基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法
2023-05-29 06:53:36
基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法。包括對待測信號光進行分束的分束單元，用於待測信號光通行的待測信號光通道，還包括光克爾介質與偏振方向垂直的兩個偏振器構成的光克爾快門及用於接收測量數據進行探測的探測裝置。本發明提供了一種時間解析度高、時間窗口大、光譜接收範圍大、結構簡單，方便實用，成本低的基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法。
【專利說明】基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於光學測量領域，涉及一種信噪比測量裝置及方法，尤其涉及一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著啁啾脈衝放大技術(CPA)和光學參量啁啾脈衝放大技術(OPCPA)的不斷發展，超短超強脈衝雷射技術的研究實現了跨越式發展，這一技術與用於雷射核聚變的高功率固體雷射器相耦合，形成了全新的一代超短超強脈衝固體雷射器，所獲得的脈衝寬度一般為數十飛秒?數百飛秒，輸出功率超過1PW，聚焦功率密度高達119?1022W/cm2。這樣的功率密度創造了實驗室中前所未有的強電場、強磁場、高壓強和高溫度等極端物理條件，為強場物理和高能密度物理等許多領域的研究提供了強有力的工具，為科學家們探索新現象、新規律和可能的應用提供了關鍵技術基礎和支撐，已經被廣泛應用於高能物理、慣性約束核聚變、高強度X射線輻照源、粒子加速、產生雷射等離子體、阿秒物理、天體物理等許多與超強雷射相融合的交叉學科和備受科學界關注的前沿領域，給科學家們帶來了未曾想到的一些新奇物理現象。然而，隨著超短超強脈衝峰值功率的增加，強場物理實驗對脈衝信噪比的要求也越來越高，尤其是當超短超強脈衝雷射用於與物質相互作用有關的研究領域中時，其關鍵技術難題就是信噪比不高和預脈衝的存在。信噪比是指雷射主脈衝峰值強度和預脈衝峰值強度或放大的自發輻射強度的比值，已經成為高功率雷射系統最重要的參數之一。聚焦光強越大，對信噪比的要求越高，雷射系統就要有更加嚴格的設計以達到實驗的要求，同時也就對現有的脈衝信噪比測量技術提出了新的挑戰。脈衝信噪比是直接影響雷射與物質相互作用效果的一個非常重要的參數，精確的測量出超短超強雷射脈衝的信噪比對於強場物理是至關重要的。信噪比的測量已成為超短超強雷射及其應用研究中一個不可或缺的重要環節，是一切研究和使用的重要前提。高重複率雷射脈衝的信噪比通常採用掃描方式測量，可以比較準確的測量脈衝的子脈衝、前沿、後沿等噪聲信息。而對於低重複頻率甚至沒有重複頻率(單次)的超短超強雷射脈衝的信噪比測量，掃描方式不再適用，必須發展具備高動態範圍的單次信噪比測量技術，即要求只根據一個雷射脈衝，就可以測出在一定時間窗口內的脈衝前沿信噪比信息，但現有單次信噪比測量技術仍然只能達到約16的動態範圍。因此，探索全新的大動態範圍單次信噪比測量技術就顯得尤為重要。
【發明內容】
[0003]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，實現單次雷射脈衝的信噪比測量，本發明提供了一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置及方法。利用級聯光克爾快門測量超短超強雷射脈衝信噪比的技術，有效地實現單次雷射脈衝的信噪比測量；這種技術方法原理簡單，結構緊湊，調試方便。
[0004]本發明的技術解決方案是:一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，其特殊之處在於:包括對待測信號光進行分束的分束單元，用於待測信號光通行的待測信號光通道，還包括光克爾介質與偏振方向垂直的兩個偏振器構成的光克爾快門及用於接收測量數據進行探測的探測裝置；
