CN109186785A - 一种超快激光场的时空测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快激光场的时空测量装置，包括成像***、同步***及数据采集处理***，本发明结合了条纹相机和压缩感知理论在二维压缩成像方面的优势，通过将激光场的光斑直接照射到纸屏上形成所拍摄的二维激光场的动态场景，利用二次迭代阈值压缩算法对得到的压缩数据进行重构，最终实现对任意激光场的时空测量。本发明待测激光场依次通过高反镜、薄纸屏、物镜，再通过立方体分束器进入凸透镜，接着到达数字微镜器件，反射光再次到达立方体分束器后进入条纹相机，由计算机控制图像信息的采集以及后期数据处理。本发明的整个测量过程是一个单次测量的超快过程，测量中不需要引入参考光，具有光路简单，算法运行速度快，可覆盖波段较宽的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光场测量技术领域，用于同时测量脉冲激光场的时间和空间信息，尤其是一种超快激光场的时空测量装置。
背景技术
人们对激光从认识到深入再到加以利用，是一个不断发展的过程。如今超短脉冲激光已经被广泛应用于包括超快现象研究、精密材料加工、超精密外科手术、光通信和设计高新技术领域的科学研究。激光参数作为激光技术的一个重要衡量指标，对其的测量是一个具有重要意义的研究方向，也是激光器的研究、生产和应用中的一项基础工作。
现有技术对激光的特性分析，包括了它在时间、空间和频谱中的分布特性，由各种激光参数表征。激光频谱特性参数包括谱线宽度和轮廓、频率稳定性和相干性等参数。激光波长测量使用光谱仪和干涉仪，大多数激光波长计的主体部分是干涉仪，也可用差拍和外差的方法测量激光波长。激光空域特性参数包括激光光束直径、发散角、椭圆度、横模式、近场和远场花样等，这些参数是通过测量激光功率或能量的相对空间分布得到的。激光时域特性参数测量包括脉冲波形和宽度、峰值功率、重复功率、瞬时功率、功率稳定性等的测量。激光时域参数测量需要配备响应速度足够快的线性探测器和记录、存储、显示***。激光脉冲宽度短到1纳秒以下时,则使用高速电子光学条纹照相机，或双光子吸收荧光法和二次谐波强度相关法等测量技术。
对于激光光斑，更多的关注点在时空两个方面的参数测量，尚存的技术已经可以实现上述参数的测量，但还没有一种普适的可以同时测量激光脉冲在时间域和空间域的信息分布的技术。
通常的技术都是通过对时间域进行积分得到空间域的分布规律，或者对空间域进行积分得到时间域的演化规律，这样的做法势必会导致空间不同位置的点失去时间信息，也会导致不同时刻的光信息失去了空间分辨能力。在一些存在时空畸变的情况下，就很难达到较高的实验精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种超快激光场的时空测量装置，该装置同时测量脉冲激光场的时间和空间信息的过程为单次测量过程，可以高保真地实现时间空间信息的三维重构。
实现本发明的具体技术方案是：
一种超快激光场的时空测量装置，特点是该装置包括：
一个由待测激光场、高反镜、薄纸屏、物镜、立方体分束器、第一凸透镜、第二凸透镜、数字微镜器件及条纹相机构成的成像***；
一个由数字延时发生器及条纹相机构成的同步***；
一个由计算机构成的数据采集及处理***；
所述待测激光场依次通过高反镜、薄纸屏、物镜、再通过立方体分束器进入第一凸透镜、第二凸透镜，到达数字微镜器件（DMD），由数字微镜器件反射的光再次到达立方体分束器后进入条纹相机；
