一种三阶相关仪高保真装置及其控制方法

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种三阶相关仪高保真装置及其控制方法。

背景技术：

自啁啾激光脉冲放大(cpa)提出后，激光器的峰值功率飞跃发展，激光脉冲峰值功率可达数pw(10¹⁵w)，激光光强可达10²²w/cm²。在这类激光装置中，由于选单元件消光比的限制以及放大过程中的自发辐射效应(ase)等因素，不可避免的存在着背景噪声，而且随着为提高峰值功率而采用的放大级数的不断增多，这种背景噪声也将相应的增大，从而导致激光脉冲对比度的下降。所谓脉冲对比度，是指主脉冲与预脉冲以及各种背景噪声之间强度的比值。目前聚焦近pw峰值功率的钛宝石激光后人们所能得到的激光已经达到了10²²w/cm²量级，在如此高的峰值功率密度下，激光脉冲的对比度对于强场物理实验而言就成为一个非常重要的参数。虽然预脉冲和ase的强度通常比主脉冲要小几个数量级，但经过多级放大之后，其聚焦功率密度也可能达到10¹⁴-10¹⁵w/cm²量级，这样强度的背景激光足以影响主激光脉冲与物质的相互作用过程，从而破坏物理实验的条件，阻碍实际研究工作的开展。

为了精确描述激光对比度，目前已有三阶相关仪进行对比度测量，对比度测量是基于倍频和和频的测量技术。三阶相关仪如图1所示：激光经过滤光片01后经过分光镜02的反射和透射将激光分为两束，其中第一光束a经过第一反射镜03和第二反射镜04反射后作为基频光进入和频晶体09；第二光束b先经过倍频晶体05将激光倍频得到倍频光，然后经过第三反射镜06和第四反射镜07将倍频光反射，再经过第五反射镜08将倍频光入射到和频晶体09上，第三和第四反射镜06和07放置在平移台，通过移动平移台来实现倍频光光程的变化，最终保证在和频晶体09处，第二光束b在可变光程范围内有一个光程能够与第一光束a的光程相同，第一光束a的基频光和第二光束b的倍频光在和频晶体09中和频产生和频光，即和频晶体09中产生基频光的三倍频光，经过三倍频提取光阑010将三倍频光选取后，三倍频导光镜011将三倍频光传输到三倍频探测器012测量；如图2所示，通过改变倍频光延时t，从而使倍频光与基频光不同时域部分和频，产生不同时域的三倍频，获得基频光的对比度信息。但是倍频和和频存在饱和效应，这将极大地影响测量到的数值准确度，因此需要寻找适合的方法确认进入三阶相关仪的激光能量是否合适，以便保证测量仪器数值的准确性。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种三阶相关仪高保真装置及其控制方法，来保证激光以合适的能量进入至三阶相关仪，激光进入三阶相关仪的能量能保证在倍频晶体和和频晶体中的非线性效应没有饱和，三阶相关仪测量到的对比度信号失真最小，以便保证测量仪器数值的准确性。

本发明的一个目的在于提出一种三阶相关仪高保真装置。

本发明的三阶相关仪高保真装置包括：在三阶相关仪中加入电控衰减系统和倍频饱和探测系统；其中，

电控衰减系统依次包括电控光阑、电控半波片和偏振片；根据需求控制电控光阑的口径大小，从而通过控制电控光阑的口径大小控制进入三阶相关仪的被测激光的能量；通过旋转电控半波片的光轴方向调控被测激光的偏振状态，结合偏振片实现对进入三阶相关仪的被测激光的能量的调控；

倍频饱和探测系统包括第一导光镜、分光棱镜、倍频探测光阑、倍频探测器、第二导光镜、基频探测器、第二平移台和第三平移台；第一导光镜放置在倍频晶体之后且在倍频晶体之前；第一导光镜放置在第二平移台上，在第二光束中，第一导光镜将经过倍频晶体倍频后的倍频光导出，倍频光中留有残余未转换为倍频光的基频光，在第一导光镜之后放置分光棱镜，将残余基频光与倍频光在空间上分开，在分光棱镜之后放置倍频探测光阑，倍频探测光阑仅让倍频光通过，阻挡基频光，通过倍频探测光阑的倍频光由倍频探测器接收；在第一光束中，在进入和频晶体之前，在光路中放置第二导光镜将基频光导入到基频探测器中；第二导光镜放置在第三平移台上；

