CN104535201A - 一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置。所述的测量装置中，在高功率激光脉冲入射方向上依次设置半波片、扩束镜、分束镜Ⅰ，在分束镜Ⅰ的透射光路上设置延迟调节器，在分束镜Ⅰ的反射光路上依次设置凸透镜Ⅰ、限幅器、凸透镜Ⅱ；从延迟调节器出射的平行光与从凸透镜Ⅱ出射的平行光并行进入和频晶体，由和频晶体产生的倍频光经柱状凸透镜会聚，会聚光经分束镜Ⅱ、分束镜Ⅲ沿水平方向分成左、中、右三路，经不同衰减后进入各自的光电探测器采集，获得对比度信息。本发明灵敏度高，测试动态范围宽。

Description

一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置

技术领域

本发明属于超短激光脉冲测试技术领域，具体涉及一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置。

背景技术

在超短强激光脉冲与物质相互作用过程中，聚焦的预脉冲强度如果达到一定的数值会产生等离子体，阻止后续主脉冲的传输，严重影响对实验结果的分析，脉冲对比度成为制约物理实验和激光装置性能提升的主要瓶颈。目前超短脉冲对比度测量主要采用三阶相关法。名称为“高功率超短激光脉冲对比度测量装置”的中国实用新型专利（专利号：ZL 200720077677.0）公开了一种通过非共线谐波转换获得三阶相关信号的脉冲对比度测量方法，由于采用平板玻璃多次透射分光的方法，只能获得脉冲波形上几个特定时间点的对比度信息；名称为“单发次超短激光脉冲对比度测量装置”的中国发明专利（专利号：ZL2009 1 0263670.1）公开了一种对产生的三阶相关信号进行主脉冲与预脉冲分区测量的方法获得对比度信息；名称为“一种单发次超短激光脉冲对比度测量装置”的中国实用新型专利（专利号：ZL2010 2 0293190.8）公开了一种采用级联的方法分别获得主脉冲与预脉冲的三阶相关信号，利用各自的探测器分别测量主相关信号与边沿相关信号的方法完成单次超短激光脉冲对比度测量。这些测量装置采用了两次和频过程获得相关信号，导致被测脉冲利用率低，难以获得更高对比度的相关信号，限制了测量装置的动态范围。

发明内容

为了克服现有技术中的测量装置在超短激光脉冲对比度测量中的由于脉冲利用率低导致动态范围窄的不足，本发明提供一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的高功率超短激光脉冲对比度测量装置，其特点是，所述的测量装置中，在高功率超短激光脉冲入射方向上依次设置半波片、扩束镜、分束镜Ⅰ。入射脉冲光依次进入半波片、扩束镜、分束镜Ⅰ，经分束镜Ⅰ分成透射光和反射光，在分束镜Ⅰ的透射光路上设置有延迟调节器，在分束镜Ⅰ的反射光路上依次设置有凸透镜Ⅰ、限幅器、凸透镜Ⅱ；所述的分束镜Ⅰ的反射光经凸透镜Ⅰ会聚到限幅器上，从限幅器反射的光经凸透镜Ⅱ后变为平行光，与分束镜Ⅰ的透射光并行进入和频晶体，产生倍频光，所述的倍频光沿和频晶体端面垂直出射。在和频晶体后依次设置光阑、柱状凸透镜、分束镜Ⅱ；在分束镜Ⅱ的反射光路上依次设置挡片Ⅰ、衰减片Ⅰ、CCDⅠ；在分束镜Ⅱ的透射光路上设置分束镜Ⅲ；在分束镜Ⅲ的反射光路上依次设置挡片Ⅱ、衰减片Ⅱ、CCDⅡ；在分束镜Ⅲ的透射光路上依次设置挡片Ⅲ、衰减片Ⅲ、CCDⅢ。从和频晶体出射的倍频光经柱状凸透镜会聚后被分束镜Ⅱ分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅰ后透射到光束水平方向的左边区域，再经衰减片Ⅰ衰减后在柱状凸透镜焦面处被CCDⅠ接收。所述的分束镜Ⅱ的透射光经分束镜Ⅲ分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅱ后透射到光束水平方向的右边区域，再经衰减片Ⅱ衰减后在柱状凸透镜焦面处被CCDⅡ接收；透射光经挡片Ⅲ后透射到光束水平方向的中间区域，再经衰减片Ⅲ衰减后在柱状凸透镜焦面处被CCDⅢ接收。