所述的计算机分别与数字微镜器件及条纹相机电连接，数字延时发生器分别与条纹相机及待测激光场电连接。
所述薄纸屏设置在物镜的焦点处。
所述第一凸透镜与第二凸透镜组成一个4f ***，数字微镜器件设置在第二凸透镜像平面处对中间像进行编码，编码后的图像被数字微镜器件的微镜反射后由原4f ***返回进入条纹相机。
所述条纹相机在偏转工作状态下产生随时间线性变化的直流电场，进入狭缝的光子在光阴极发生光电效应后产生光电子，偏转在荧光屏中的不同位置，最终在内置CCD相机中进行成像；一维狭缝偏转测量信号强度随时间演化信息，二维的狭缝同时具备时空分辨能力。
本发明由一个成像***、一个同步***及一个数据采集及处理***构成，本发明基于压缩感知理论和条纹相机可以二维成像的原理，以1012帧/秒的速度超快重建激光场随时间变化的二维横截面；基于其超快的光学重构过程和高信噪比的重构结果，可用于短脉冲、超短脉冲的参数测量；本发明同时测量脉冲激光场的时间和空间信息的过程为单次测量过程，可以高保真地实现时间空间信息的三维重构，本发明是一种可以同时测量激光场的时间信息和空间信息的测量装置，为计算成像领域提供了一种新的方法，在激光器的评估及对强激光技术的应用中具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明对中心波长为800 nm 的激光场的时空测量状态图；
图3为本发明对双色场激光脉冲场的时空测量状态图；
图4为本发明对超连续谱激光脉冲场的时空测量状态图。
具体实施方式
参阅图1（图中，虚线为电路，实线为光路），本发明包括：
一个由待测激光场1、高反镜2、薄纸屏3、物镜4、立方体分束器5、第一凸透镜6、第二凸透镜7、数字微镜器件8及条纹相机10构成的成像***；
一个由数字延时发生器9及条纹相机10构成的同步***；
一个由计算机11构成的数据采集及处理***；
所述待测激光场1依次通过高反镜2、薄纸屏3、物镜4、再通过立方体分束器5进入第一凸透镜6、第二凸透镜7，到达数字微镜器件（DMD）8，由第二凸透镜7反射的光再次到达立方体分束器5后进入条纹相机10；
所述的计算机11分别与数字微镜器件8及条纹相机10电连接，数字延时发生器9分别与条纹相机10及待测激光场1电连接。
所述薄纸屏3设置在物镜4的焦点处。
所述第一凸透镜6与第二凸透镜7组成一个4f ***，数字微镜器件8设置在第二凸透镜像平面处对中间像进行编码，编码后的图像被数字微镜器件8的微镜反射后由原4f ***返回进入条纹相机10。
所述条纹相机10在偏转工作状态下产生随时间线性变化的直流电场，进入狭缝的光子在光阴极发生光电效应后产生光电子，偏转在荧光屏中的不同位置，最终在内置CCD相机中进行成像；一维狭缝偏转测量信号强度随时间演化信息，二维的狭缝同时具备时空分辨能力。
本发明是这样工作的：
参阅图1，本发明待测激光场1为调制后的待测激光，待测激光场1的输出光束依次通过高反镜2、薄纸屏3，在薄纸屏3上形成要测的像进入物镜4，然后通过立方体分束器5进行分束，透射部分进入第一凸透镜6及第二凸透镜7，到达数字微镜器件8处进行编码后由第二凸透镜7及第一凸透镜6原路返回到立方体分束器5，经立方体分束器5反射后进入条纹相机10，实现测量信息的成像工作。
测量信息最终输出到计算机11端，由计算机11控制整个数据采集的条件，利用二次迭代阈值压缩（TwIST）算法对采集到的结果进行重构，实现数据采集及处理工作。
数字延时发生器9为条纹相机10的触发装置，为条纹相机10提供触发信号，控制条纹相机的偏转起始时刻，使条纹相机10处于偏转工作状态中，实现条纹相机10与激光场的同步工作。