首先，通过电控衰减系统调控进入三阶相关仪的被测激光的能量，倍频探测器和基频探测器分别记录在电控半波片各个角度下的倍频光和基频光的能量，通过控制电控光阑的口径大小控制进入三阶相关仪的被测激光的能量，使得倍频光和基频光的强度满足二阶关系，倍频信号饱和诊断完成；再通过控制电控光阑的口径大小结合控制旋转电控半波片的角度，三倍频探测器记录三倍频光的能量，使得三倍频光和基频光的强度满足三阶关系，此时进入三阶相关仪的能量适宜。

三倍频探测器采用光电倍增管pmt。

为了减小倍频光中的基频光成分，第三反射镜和第四反射镜采用双色镜，其对倍频光反射，对基频光透射。

本发明的另一个目的在于提出一种三阶相关仪高保真装置的控制方法。

本发明的三阶相关仪高保真装置的控制方法，包括以下步骤：

第一步.调整能量保证倍频晶体的倍频过程未饱和

1)将倍频饱和探测系统的第一导光镜通过第二平移台移到光路中，将倍频晶体产生的倍频光导入倍频探测器中；将第二导光镜通过第三平移台移到光路中，将基频光导入基频探测器中；

2)电控光阑初始时将口径开到最大；

3)调整电控半波片的光轴，使电控衰减系统输出激光的能量最弱；

4)通过旋转电控半波片的光轴逐步增强激光能量，使电控衰减系统输出激光的能量从最弱到最强，记录电控半波片的旋转角度θ；

5)控制电控半波片的光轴，使电控衰减系统输出激光的能量最弱；

6)旋转电控半波片的光轴，每一次旋转的角度为δθ，满足δθ＝θ/n，n为旋转次数，满足n≥10，使电控衰减系统输出激光的能量从最弱逐渐到最强，每旋转一次角度，分别记录在对应角度下的倍频探测器和基频探测器的数据，倍频探测器的数据为倍频光的能量，基频探测器的数据为基频光的能量；

7)数据处理：将基频探测器和倍频探测器的数据画图，横坐标为基频探测器的数据即基频光的能量，纵坐标为倍频探测器的数据即倍频光的能量；

8)拟合上述数据，如果基频光的能量和倍频光的能量满足y＝a1x²的关系，a1为拟合的二阶系数，则进入步骤9)，如果基频光的能量和倍频光的能量不满足y＝a1x²的关系，则缩小电控光阑的口径，回到步骤5)；

9)保持电控光阑的口径大小，将电控半波片旋转至电控衰减系统输出激光的能量最强处；记录下基频探测器的最后一组数据，即满足y＝a1x²的关系的在电控半波片的每一个角度下的基频光的能量，倍频信号饱和诊断完成；

第二步.调整能量保证和频晶体的和频过程未饱和

1)将倍频饱和探测系统的第一导光镜通过第二平移台移出光路，将倍频晶体产生的倍频光导入和频晶体中；第二导光镜通过第三平移台移出光路，将基频光导入和频晶体中，调节放置第三反射镜和第四反射镜的第一平移台，使和频晶体中产生和频光，即和频晶体中产生基频光的三倍频光，三倍频光经三倍频提取光阑后由三倍频导光镜反射进入三倍频探测器；

2)电控光阑保持第一步中的口径大小；

3)调整电控半波片光轴，使电控衰减系统输出激光的能量最弱；

4)控旋转电控半波片的光轴，每一次旋转的角度为δθ，满足δθ＝θ/n，θ为第一步的步骤4)中测量得到的电控半波片的旋转角度，n为旋转次数，满足n≥10，使电控衰减系统输出激光的能量从最弱逐渐到最强，每旋转一次角度，记录在对应角度下的三倍频探测器的数据，三倍频探测器的数据为三倍频光的能量；

5)数据处理：将基频探测器和三倍频探测器的数据画图，横坐标为第一步中记录下基频探测器的最后一组数据即基频光的能量，纵坐标为三倍频探测器的数据即三倍频光的能量；

6)拟合上述数据，如果基频光的能量和三倍频光的能量满足y＝a2x³的关系，a2为拟合的三阶系数，则将电控半波片旋转至电控衰减系统输出激光的能量最强处；如果所测量数据部分满足y＝a2x³的关系，将满足y＝a2x³的关系的数据留下，计算留下数据个数为b，控制旋转电控半波片，使电控衰减系统输出激光的能量最弱，再控制电控半波片的旋转角度为c×θ/n，c≤b；

