基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置。被测的平行激光束经过分光镜后将光变成透射光和反射光，透射光经半透半反镜再一次分成透射光和反射光，所述的透射光和反射光经倍频晶体产生二倍频光，将时间强度信息转换为强度自相关一维空间信息，该二倍频光束与分光镜后的反射光束在和频晶体上实现三倍频转换，将时间强度信息转换为强度三阶相关二维空间信息。本发明通过简单的重构技术，不仅能够获得脉冲宽度信息，还能够精确地获得脉冲波形信息，能够处理皮秒、飞秒脉冲波形。测量装置成本低、结构简单，调节方便。
【专利说明】
基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置
技术领域
[0001] 本发明属于超短激光脉冲测试技术领域，具体涉及一种基于三阶相关法的激光脉 冲波形测量装置。
【背景技术】
[0002] 目前，一般通过测量二阶、单延迟的三阶强度相关函数来推知超短激光脉冲的脉 宽，但是，只测得二阶、单延迟的三阶强度相关函数并不能确定脉冲的形状，因此二阶、三阶 相关仪主要用来测量脉冲的对比度。名称为《高功率超短激光脉冲对比度测量装置》的实用 新型专利（专利号:ZL 170717077677.0)公开了一种通过单延迟的三阶G(3)(T)强度相关函 数来获得脉冲对比度的测量方法，名称为《一种单发次超短激光脉冲对比度测量装置》的实 用新型专利（专利号：ZL 1710 2 0293160.8)公开了一种采用两个延迟机构形成两个单延 迟的三阶自相关信号，分别测试相关信号主峰和脉冲前沿的方法获得对比度信息。FROG及 其变种虽然能够测量脉冲的形状，但计算繁复，且脉宽测量范围有限。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有的测量技术在超短激光脉冲波形测量中测量范围有限、恢复脉冲波 形计算繁复的不足，本发明提供一种基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 本发明的基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置，其特点是，所述的装置中，在高功 率激光脉冲入射方向上依次设置分光镜、半透半反镜。激光脉冲通过所述的分光镜分成透 射光和反射光，透射光经半透半反镜再一次分成透射光和反射光。在半透半反镜的反射光 路依次设置有反射镜I、倍频晶体、挡光片I，在半透半反镜的透射光路上依次设置有延迟调 节器I、反射镜n、倍频晶体、挡光片n ;半透半反镜的反射光经反射镜I反射到倍频晶体，反 射光经倍频晶体透射后被挡光片I吸收;所述的半透半反镜的透射光经延迟调节器I进行光 程延迟后投射到反射镜n，经反射镜n反射到倍频晶体，反射光经倍频晶体透射后被挡光 片n吸收;从反射镜I反射的光束与从反射镜n反射的光束同时投射到倍频晶体上，在两反 射光束重叠区域实现倍频转换，产生的二倍频光沿与倍频晶体表面相垂直的方向输出；在 倍频晶体输出的二倍频光束方向上依次设置导光镜组、和频晶体、衰减片i、ccdi;所述的二 倍频光束经导光镜组反射后投射到和频晶体，二倍频光束经和频晶体透射后投射到衰减片 I进行强度衰减，进入ccdi;在分光镜的反射光路依次设置有反射镜m、延迟调节器n、反射 镜iv、反射镜V、和频晶体、挡光片m;所述的分光镜的反射光经反射镜m反射后进入延迟 调节器n进行光程延迟，从延迟调节器n出射的光束再依次经反射镜iv、反射镜v后投射 到和频晶体，从反射镜v反射的基频光经和频晶体透射后被挡光片m吸收;从反射镜v反 射的基频光与导光镜组出射的二倍频光同时投射到和频晶体上，在所述的基频光与二倍频 光的重叠区域实现三倍频转换，产生的三倍频光沿与和频晶体表面相垂直的方向输出；在 三倍频光束方向上依次设置衰减片n、ccdii，三倍频光束经衰减片n进行强度衰减，进入 (XD n ;所述的(XDI、(XD n分别外接计算机，来自(XDI、(XD n的信号最后进入计算机进行数 据处理。
[0005] 所述的导光镜组由四块导光镜构成。在二倍频光束传输方向上依次设置有导光镜 I、导光镜n、导光镜m、导光镜iv。导光镜I将入射水平光束垂直向上反射，导光镜n将垂直 光束水平反射，水平反射光束出射方向与入射水平光束垂直，导光镜m将水平反射光束垂 直向下反射，导光镜iv将垂直向下反射的光束水平反射，最终出射的水平反射光束与入射 水平光束在同一平面内，水平反射光束与入射水平光束垂直。