[0005]上述分束單元包括用於將待測信號光變為線偏振光的第一偏振器，用於將待測信號光分為兩束的第一分束鏡，其中一束作為第一級光克爾快門的快門光；另一束再通過第二分束鏡分束，再次分束的信號光其中一束作為待測信號光通過待測信號通道，另一束作為第二級光克爾快門的快門光；
[0006]上述待測信號光通道沿待測信號光路徑依次設置有第二光束整形器、第一光克爾介質、第三光束整形器、第二偏振器、第四光束整形器，第二光克爾介質、第三偏振器、第五光束整形器；所述第五光束整形器輸出至探測裝置；
[0007]上述第一級光克爾快門包括沿快門光路徑依次設置的用於控制快門光的偏振方向的第一半波片、第一反射鏡、第一光束整形器及用於吸收剩餘的快門光的第一吸收盒，所述第一光克爾介質位於第一光束整形器和第一吸收盒之間；所述第二級光克爾快門包括沿快門光路徑依次設置有第二反射鏡、用於控制快門光的偏振方向的第二半波片、第三反射鏡、第六光束整形器及第二吸收盒，所述第二光克爾介質位於第六光束整形器和第二吸收盒之間；
[0008]上述第一半波片、第二半波片均使快門光和待測信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5° 之間；
[0009]上述第一分束鏡與第一半波片之間、第二偏振器與第四光束整形器之間均設置有用於使快門光和待測信號光時間精確同步的延遲線；
[0010]上述光克爾快門為級聯光克爾快門，所述第一光克爾介質與第二光克爾介質均設置在偏振方向垂直的兩個偏振器之間。
[0011]一種基於光克爾快門的單次信噪比測量方法，其特殊之處在於:包括以下步驟:
[0012]I】通過分束單兀的第一分束鏡將待測信號光分成兩束，一束作為第一級光克爾快門的快門光，另一束再通過第二分束鏡分束，再次分束的信號光其中一束作為待測信號光通過待測信號通道，另一束作為第二級光克爾快門的快門光；
[0013]2】利用第一半波片、第二半波片控制快門光的偏振方向，使快門光和待測信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5°之間；利用時間延遲線調節快門光或信號光的光程，保證快門光和信號光的時間精確同步；
[0014]3】用光束整形器將快門光空間整形為微小的圓斑，將待測信號光空間整形為條狀分布；
[0015]4】光克爾介質置於偏振方向垂直的兩個偏振器之間構成光克爾快門，並將整形後的信號光和快門光注入到光克爾快門中，發生交叉相位調製效應，使信號光的偏振發生變化，其中一部分待測信號光從偏振器輸出，再注入到第二級光克爾快門中，利用探測裝置記錄級聯光克爾快門輸出信號光的空間分布，再恢復為信號光的時間分布，獲得信號光的時間信息，實現單次信噪比的測量。
[0016]本發明的優點是:
[0017]1.本發明採用光克爾快門測量單次雷射脈衝信噪比的動態範圍達108，克服了傳統單次信噪比測量方法動態範圍低的缺點，適用於飛秒和皮秒級脈衝。
[0018]2.時間解析度高，達幾百飛秒，極大地提升了單次信噪比測量的時間解析度。
[0019]3.時間窗口大，達百皮秒級，精確的測量出脈衝的子脈衝、前沿、後沿等噪聲信息。
[0020]4.光譜接收範圍大,適用於0.8 μ m和I μ m等雷射波段。
[0021]5.結構簡單，方便實用，成本低，且具有動態範圍大、時間解析度高、時間窗口大等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的原理框架圖；
[0023]圖2為本發明的實施結構圖；
[0024]圖3為本發明的動態範圍結果圖；
[0025]其中1-第一偏振器、2-第一分束鏡、3-第一半波片、4-第一反射鏡、5-第一光束整形器、6-第二分束鏡、7-第二光束整形器、8-第一光克爾介質、9-第一吸收盒、10-第三光束整形器、11-第二偏振器、12-第四光束整形器、13-第二光克爾介質、14-第二吸收盒、15-第三偏振器件、16-第五光束整形器、17第二反射鏡、18-第二半波片、19-第三反射鏡、20-第六光束整形器。
【具體實施方式】