7)保持电控光阑的口径大小不变，固定电控半波片的光轴，此时进入三阶相关仪的能量适宜。

本发明的优点：

本发明采用三阶相关仪中加入电控衰减系统和倍频饱和探测系统，先调整能量保证倍频晶体的倍频过程未饱和，再调整能量保证和频晶体的和频过程未饱和，来保证激光以合适的能量进入至三阶相关仪，激光进入三阶相关仪的能量能保证在倍频晶体和和频晶体中的非线性效应没有饱和，三阶相关仪测量到的对比度信号失真最小，以便保证测量仪器数值的准确性。

附图说明

图1为三阶相关仪的示意图；

图2为三阶相关仪中三倍频光产生过程的示意图；

图3为本发明的三阶相关仪高保真装置的一个实施例调整能量的示意图，其中，(a)为调整能量保证倍频晶体的倍频过程未饱和的示意图，(b)为调整能量保证和频晶体的和频过程未饱和的示意图；

图4为本发明的三阶相关仪高保真装置的一个实施例的基频探测器和倍频探测器的数据拟合图；

图5为本发明的三阶相关仪高保真装置的一个实施例的基频探测器和三倍频探测器的数据拟合图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，三阶相关仪包括：滤光片01、分光镜02、第一反射镜03、第二反射镜04、倍频晶体05、第三反射镜06、第四反射镜07、第五反射镜08、和频晶体09、三倍频提取光阑010、三倍频导光镜011、三倍频探测器012和第一平移台；其中，激光经过滤光片01后经过分光镜02的反射和透射将激光分为两束，其中第一光束a经过第一反射镜03和第二反射镜04反射后作为基频光进入和频晶体09；第二光束b先经过倍频晶体05将激光倍频得到倍频光，然后经过第三反射镜06和第四反射镜07将倍频光反射，再经过第五反射镜08将倍频光入射到和频晶体09上，第三和第四反射镜06和07放置在第一平移台，通过移动第一平移台实现在和频晶体09处第二光束b与第一光束a的光程相同，第一光束a的基频光和第二光束b的倍频光在和频晶体09中和频产生和频光，即和频晶体09中产生基频光的三倍频光，经过三倍频提取光阑010将三倍频光选取后，三倍频导光镜011将三倍频光传输到三倍频探测器012测量，如图2所示，通过改变倍频光延时t，从而使倍频光与基频光不同时域部分和频，产生不同时域的三倍频，获得基频光的对比度信息。

如图3所示，本实施例的三阶相关仪高保真装置包括：在三阶相关仪中加入电控衰减系统1和倍频饱和探测系统2；其中，

电控衰减系统1依次包括电控光阑11、电控半波片12和偏振片13；根据需求控制电控光阑的口径大小，从而通过控制电控光阑的口径大小控制进入三阶相关仪的被测激光的能量；通过旋转电控半波片的光轴方向调控被测激光的偏振状态，结合偏振片13实现对进入三阶相关仪的被测激光的能量的调控；

倍频饱和探测系统2包括第一导光镜21、分光棱镜22、倍频探测光阑23、倍频探测器24、第二导光镜25、基频探测器26、第二平移台和第三平移台；第一导光镜21放置在倍频晶体05之后且在倍频晶体09之前；第一导光镜21放置在第二平移台上，在第二光束b中，第一导光镜21将经过倍频晶体05倍频后的倍频光导出，倍频光中留有残余未转换为倍频光的基频光，在第一导光镜之后放置分光棱镜22，将残余基频光与倍频光在空间上分开，在分光棱镜之后放置倍频探测光阑23，倍频探测光阑23仅让倍频光通过，阻挡基频光，通过倍频探测光阑23的倍频光由倍频探测器24接收；在第一光束a中，在进入和频晶体09之前，在光路中放置第二导光镜25将基频光导入到基频探测器26中；第二导光镜25放置在第三平移台上；

首先，通过电控衰减系统1调控进入三阶相关仪的被测激光的能量，倍频探测器24和基频探测器26分别记录在电控半波片12各个角度下的倍频光和基频光的能量，通过控制电控光阑的口径大小控制进入三阶相关仪的被测激光的能量，使得倍频光和基频光的强度满足二阶关系，倍频信号饱和诊断完成；再通过控制电控光阑的口径大小结合控制旋转电控半波片的角度，三倍频探测器012记录三倍频光的能量，使得三倍频光和基频光的强度满足三阶关系，此时进入三阶相关仪的能量适宜。