所述的CCDⅠ、CCDⅡ、CCDⅢ置于柱状凸透镜的焦面处，分别用于接收沿水平方向的左、中、右三个区域的倍频信号。

所述的限幅器设置在凸透镜Ⅰ和凸透镜Ⅱ构成的准直***的共同焦面处。限幅器既可以设置于真空中，也可以设置在空气中。

所述的和频晶体采用90度非共线Ⅰ类位相匹配。根据不同的入射波长选用不同的和频晶体材料，参与和频的入射光既可以是宽光束，也可以是线光束。

所述的限幅器为固体或装入透明容器内的液体。

本发明的高功率超短激光脉冲对比度测量装置的原理是：被测激光脉冲经扩束镜扩束后分成两路，一路经延迟调节器进行光程延迟，另一路经透镜会聚后照射到限幅器上，低强度的预脉冲透射出去，高强度的脉冲在限幅器上产生等离子体，一旦等离子体密度超过临界电子密度时，等离子体层瞬间变为非透明介质，入射激光脉冲被截断，反射主脉冲，获得比被测激光脉冲干净的反射脉冲，反射脉冲经透镜准直为平行光，同经光学延迟器来的被测光束一起按产生相关信号所需的角度方向入射到和频晶体实现非共轴谐波转换，和频晶体内产生的二次谐波脉冲为互相关信号，实现将入射脉冲的时间强度分布信息转换为空间强度分布信息；将输出的二次谐波脉冲光束沿空间水平方向分成左、中、右三个相等区域，分别进入各自的CCD进行各区域的相关信号测试，获得超短激光脉冲对比度信息。

本发明的高功率超短激光脉冲对比度测量装置的有益效果是：

1、本发明采用光学限幅器对预脉冲区域进行抑制，获得比入射脉冲干净的泵浦脉冲，从而只通过一次和频获得互相关信号，提高了预脉冲的可探测能力；

2、本发明采用90度非共线Ⅰ类位相匹配，将入射夹角最大化，提高了单次脉冲对比度测试的记录时间长度，降低了对非线性晶体的尺寸及入射光束口径的要求；

3、本发明利用宽光束照射晶体、一维聚焦接收、分区测量，提高了测量装置的灵敏度，避免了因光束强度太强而损伤和频晶体，从而获得较高的动态范围。

附图说明

图1为本发明的高功率超短激光脉冲对比度测量装置光路示意图。

图中，1.半波片    2.扩束镜     3.分束镜Ⅰ     4.延迟调节器     5.凸透镜Ⅰ     6.限幅器     7.凸透镜Ⅱ     8.和频晶体     9.光阑     10.柱状凸透镜     11.分束镜Ⅱ     12.挡片Ⅰ     13.衰减片Ⅰ     14.CCDⅠ     15.分束镜Ⅲ     16.挡片Ⅱ     17.衰减片Ⅱ     18.CCDⅡ     19.挡片Ⅲ     20.衰减片Ⅲ     21. CCDⅢ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明的高功率超短激光脉冲对比度测量装置光路示意图。图1中，本发明的高功率超短激光脉冲对比度测量装置中，在高功率超短激光脉冲入射方向上依次设置半波片1、扩束镜2、分束镜Ⅰ3。入射脉冲光依次进入半波片1、扩束镜2、分束镜Ⅰ3，经分束镜Ⅰ3分成透射光和反射光，在分束镜Ⅰ3的透射光路上设置有延迟调节器4，在分束镜Ⅰ3的反射光路上依次设置有凸透镜Ⅰ5、限幅器6、凸透镜Ⅱ7。所述的分束镜Ⅰ3的反射光经凸透镜Ⅰ3会聚到限幅器6上，从限幅器6反射的光经凸透镜Ⅱ7后变为平行光，与分束镜Ⅰ3的透射光并行进入和频晶体8，产生倍频光，所述的倍频光沿和频晶体8端面垂直出射。在和频晶体8后依次设置光阑9、柱状凸透镜10、分束镜Ⅱ11；在分束镜Ⅱ11的反射光路上依次设置挡片Ⅰ12、衰减片Ⅰ13、CCDⅠ14。在分束镜Ⅱ11的透射光路上设置分束镜Ⅲ15。在分束镜Ⅲ15的反射光路上依次设置挡片Ⅱ16、衰减片Ⅱ17、CCDⅡ18；在分束镜Ⅲ15的透射光路上依次设置挡片Ⅲ19、衰减片Ⅲ20、CCDⅢ21。从和频晶体8出射的倍频光经柱状凸透镜10会聚后被分束镜Ⅱ11分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅰ12后透射到光束水平方向的左边区域，再经衰减片Ⅰ13衰减后在柱状凸透镜10焦面处被CCDⅠ14接收。所述的分束镜Ⅱ11的透射光经分束镜Ⅲ15分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅱ16后透射到光束水平方向的右边区域，再经衰减片Ⅱ17衰减后在柱状凸透镜10焦面处被CCDⅡ18接收，透射光经挡片Ⅲ19后只透射光束水平方向的中间区域，在经衰减片Ⅲ20衰减后在柱状凸透镜10焦面处被CCDⅢ21接收。