TwIST算法可以通过调节迭代次数、去噪音子、正则化系数等参数改善重构质量。算法处理的根本思想是基于压缩感知理论的线性反问题的求解，在处理欠定问题时，TwIST算法已经被证实是一种收敛速度快、重构精度较高的算法。
本发明的工作过程分为正向成像和反向图像重构。激光场经过数字微镜器件编码后到达条纹相机，条纹相机对其进行偏转和叠加，得到正向的压缩图像。数据处理时，利用TwIST算法对其进行反演，可以得到时间分辨的二维空间分布。
本发明各部件的作用：
a）、待测激光场
所述待测激光场1用于对激光进行倍频、孔径限制、扩束的操作，用于输出实验中所需测量的激光，考虑到动态三维帧数的要求，激光脉宽应大于条纹相机10的时间分辨率4ps，选择激光脉宽一般应大于20 ps；本发明待测激光场1的响应波段为200 nm～800 nm，以匹配条纹相机10的响应。
b）、薄纸屏
所述薄纸屏3放置在物镜4的焦点处，采用薄纸屏3记录激光场的成像，薄纸屏3作为激光场的载体，反映了脉冲激光场的空间分布，不同时刻的激光光斑在纸上所成的像通过物镜进入实验***，整个测量过程中不需要引入参考光，而且是一个单次测量的过程。
c）、数字微镜器件
所述第一凸透镜6及第二凸透镜7组成一个4f ***，数字微镜器件8放置在图像的平面处，并对中间图像进行编码，编码后的图像被数字微镜器件8的微镜反射后由原4f ***返回，经立方体分束器5折射后进入条纹相机10。
d）、条纹相机
所述条纹相机10选用Hamamatsu C7700型，成像速度可以达到每秒1012帧，比普通的摄像装置提高了5个数量级，使得对激光脉冲的测量成为可能。所述条纹相机10在偏转工作状态下产生随时间线性变化的直流电场，进入狭缝的光子在光阴极发生光电效应后会产生光电子，从而偏转在荧光屏中的不同位置，最终在内置CCD相机中进行成像，其中，一维的狭缝偏转用于测量信号强度随时间演化的信息，二维的狭缝偏转就用于分辨时空的信息。
条纹相机10能将不同时刻进入的光电子偏转至不同的位置，可以将时间信息转化为空间信息，利用这一特点，本发明装置中将条纹相机的狭缝打开到最大（约7mm），薄纸屏作为光信息的载体，将激光场的特性反应在纸屏上像的特性，然后对其进行编码、偏转、叠加成像。最终在CCD相机中获得一个二维叠加图像，也即光脉冲在其脉冲周期内的叠加。
e）、数字延时发生器
所述数字延时发生器9选用DG645型，由数字延时发生器9与条纹相机10构成同步***，数字延时发生器9接收待测激光场1的电信号，其输出弥补了光路中的光程差所导致的时间延迟信号，这个信号作为条纹相机10的扳机信号触发条纹相机10，保证条纹相机10的偏转时间包括了整个激光场的持续时间。
实施例1
参阅图1-2，图2为中心波长在800 nm 的激光场的时空测量图。
待测激光场1依次通过高反镜2、薄纸屏3、物镜4、再通过立方体分束器5进入第一凸透镜6、第二凸透镜7，到达数字微镜器件（DMD）8，由第二凸透镜7反射的光再次到达立方体分束器5后进入条纹相机10；
计算机11分别与数字微镜器件8及条纹相机10电连接，数字延时发生器9分别与条纹相机10及待测激光场1电连接。
激光场1经过数字微镜器件8编码后到达条纹相机10，条纹相机10对其进行偏转和叠加，得到正向的压缩图像。数据处理时，利用TwIST算法对其进行反演，可以得到时间分辨的二维空间分布。
其中：图2a为重构结果，每张图片都代表着在某个时刻激光场的空间信息，主要包括激光场的横截面上的光场分布，重构结果有一个激光场由弱到强再变弱的过程，在从无到有再到无的极限情况下，所对应的时间间隔就是所测激光场的脉冲持续时间。