[0006] 所述的倍频晶体、和频晶体采用90°非共线匹配。根据不同的入射激光波长选用不 同的晶体材料如BB0、KDP等，可以采用不同的非共线位相匹配方式如 〇〇e、〇ee等。
[0007] 本发明的有益效果是： 1.本发明的测量装置成本低、结构简单，调节方便，采用倍频晶体与和频晶体相组合， 将三阶脉冲强度时间相关信号转换为利于探测的空间强度二维分布，通过简单的重构技 术，不仅可以获得脉冲宽度信息，还可以精确地获得脉冲波形信息。
[0008] 2.本发明采用90度非共线位相匹配，双延迟机构可以独立调节，增大了时间测量 范围。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明的基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置光路示意图； 图2是本发明中的导光镜组光路示意图； 图中，1.分光镜2.半透半反镜3.反射镜I 4.延迟调节器I 5.反射镜II 6. 倍频晶体7.挡光片I 8.挡光片n 9.导光镜组10.反射镜m 11.延迟调节器 n 12.反射镜IV 13.反射镜V 14.和频晶体15.衰减片I 16. CCDI 17.衰减 片n is. ccdn 19.挡光片m 9-i.导光镜i 9-2.导光镜n 9-3.导光镜m 9- 4.导光镜IV。
【具体实施方式】
[0010] 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。
[0011] 实施例1 图1是本发明的基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置光路示意图，图2是本发明中 的导光镜组光路示意图，为图1中的导光镜组的A向侧视图。在图1、图2中，本发明的基于三 阶相关法的激光脉冲波形测量装置中，在高功率激光脉冲入射方向上依次设置分光镜1、半 透半反镜2;激光脉冲通过所述的分光镜1分成透射光和反射光，透射光经半透半反镜2再一 次分成透射光和反射光;在半透半反镜2的反射光路依次设置有反射镜13、倍频晶体6、挡光 片17,在半透半反镜2的透射光路上依次设置有延迟调节器14、反射镜115、倍频晶体6、挡光 片II 8;半透半反镜2的反射光经反射镜13反射到倍频晶体6，反射光经倍频晶体6透射后被 挡光片17吸收;所述的半透半反镜2的透射光经延迟调节器14进行光程延迟后投射到反射 镜n 5，经反射镜n 5反射到倍频晶体6，反射光经倍频晶体6透射后被挡光片n 8吸收;从反 射镜13反射的光束与从反射镜115反射的光束同时投射到倍频晶体6上，在两反射光束重叠 区域实现倍频转换，产生的二倍频光沿与倍频晶体6表面相垂直的方向输出；在倍频晶体6 输出的二倍频光束方向上依次设置导光镜组9、和频晶体14、衰减片115、CCD 116;所述的二 倍频光束经导光镜组反射后投射到和频晶体14,二倍频光束经和频晶体14透射后投射到衰 减片115进行强度衰减，进入CCDI16;在分光镜1的反射光路依次设置有反射镜m 10、延迟调 节器n 11、反射镜IV12、反射镜V13、和频晶体14、挡光片m 19;所述的分光镜1的反射光经 反射镜m 10反射后进入延迟调节器n 11进行光程延迟，从延迟调节器n 11出射的光束再依 次经反射镜IV12、反射镜V 13后投射到和频晶体14，从反射镜V 13反射的基频光经和频晶 体14透射后被挡光片mi9吸收;从反射镜V13反射的基频光与导光镜组9出射的二倍频光 同时投射到和频晶体14上，在所述的基频光与二倍频光的重叠区域实现三倍频转换，产生 的三倍频光沿与和频晶体14表面相垂直的方向输出；在三倍频光束方向上依次设置衰减片 n 17、(XDn 18,三倍频光束经衰减片n 17进行强度衰减，进入(XDn 18;所述的CCDI16、(XD ni8分别外接计算机，来自0：0116、0：01118的信号最后进入计算机进行数据处理。
[0012] 所述的导光镜组9由四块导光镜构成;在二倍频光束传输方向上依次设置有导光 镜19-1、导光镜119-2、导光镜m9-3、导光镜IV9-4;导光镜19-1将入射水平光束垂直向上反 射，导光镜n 9-2将垂直光束水平反射，水平反射光束出射方向与入射水平光束垂直，导光 镜m9-3将水平反射光束垂直向下反射，导光镜IV9-4将垂直向下反射的光束水平反射，最 终出射的水平反射光束与入射水平光束在同一平面内，水平反射光束与入射水平光束垂 直，如图2所示。