[0026]參見圖1-2，一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，包括對待測信號光進行分束的分束單元，用於待測信號光通行的待測信號光通道，還包括光克爾介質與偏振方向垂直的兩個偏振器構成的光克爾快門及用於接收測量數據進行探測的探測裝置；分束單元包括用於將待測信號光變為線偏振光的第一偏振器1，用於將待測信號光分為兩束的第一分束鏡2，其中一束作為第一級光克爾快門的快門光；另一束再通過第二分束鏡6分束，再次分束的信號光其中一束作為待測信號光通過待測信號通道，另一束作為第二級光克爾快門的快門光；待測信號光通道沿待測信號光路徑依次設置有7第二光束整形器、第一光克爾介質8、第三光束整形器10、第二偏振器11、第四光束整形器12，第二光克爾介質13、第三偏振器15、第五光束整形器16 ;第五光束整形器16輸出至探測裝置；第一級光克爾快門包括沿快門光路徑依次設置有用於控制快門光的偏振方向的第一半波片3、第一反射鏡4、第一光束整形器5及用於吸收剩餘的快門光的第一吸收盒9 ;第一光克爾介質位於第一光束整形器5和第一吸收盒9之間；第二光級克爾快門包括沿快門光路徑依次設置有第二反射鏡17、用於控制快門光的偏振方向的第二半波片18、第三反射鏡19、第六光束整形器20及第二吸收盒14 ;第二光克爾介質位於第六光束整形器20和第二吸收盒14之間；第一半波片3、第二半波片18均使快門光和待測信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5°之間；第一分束鏡2與第一半波片3之間、第二偏振器11與第四光束整形器12之間均設置有用於使快門光和待測信號光的時間精確同步的延遲線；光克爾快門為級聯光克爾快門，所述第一光克爾介質8與第二光克爾介質13均設置在偏振方向垂直的兩個偏振器之間。
[0027]—種基於光克爾快門的單次信噪比測量方法，包括以下步驟:
[0028]I】通過分束單兀的第一分束鏡將待測信號光分成兩束,一束作為第一級光克爾快門的快門光，另一束再通過第二分束鏡分束，再次分束的信號光其中一束作為待測信號光通過待測信號通道，另一束作為第二級光克爾快門的快門光；
[0029]2】利用第一半波片、第二半波片控制快門光的偏振方向，使快門光和待測信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5°之間；利用時間延遲線調節快門光或信號光的光程，保證快門光和信號光的時間精確同步；
[0030]3】用光束整形器將快門光空間整形為微小的圓斑，將待測信號光空間整形為條狀分布；
[0031]4】光克爾介質置於偏振方向垂直的兩個偏振器之間構成光克爾快門，並將整形後的信號光和快門光注入到光克爾快門中，發生交叉相位調製效應，使信號光的偏振發生變化，其中一部分待測信號光從偏振器輸出，再注入到第二級光克爾快門中，利用探測裝置記錄級聯光克爾快門輸出信號光的空間分布，再恢復為信號光的時間分布，獲得信號光的時間信息，實現單次信噪比的測量。
[0032]本發明提供了基於級聯光克爾快門的單次信噪比測量裝置的原理圖。將待測超短脈衝信號光注入到基於級聯光克爾快門的單次信噪比測量裝置中，利用探測裝置(如科學級CCD等)記錄待測信號光的空間信息，再恢復成信號光的時間分布，從而實現超短脈衝的信噪比測量。
[0033]本發明提供了基於級聯光克爾快門的單次信噪比測量技術。工作原理是:超短脈衝雷射經起偏器後變成線偏振光，分成三束，一束作為待測信號光，另兩束分別作為兩級光克爾快門的快門光；利用半波片控制快門光的偏振方向，使快門光和信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5°之間(最佳夾角為45° );利用時間延遲線調節快門光或信號光的光程，保證快門光和信號光的時間精確同步；利用光束整形器將快門光空間整形為微小的圓斑，將信號光空間整形為條狀分布；光克爾介質置於偏振方向垂直的兩個偏振器之間構成光克爾快門，並將整形後的信號光和快門光注入到光克爾快門中，發生交叉相位調製效應，使信號光的偏振發生變化，這樣一部分信號光從偏振器輸出，再注入到第二級光克爾快門中，利用探測裝置(如科學級CCD等)記錄級聯光克爾快門輸出信號光的空間分布，再恢復為信號光的時間分布，獲得信號光的時間信息，實現單次信噪比的測量。