三倍频探测器012采用光电倍增管pmt。

为了减小倍频光中的基频光成分，第三反射镜06和第四反射镜07采用双色镜，其对倍频光反射，对基频光透射。

本实施例的三阶相关仪高保真装置的控制方法，包括以下步骤：

第一步.调整能量保证倍频晶体05的倍频过程未饱和，如图3(a)所示

1)将倍频饱和探测系统21的第一导光镜21通过第二平移台移到光路中，将倍频晶体05产生的倍频光导入倍频探测器24中；将第二导光镜25通过第三平移台移到光路中，将基频光导入基频探测器26中；

2)电控光阑11初始时将口径开到最大；

3)调整电控半波片12的光轴，使电控衰减系统1输出激光的能量最弱；

4)通过旋转电控半波片12的光轴逐步增强激光能量，使电控衰减系统1输出激光的能量从最弱到最强，记录电控半波片12的旋转角度θ；

5)控制电控半波片12的光轴，使电控衰减系统1输出激光的能量最弱；

6)旋转电控半波片12的光轴，每一次旋转的角度为δθ，满足δθ＝θ/n，n为旋转次数，满足n≥10，使电控衰减系统1输出激光的能量从最弱逐渐到最强，每旋转一次角度，分别记录在对应角度下的倍频探测器24和基频探测器26的数据，倍频探测器24的数据为倍频光的能量，基频探测器26的数据为基频光的能量；

7)数据处理：将基频探测器26和倍频探测器24的数据画图，横坐标x为基频探测器26的数据即基频光的能量，纵坐标y为倍频探测器24的数据即倍频光的能量；

8)拟合上述数据，如图4所示，如果基频光的能量和倍频光的能量满足y＝a1x²的关系，a1为拟合的二阶系数，则进入步骤9)，如果基频光的能量和倍频光的能量不满足y＝a1x²的关系，则缩小电控光阑11的口径，回到步骤5)；

9)保持电控光阑11的口径大小，将电控半波片12旋转至电控衰减系统1输出最大处。记录下基频探测器26的最后一组数据，即满足y＝a1x²的关系的在电控半波片12的每一个角度下的基频光的能量，倍频信号饱和诊断完成；

第二步.调整能量保证和频晶体09的和频过程未饱和，如图3(a)所示

1)将倍频饱和探测系统的第一导光镜21通过第二平移台移出光路，将倍频晶体05产生的倍频光导入和频晶体09中；第二导光镜25通过第三平移台移出光路，将基频光导入和频晶体09中，调节放置第三反射镜06和第四反射镜的第一平移台，使和频晶体09中产生和频光，即和频晶体09中产生基频光的三倍频光，三倍频光经三倍频提取光阑010后由三倍频导光镜011反射进入三倍频探测器012；

2)电控光阑11保持第一步中的口径大小；

3)调整电控半波片12光轴，使电控衰减系统1输出激光的能量最弱；

4)控旋转电控半波片12的光轴，每一次旋转的角度为δθ，满足δθ＝θ/n，θ为第一步的步骤4)测量得到的电控半波片12的旋转角度，n为旋转次数，满足n≥10，使电控衰减系统1输出激光的能量从最弱逐渐到最强，每旋转一次角度，记录在对应角度下的三倍频探测器012的数据，三倍频探测器012的数据为三倍频光的能量；

5)数据处理：将基频探测器26和三倍频探测器012的数据画图，横坐标x为第一步中记录下基频探测器26的最后一组数据即基频光的能量，纵坐标y为三倍频探测器012的数据即三倍频光的能量；

6)拟合上述数据，如果基频光的能量和三倍频光的能量满足y＝a2x³的关系，a2为拟合的三阶系数，则将电控半波片12旋转至电控衰减系统1输出激光的能量最强处；

如果所测量数据部分满足y＝a2x³的关系，将满足y＝a2x³的关系的数据留下，计算留下数据个数为b，控制旋转电控半波片12，使电控衰减系统1输出激光的能量最弱，再控制电控半波片12的旋转角度为c×θ/n，c≤b，如图5所示；

7)保持电控光阑11的口径大小不变，固定电控半波片12的光轴，此时进入三阶相关仪的能量适宜。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。