[0013] 所述的倍频晶体6、和频晶体14采用90°非共线匹配。根据不同的入射激光波长选 用不同的晶体材料如BB0、KDP等，可以采用不同的非共线位相匹配方式如 〇〇e、〇ee等。
[0014] 所述的倍频晶体6将激光脉冲时间信号I(t)转换为沿水平方向的空间二阶相关 信号G(2)(xi)。
[0015]所述的导光镜组9将倍频晶体6产生的沿水平方向的相关信号G(2)(X1)转换为沿 垂直方向的相关信号G(2)(y)，同时将相关信号由垂直偏振转换为水平偏振。
[0016] 所述的和频晶体14将基频脉冲光与二倍频光进行和频，转换为三阶相关信号G(3) (x,y) 〇
[0017] 所述的延迟调节器14、延迟调节器nil不仅可以确定三阶强度相关信号的零点G (3)(x = 0,y = 0)，还可以扩展G(3)(x,y)的视场范围。
[0018]本发明的基于三阶相关法的激光脉冲波形测量的基本原理是:利用二阶相关函数 G(2)(T)和双延迟三阶相关函数G(3)( T 2)可以准确确定出光脉冲的光谱分布，再通过傅 立叶变换求出脉冲波形；而借助倍频晶体以及和频晶体的非共线频率转换，可以将时间相 关函数G(2)b)、G(3)( Tl，T2)转换为时间一空间坐标一一对应的、可以直接测量的空间强度 分布G (2)(X1)、G(3)( X，y)，再通过简单的时间一空间坐标变换恢复出被测脉冲波形。
[0019] 从相关函数恢复脉冲波形的基本原理是： 通过二阶相关函数G(2)(T)可以获得光脉冲的谱强度的幅值|I(V)|:
式中，V表示频率，i表示单位复量，T表示时间。
[0020] 通过双时间延迟三阶相关函数G(3)( Tl，t2)可以获得光脉冲的谱强度的相位(}) (v)：
这样，借助二阶相关函数G(2)(t)和双延迟三阶相关函数G(3)( Tl，T2)可以确定光脉冲 的光谱分布1(￥)=|1(￥)|6邓(1巾（￥))，再通过傅立叶变换就可以恢复脉冲波形：
利用本发明的测量装置测量超短激光脉冲波形包括以下步骤： 1.倍频光等光程定标:将脉冲宽度小于1皮秒、近场调制度小于1.2、近场对比度小于 0.06的水平偏振激光脉冲输入到该装置，调节延迟调节器I 4,使产生的二倍频光最强，且 最强区域位于(XDI 16的靶面正中心，所述的水平坐标位置记为坐标原点X1 = 0，CCDI 16上 沿水平方向获得的灰度变化图像即为二阶相关信号G(2)(X1)。
[0021] 2.三倍频光等光程定标:调节延迟调节器n 11，使产生的三倍频光最强，且最强 亮点位于(XD n 18的革E面正中心，所述的坐标位置记为坐标原点（X = 0，y = 0 )，(XD n 18上 获得的灰度变化图像即为三阶相关信号G(3)( x，y)。
[0022] 3.时空变换系数定标：调节延迟调节器I 4,增加该光路的光程0.3mm，即等价于 时间延迟1皮秒，记录下(XDI 16、(XDII 18上光斑亮点偏离原点的方向及移动量AX1，Ay; 调节延迟调节器II 11，增加该光路的光程0.3mm，即等价于时间延迟1皮秒，记录下(XDII 18上光斑亮点偏离原点的方向及移动量A x，获得相关函数时间延迟与坐标的比例系数:k 1 =A xi、k2= A y、k3= A x(单位：mm/ps)，即G(2)( x = xi/ki) ,G(3)( ii = x/k3, T2 = y/k2)〇
[0023] 4.计算谱强度的幅值| I(v) | :利用以下公式获取光脉冲的谱强度幅值| I(v)
这里，AX为(XDI 16的像元尺寸，Xl为水平方向第i个像元离原点的距离，2Ni为光斑所 占水平方向的像元数。
[0024] 5.计算谱强度的相位利用公式(2)、（3)获取光脉冲的谱强度相位(i>(v)， 计算时需将积分改为求和，求和区域为CCDII 18上光斑所占区域。
[0025] 6.利用公式(4)获取激光脉冲波形。
[0026]本实施例中，入射激光脉冲波长为1053nm，脉冲宽度约为lps，能量约为10mJ，光束 口径为lcm，水平偏振，倍频晶体6与和频晶体14均采用KDP材料，均采用非共线ooe位相匹 配。从半透半反镜2透射和反射来的两基频光束以约30°的入射角度对称入射到倍频晶体 6上，产生的二倍频光沿倍频晶体6表面的法线方向输出，通过导光镜组9后将二倍频光束 偏转90度，这时CCDI 16记录的二倍频光即为二阶相关信号G(2)( Tiy/h)，相关方向为竖 直方向，同时将二倍频光的偏转态由垂直偏振转换为水平偏振，时空变换系数. 58_/ PS;从导光镜组9出来的二倍频光与从分光镜1反射来的基频光束同时入射到和频晶体 14上，基频光束的入射角约为1713，二倍频光的入射角约为1013，在光束重叠区域产生三倍频 光，产生的三倍频光沿和频晶体14表面的法线方向输出，这时CCDII 18记录的三倍频光即 为三阶相关信号G(3)( Tpx/ks, T2 = y/k2)，时空变换系数k2~0.58mm/ps，k3~0.49mm/ps; 最后通过计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形分布。
