区的周期。
2.根据权利要求I所述的基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量方法，其特征在于所述晶体设计时，m为> 3的奇数，晶体部分极化，极化区长L1，非极化区长L2，L1由分辨率来确定，L2由保真度来确定，宽的取样光束和宽的待测光束由晶体的宽端面入射。
3.根据权利要求I所述的基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量方法，其特征在于所述晶体设计时，m为> 3的奇数，晶体全部极化，宽的待测光束从晶体的宽端面入射，细的取样光束从晶体的窄端面入射，两者的夹角为90°。
4.根据权利要求I所述的给予高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量方法，其特征在于所述脉冲净化器选自倍频器或光参量放大器中任一种。
5.一种实施权利要求I所述的基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量方法的装置，包括相关器和探测系统，其特征在于 所述相关器包括分束器、潜望镜、反射镜、扩束器、时间延时线和脉冲净化器；分束器和测量晶体之间有两路光，一路为潜望镜、第二反射镜、第三反射镜、第一扩束器和第一柱凹面镜依次放置；另外一路为脉冲净化器、第一反射镜、时间延时线和凹面镜依次放置，或者另外一路为脉冲净化器、第一反射镜、时间延时线、第二扩束器和第二柱凹面镜依次放置。
全文摘要
本发明属于激光技术领域，具体为一种基于高阶准位相匹配互相关的脉冲信噪比单次测量方法及其装置。高阶准位相匹配的引入，很好地解决了传统测量方法中测量窗口、分辨率和保真度不能同时满足的问题。基于高阶准位相匹配原理，我们设计了两类互相关构型同侧互相关和侧向互相关。这两种测量构型都可以实现大窗口、高分辨率和高保真度的测量。
文档编号G01J11/00GK102840921SQ20121034261
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者钱列加, 马金贵, 王永志, 袁鹏, 谢国强, 朱鹤元 申请人:复旦大学