所述的CCDⅠ14、CCDⅡ18、CCDⅢ21置于柱状凸透镜10的焦面处，分别接收沿水平方向的左、中、右三个区域的倍频信号。

所述的限幅器6设置在凸透镜Ⅰ5和凸透镜Ⅱ7构成的准直***的共同焦面处。

所述的和频晶体8采用90度非共线Ⅰ类位相匹配。

本实施例中，限幅器6为固体，设置在真空中；选用的和频晶体为KDP晶体；参与和频的入射光为宽光束。

本实施例中，所述的分束镜Ⅰ3的第一入射表面镀针对基频入射光的半透半反膜，第二表面镀针对基频入射光的减反膜；分束镜Ⅱ11和分束镜Ⅲ15的第一入射表面镀针对二次谐波的半透半反膜，第二表面镀针对二次谐波的减反膜。

本实施例中，所述的延迟调节器4的作用是保证经过限幅器6的激光脉冲与经延迟调节器4来的被测脉冲在和频晶体内光束重叠处实现时间同步，限幅器6的作用是衰减基频信号的预脉冲，让基频信号的主脉冲无衰减反射。

本实施例中，所述的半波片1的作用是保证取样光束的偏振态，根据被测光束的偏振特性进行***或退出光路。

本实施例中，入射脉冲光中心波长λ为800nm，脉冲宽度约为10ps，垂直偏振。

首先将λ＝800nm的基频信号经半波片1转变为水平偏振，然后经扩束镜2扩束后入射到分束镜Ⅰ3上分成强度相等的透射光和反射光；反射光经凸透镜Ⅰ5聚焦到限幅器6上，从限幅器6上反射的光经凸透镜Ⅱ7准直为平行光；透射光经延迟调节器4进行光程调节，与经凸透镜Ⅱ7准直的平行光一起以约14.7^o的入射角度交叉入射到和频晶体8进行谐波转换，所述的两入射光束的中心交点位于和频晶体8体内中心，通过调节延迟调节器4使交点处的所述的两入射光束的脉冲峰值时间同步；产生的400nm相关信号沿和频晶体8端面垂直出射，出射的相关信号经光阑9滤掉剩余的基频信号后通过柱状凸透镜10实现一维线聚焦；经柱状凸透镜10会聚的相关信号被分束镜Ⅱ11分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅰ12挡住光束水平方向右边的2/3部分区域，透过的水平方向左边1/3区域经衰减片Ⅰ13衰减后在柱状凸透镜10焦面处被CCDⅠ14接收，分束镜Ⅱ11的透射光经分束镜Ⅲ15分成强度相等的透射光和反射光；所述的反射光经挡片Ⅱ16挡住光束水平方向的左边2/3部分区域，透过的水平方向右边1/3区域经衰减片Ⅱ17衰减后在柱状凸透镜10焦面处被CCDⅡ18接收，所述的透射光经挡片Ⅲ19挡住光束水平方向两边约2/3部分区域，透过的水平方向中间1/3区域经衰减片Ⅲ20衰减后在柱状凸透镜10焦面处被CCDⅢ21接收。

