一种超短激光脉冲波形测量装置的制作方法

本实用新型属于超短激光脉冲测试技术领域，具体涉及一种超短激光脉冲波形测量装置。

背景技术：

激光束的脉冲时间波形是评价高功率超短激光性能的重要指标。对于短于1皮秒的光脉冲，通常采用的方法是通过二阶、单延迟的三阶相关测量推算超短光脉冲的脉宽，但难以准确给出脉冲的形状，因此二阶、三阶相关仪主要用来测量脉冲的对比度及近似给出脉冲宽度。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强度相关测量来获得脉冲对比度的方法，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单延迟的三阶相关测量，分别提取脉冲主峰和脉冲前沿的方法获得对比度信息。FROG及其变种虽然能够给出脉冲的形状，但计算繁复，且脉宽测量范围有限。目前国内现有的专利中未见到采用双延迟三阶相关测量获取脉冲波形的相关报道。

技术实现要素：

为了克服现有的测量技术在超短激光脉冲波形测量中难以获得脉冲波形的不足，本实用新型提供一种超短激光脉冲波形测量装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型的超短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设置分光镜；激光脉冲通过分光镜分成透射光和反射光；在分光镜的反射光路上依次设置有反射镜、扩束准直镜、双棱镜、倍频晶体、挡光片Ⅰ；分光镜的反射光经反射镜反射到扩束准直镜进行扩束，得到的扩束光经双棱镜分成上下两平行光，以对称角度入射到倍频晶体，在两平行光重叠区域实现倍频转换，产生的水平偏振的二倍频光沿与倍频晶体表面相垂直的方向输出，从倍频晶体透过的剩余两平行基频光束被挡光片Ⅰ吸收；在分光镜的透射光路上依次设置延迟调节器、半波片、变频晶体、挡光片Ⅱ；分光镜的透射光经延迟调节器进行光程延迟，再经半波片将偏振态由垂直偏振转变为水平偏振后投射到变频晶体，从变频晶体出射的基频光被挡光片Ⅱ吸收；从半波片出射的基频光与从倍频晶体出射的二倍频光以匹配角度同时投射到变频晶体上，在基频光与二倍频光重叠区域实现变频转换，产生三阶相关信号光，三阶相关信号光沿与变频晶体表面相垂直的方向输出；在透过变频晶体后的二倍频光束方向上依次设置衰减片Ⅰ、CCDⅠ；所述的二倍频光经衰减片Ⅰ进行强度衰减，进入CCDⅠ；在三阶相关信号光方向上依次设置衰减片Ⅱ、CCDⅡ；所述的三阶相关信号光经衰减片Ⅱ进行强度衰减，进入CCDⅡ；所述的CCDⅠ、CCDⅡ分别外接计算机，来自CCDⅠ、CCDⅡ的信号最后进入计算机进行数据处理。

所述的双棱镜由上、下两块棱镜构成；两块棱镜独立倾斜调节，通过倾斜调节连续改变两出射基频平行光束间的夹角。以适应不同倍频晶体的角度匹配要求。

所述的倍频晶体、变频晶体采用90^o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BBO、KDP等, 根据不同的入射激光波长变频晶体的变频方式选用和频或者差频的方式。

本实用新型的有益效果是：

1. 本实用新型的测量装置成本低、结构简单，调节方便，采用倍频晶体与变频晶体相组合，能够直接获得单发次的二阶、双延迟三阶强度相关信号，通过简单的重构技术，就能够精确地获得超短激光脉冲波形信息。

2. 本实用新型采用双棱镜上下分束，不仅减少了二阶相关信号的等光程调节环节，还能够适应不同倍频晶体的角度匹配要求，直接将二阶相关方向转换到垂直方向，提高了装置的紧凑性。

附图说明

图1是本实用新型的一种超短激光脉冲波形测量装置光路排布示意图；

图2是本实用新型中的二倍频光路侧视图；

图中，1. 分光镜 2. 反射镜 3. 扩束准直镜 4. 双棱镜 5. 倍频晶体 6. 挡光片Ⅰ 7. 延迟调节器 8. 半波片 9. 变频晶体 10. 挡光片Ⅱ 11. 衰减片Ⅰ 12. 衰减片Ⅱ 13. CCDⅠ 14. CCDⅡ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例 1

图1为本实用新型的一种超短激光脉冲波形测量装置示意图，图2是本实用新型中的二倍频光路侧视图，图2是图1的A向侧视图，在图1、图2中，本实用新型的一种超短激光脉冲波形测量装置中，在高功率激光脉冲入射方向上设置分光镜1；激光脉冲通过分光镜1分成透射光和反射光。

在分光镜1的反射光路上依次设置有反射镜2、扩束准直镜3、双棱镜4、倍频晶体5、挡光片Ⅰ6；分光镜1的反射光经反射镜2反射到扩束准直镜3进行扩束，得到的扩束光经双棱镜4分成上下两平行光，以对称角度入射到倍频晶体5，在两平行光重叠区域实现倍频转换，产生的水平偏振的二倍频光沿与倍频晶体5表面相垂直的方向输出，从倍频晶体5透过的剩余两平行基频光束被挡光片Ⅰ6吸收，如图2所示。