图2b为条纹相机10在一维工作状态下的采集数据，一维数据可以提供光信号的强度随时间的演化信息。
图2c为一维测量结果和二维重构结果的高斯拟合，其中小方形代表一维数据，小圆点代表二维数据，可以发现二者吻合较好。
实施例2
参阅图1、图3，图3为双色场激光脉冲场的时空测量图。
其中：图3d为实验条件，区别是在原先的光路中放置一片BBO晶体，然后产生400nm和800nm 的双色脉冲，由于色散等效应，两个脉冲会有一定的时间延迟。
图3a为重构结果。每张图片都代表着在某个时刻激光场的空间信息，主要包括激光场的横截面上的光场分布。重构结果会出现两个激光场由弱到强再变弱的过程，记录了两个脉冲的时间尺度以及在这个时间尺度内的空间分布。
图3b 为条纹相机在一维工作状态下的采集数。
图3c为一维和二维数据的高斯拟合，其中小方形代表一维数据，小圆点代表二维数据，两个脉宽和强度分布都能较好符合。
实施例3
参阅图1、图4，图4为超连续谱激光脉冲场的时空测量图。
其中：图4d为实验条件，区别是在原先的光路中放置一片凸透镜对光进行聚焦，打在装有水的比色皿中产生水的超连续谱，然后使得超连续谱照射到纸屏上。
图4a为重构结果。在记录了整个光斑的演化的前提下，也能发现脉宽有了一定的展宽。
图4b为一维工作状态下的采集数据。
图4c为一维和二维结果的高斯拟合，其中小方形代表一维数据，小圆点代表二维数据，同样两者的高斯拟合结果十分相近。于此，对于激光场的时空测量已经可以完成。
Claims (5)
1.一种超快激光场的时空测量装置，其特征在于，该装置包括：
一个由待测激光场（1）、高反镜（2）、薄纸屏（3）、物镜（4）、立方体分束器（5）、第一凸透镜（6）、第二凸透镜（7）、数字微镜器件（8）及条纹相机（10）构成的成像***；
一个由数字延时发生器（9）及条纹相机（10）构成的同步***；
一个由计算机（11）构成的数据采集及处理***；
所述待测激光场（1）依次通过高反镜（2）、薄纸屏（3）、物镜（4）、再通过立方体分束器（5）进入第一凸透镜（6）、第二凸透镜（7），到达数字微镜器件（8），由数字微镜器件（8）反射的光再次到达立方体分束器（5）后进入条纹相机（10）；
所述的计算机（11）分别与数字微镜器件（8）及条纹相机（10）电连接，数字延时发生器（9）分别与条纹相机（10）及待测激光场（1）电连接。
2.根据权利要求1所述的超快激光场的时空测量装置，其特征在于，所述薄纸屏（3）设置在物镜（4）的焦点处。
3.根据权利要求1所述的超快激光场的时空测量装置，其特征在于，所述第一凸透镜（6）与第二凸透镜（7）组成一个4f ***，数字微镜器件（8）设置在第二凸透镜（7）的像平面处对中间像进行编码，编码后的图像被数字微镜器件（8）的微镜反射后由原4f ***返回进入条纹相机（10）。
4.根据权利要求1所述的超快激光场的时空测量装置，其特征在于，所述条纹相机（10）在偏转工作状态下产生随时间线性变化的直流电场，进入狭缝的光子在光阴极发生光电效应后产生光电子，偏转在荧光屏中的不同位置，最终在内置CCD相机中进行成像；一维狭缝偏转测量信号强度随时间演化信息，二维的狭缝同时具备时空分辨能力。
5.根据权利要求1所述的超快激光场的时空测量装置，其特征在于，所述的数据采集及处理***，计算机端（11）将采集到的数据利用二次迭代阈值压缩算法进行重构反演。
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