通过调节延迟调节器4将相关信号峰值调节到CCDⅡ18上，该峰值在和频晶体上对应的水平空间位置记为坐标原点，假设分束镜Ⅱ11和分束镜Ⅲ15的强度透反比都为1：1，衰减片Ⅱ17的衰减倍率为k₁，衰减片Ⅰ13（或衰减片Ⅲ20）的衰减倍率为k₂，CCDⅡ18上的相关信号峰值强度为I₁(2ω)，CCDⅠ14（或CCDⅢ21）上的对应和频晶体水平空间位置某点x处的脉冲强度为I_x(2ω)，该点x的预脉冲超前主脉冲的时间量为τ＝2πxsin(14.7^o)/(cλ)，这里c为真空中的光速，λ为基频激光脉冲波长；则2k₁×I₁(2ω)/(k₂×I_x(2ω)) (或k₁×I₁(2ω)/(k₂×I_x(2ω)))即为超前主脉冲的时间量为τ时的预脉冲的脉冲对比度。

Claims (4)

1.一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置，其特征在于：所述的测量装置中，在高功率超短激光脉冲入射方向上依次设置半波片(1)、扩束镜(2)、分束镜Ⅰ(3)；入射脉冲光依次进入半波片(1)、扩束镜(2)、分束镜Ⅰ(3)，经分束镜Ⅰ(3)分成透射光和反射光，在分束镜Ⅰ(3)的透射光路上设置有延迟调节器(4)，在分束镜Ⅰ(3)的反射光路上依次设置有凸透镜Ⅰ(5)、限幅器(6)、凸透镜Ⅱ(7)；所述的分束镜Ⅰ(3)的反射光经凸透镜Ⅰ(5)会聚到限幅器(6)上，从限幅器(6)反射的光经凸透镜Ⅱ(7)后变为平行光，与分束镜Ⅰ(3)的透射光并行进入和频晶体(8)，产生倍频光，所述的倍频光沿和频晶体(8)端面垂直出射；在和频晶体(8)后依次设置光阑(9)、柱状凸透镜(10)、分束镜Ⅱ(11)；在分束镜Ⅱ(11)的反射光路上依次设置挡片Ⅰ(12)、衰减片Ⅰ(13)、CCDⅠ(14)；在分束镜Ⅱ(11)的透射光路上设置分束镜Ⅲ(15)；在分束镜Ⅲ(15)的反射光路上依次设置挡片Ⅱ(16)、衰减片Ⅱ(17)、CCDⅡ(18)；在分束镜Ⅲ(15)的透射光路上依次设置挡片Ⅲ(19)、衰减片Ⅲ(20)、CCDⅢ(21)；从和频晶体(8)出射的倍频光经柱状凸透镜(10)会聚后被分束镜Ⅱ(11)分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅰ(12)后透射到光束水平方向的左边区域，再经衰减片Ⅰ(13)衰减后在柱状凸透镜(10)焦面处被CCDⅠ(14)接收；所述的分束镜Ⅱ(11)的透射光经分束镜Ⅲ(15)分成强度相等的透射光和反射光，反射光经挡片Ⅱ(16) 后透射到光束水平方向的右边区域，再经衰减片Ⅱ(17)衰减后在柱状凸透镜(10)焦面处被CCDⅡ(18)接收，透射光经挡片Ⅲ(19) 后透射到光束水平方向的中间区域，再经衰减片Ⅲ(20)衰减后在柱状凸透镜(10)焦面处被CCDⅢ(21)接收。

2.根据权利要求1所述的高功率超短激光脉冲对比度测量装置，其特征在于：所述的CCDⅠ(14)、CCDⅡ(18)、CCDⅢ(21)置于柱状凸透镜(10)的焦面处，分别用于接收沿水平方向的左、中、右三个区域的倍频信号。

3.根据权利要求1所述的高功率超短激光脉冲对比度测量装置，其特征在于：所述的限幅器(6) 设置在凸透镜Ⅰ(5)和凸透镜Ⅱ(7)构成的准直***的共同焦面处。

4.根据权利要求1所述的高功率超短激光脉冲对比度测量装置，其特征在于：所述的和频晶体(8)采用90度非共线Ⅰ类位相匹配。