在分光镜1的透射光路上依次设置延迟调节器7、半波片8、变频晶体9、挡光片Ⅱ10；分光镜1的透射光经延迟调节器7进行光程延迟，再经半波片8将偏振态由垂直偏振转变为水平偏振后投射到变频晶体9，从变频晶体9出射的基频光被挡光片Ⅱ10吸收；从半波片8出射的基频光与从倍频晶体5出射的二倍频光以匹配角度同时投射到变频晶体9上，在基频光与二倍频光重叠区域实现变频转换，产生三阶相关信号光，三阶相关信号光沿与变频晶体9表面相垂直的方向输出；在透过变频晶体9后的二倍频光束方向上依次设置衰减片Ⅰ11、CCDⅠ13；所述的二倍频光经衰减片Ⅰ11进行强度衰减，进入CCDⅠ13；在三阶相关信号光方向上依次设置衰减片Ⅱ12、CCDⅡ14；所述的三阶相关信号光经衰减片Ⅱ12进行强度衰减，进入CCDⅡ14；所述的CCDⅠ13、CCDⅡ14分别外接计算机，来自CCDⅠ13、CCDⅡ14的信号最后进入计算机进行数据处理。

所述的双棱镜4由上、下两块棱镜构成；两块棱镜独立倾斜调节，通过倾斜调节连续改变两出射基频平行光束间的夹角。以适应不同倍频晶体的角度匹配要求。

所述的倍频晶体5、变频晶体9采用90^o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BBO、KDP等,根据不同的入射激光波长变频晶体9的变频方式选用和频或者差频的方式。

所述的倍频晶体 5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⁾(y₁)，所述的变频晶体 9将基频脉冲光与二倍频光进行变频，转换为三阶相关信号G⁽³⁾(x,y)。

本实用新型的超短激光脉冲波形测量的基本原理是：通过测量二阶强度相关函数和双延迟三阶强度相关函数可以获得脉冲的时间波形；具体地说即通过二阶强度相关函数可以求得被测基频激光脉冲的谱强度幅值，通过双延迟三阶强度相关函数可以求得被测脉冲的光谱相位，从而获得完整的被测基频激光脉冲的光谱信息，借助简单的傅立叶变换就可以恢复出脉冲波形；而倍频晶体和变频晶体的作用是将二阶、三阶时间强度相关函数转换为可以直接测量的、时间－空间一一对应的二阶、三阶空间强度相关函数，最后再通过简单的时间－空间坐标变换还原出被测脉冲时间波形。

利用本实用新型的测量装置测量超短激光脉冲波形包括以下步骤：

1. 三阶空间强度相关信号等光程定标：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的竖直偏振激光脉冲输入到该装置，调节延迟调节器 7，使变频晶体 9上产生的变频光最强，且该变频光的最强亮点位于CCDⅡ 14的靶面正中心，所述的坐标位置记为坐标原点（x＝0，y＝0），CCDⅡ 14上获得的灰度变化图像即为三阶相关信号G⁽³⁾( x, y)。

2. 时空变换系数定标：在双棱镜 4后的单路基频光束上临时插入等效光程为0.3mm的标准具，即等价于时间延迟1皮秒，记录下CCDⅠ 13、CCDⅡ 14上光斑亮点偏离原点的方向及移动量Δy₁，Δy；调节延迟调节器 7，增加该光路的光程0.3mm，记录下CCDⅡ 14上光斑亮点偏离原点的方向及移动量Δx，获得相关函数时间延迟与坐标的比例系数：k₁＝Δy₁、k₂＝Δy、k₃＝Δx（单位：mm/ps），即G⁽²⁾( τ＝y₁/k₁)，G⁽³⁾( τ₁＝x/k₃, τ₂＝y/k₂)。

3. 计算谱强度幅值|I(ν)|：利用以下公式（1）获取光脉冲的谱强度幅值|I(ν)|

（1）

这里，Δy为CCDⅠ 13的像元竖直方向尺寸，y_i为竖直方向第i个像元离中心亮点，即原点的距离，2Ni为光斑所占竖直方向的像元数。

4. 计算谱强度的相位φ(ν)：利用以下公式（2）、（3）获取光脉冲的谱强度相位φ(ν)，求和区域为CCDⅡ 14上光斑所占区域。

（2）

（3）

5. 利用公式（4）获取光脉冲波形。

（4）

本实施例中，入射激光脉冲波长为1053nm，脉冲宽度约为1ps，能量约为10mJ，光束口径为1cm，竖直偏振，倍频晶体 5与变频晶体 9均采用KDP材料，均采用非共线ooe位相匹配。从扩束准直镜 3来的光束经双棱镜 4后分成上下两平行基频光束，以约30^o的夹角对称角度入射到倍频晶体 5上，产生沿与倍频晶体 5表面相垂直方向输出的、水平偏振的二倍频光，所述的二倍频光即为二阶相关信号，通过CCDⅠ 13记录；所述的二倍频光与来自分光镜 1透射的基频光通过变频晶体 9进行和频，基频光束的入射角约为17⁰，二倍频光的入射角约为10⁰，在光束重叠区域产生三倍频光，所述的三倍频光即为三阶相关信号光，通过CCDⅡ 14记录；最后通过外接计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形分布。