【主权项】
1. 一种基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置，其特征是:所述的装置中，在高功率 激光脉冲入射方向上依次设置分光镜（1)、半透半反镜(2);激光脉冲通过所述的分光镜（1) 分成透射光和反射光，透射光经半透半反镜(2)再一次分成透射光和反射光;在半透半反镜 (2)的反射光路依次设置有反射镜1(3)、倍频晶体(6)、挡光片1(7)，在半透半反镜(2)的透 射光路上依次设置有延迟调节器1(4)、反射镜Π (5)、倍频晶体(6)、挡光片Π (8);半透半反 镜(2)的反射光经反射镜1(3)反射到倍频晶体(6)，反射光经倍频晶体(6)透射后被挡光片I (7)吸收;所述的半透半反镜(2)的透射光经延迟调节器1(4)进行光程延迟后投射到反射镜 Π (5)，经反射镜Π (5)反射到倍频晶体（6)，反射光经倍频晶体(6)透射后被挡光片Π (8) 吸收;从反射镜I (3)反射的光束与从反射镜Π (5)反射的光束同时投射到倍频晶体(6)上， 在两反射光束重叠区域实现倍频转换，产生的二倍频光沿与倍频晶体(6)表面相垂直的方 向输出；在倍频晶体(6 )输出的二倍频光束方向上依次设置导光镜组(9 )、和频晶体(14)、衰 减片I (15)、CCDI (16);所述的二倍频光束经导光镜组反射后投射到和频晶体（14)，二倍频 光束经和频晶体（14)透射后投射到衰减片I (15 )进行强度衰减，进入CCD I (16 );在分光镜 (1)的反射光路依次设置有反射镜m( ?ο)、延迟调节器π (11)、反射镜ιν( 12)、反射镜v (13) 、和频晶体（14)、挡光片m (19);所述的分光镜（1)的反射光经反射镜m (10)反射后进 入延迟调节器Π (11)进行光程延迟，从延迟调节器Π (11)出射的光束再依次经反射镜IV (12 )、反射镜V (13 )后投射到和频晶体（14)，从反射镜V (13 )反射的基频光经和频晶体 (14) 透射后被挡光片ΠΚ19)吸收;从反射镜V (13)反射的基频光与导光镜组(9)出射的二 倍频光同时投射到和频晶体(14)上，在所述的基频光与二倍频光的重叠区域实现三倍频转 换，产生的三倍频光沿与和频晶体（14 )表面相垂直的方向输出；在三倍频光束方向上依次 设置衰减片Π (17)、CCD Π (18)，三倍频光束经衰减片Π (17)进行强度衰减，进入(XD Π (18);所述的0：01(16)、0：011(18)分别外接计算机，来自0：01(16)、0：011(18)的信号最后 进入计算机进行数据处理。2. 根据权利要求1所述的基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置，其特征是:所述的 导光镜组(9)由四块导光镜构成;在二倍频光束传输方向上依次设置有导光镜1(9-1)、导光 镜Π (9-2)、导光镜ΠΚ9-3)、导光镜IV(9-4);导光镜1(9-1)将入射水平光束垂直向上反射， 导光镜Π (9-2)将垂直光束水平反射，水平反射光束出射方向与入射水平光束垂直，导光镜 ΠΚ9-3)将水平反射光束垂直向下反射，导光镜IV(9-4)将垂直向下反射的光束水平反射， 最终出射的水平反射光束与入射水平光束在同一平面内，水平反射光束与入射水平光束垂 直。3. 根据权利要求1所述的基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置，其特征是:所述的 倍频晶体(6)、和频晶体(14)采用90°非共线匹配。
【文档编号】G01J11/00GK106052886SQ201610549016
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】夏彦文, 孙志红, 彭志涛, 傅学军, 卢宗贵, 张波, 粟敬钦, 朱启华
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心