[0034]參見圖3，不同偏振器件消光比下的動態範圍。利用光克爾快門將單次信號光的時間分布轉換為空間分布、級聯光克爾快門提升單次信噪比測量的動態範圍，採用對數坐標表示輸入信噪比和單次信噪比測量動態範圍情況，在偏振器件消光比大於15時，單次信噪比測量動態範圍達108。因此，採用級聯光克爾快門測量單次信噪比的動態範圍達108。本發明將光克爾介質(如二硫化碳等)置於偏振方向垂直的兩個偏振器件之間構成光克爾快門，當待測信號光經空間整形後在克爾介質中傳播時，利用交叉相位調製效應引起的偏振旋轉實現光克爾快門的開關，並利用探測裝置(如科學級C⑶等)記錄下輸出信號光的空間信息，再恢復成信號光的時間信息，從而實現單次雷射脈衝信噪比的測量，將兩個光克爾快門級聯後，可以進一步提升單次信噪比測量的動態範圍。
【權利要求】
1.一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，其特徵在於:包括對待測信號光進行分束的分束單元，用於待測信號光通行的待測信號光通道，還包括光克爾介質與偏振方向垂直的兩個偏振器構成的第一級光克爾快門和第二級光克爾快門以及用於接收測量數據進行探測的探測裝置； 所述分束單元包括用於將待測信號光變為線偏振光的第一偏振器，用於將待測信號光分為兩束的分束鏡，其中一束作為第一級光克爾快門的快門光；另一束再通過第二分束鏡再次分束，再次分束的信號光其中一束作為待測信號光通過待測信號通道，另一束作為第二級光克爾快門的快門光； 所述待測信號光通道沿待測信號光路徑依次設置有第二光束整形器、第一光克爾介質、第三光束整形器、第二偏振器、第四光束整形器，第二光克爾介質、第三偏振器、第五光束整形器；所述第五光束整形器輸出至探測裝置； 所述第一級光克爾快門包括沿快門光路徑依次設置的用於控制快門光的偏振方向的第一半波片、第一反射鏡、第一光束整形器及用於吸收剩餘的快門光的第一吸收盒，所述第一光克爾介質位於第一光束整形器和第一吸收盒之間；所述第二級光克爾快門包括沿快門光路徑依次設置有第二反射鏡、用於控制快門光的偏振方向的第二半波片、第三反射鏡、第六光束整形器及第二吸收盒，所述第二光克爾介質位於第六光束整形器和第二吸收盒之間。
2.根據權利要求1所述的一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，其特徵在在於:所述第一半波片、第二半波片均使快門光和待測信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5° 之間。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，其特徵在在於:所述第一分束鏡與第一半波片之間、第二偏振器與第四光束整形器之間均設置有用於使快門光和待測信號光的時間精確同步的延遲線。
4.根據權利要求3所述的一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，其特徵在在於:所述光克爾快門為級聯光克爾快門，所述第一光克爾介質與第二光克爾介質均設置在偏振方向垂直的兩個偏振器之間。
5.根據權利要求1或2所述的一種基於光克爾快門的單次信噪比測量裝置，其特徵在在於:所述光克爾快門為級聯光克爾快門，所述第一光克爾介質與第二光克爾介質均設置在偏振方向垂直的兩個偏振器之間。
6.一種基於光克爾快門的單次信噪比測量方法，其特徵在於:包括以下步驟: I】通過分束單元的第一分束鏡將待測信號光分成兩束，一束作為第一級光克爾快門的快門光，另一束再通過第二分束鏡分束，再次分束的信號光其中一束作為待測信號光通過待測信號通道，另一束作為第二級光克爾快門的快門光； 2】利用第一半波片、第二半波片控制快門光的偏振方向，使快門光和待測信號光的偏振方向夾角位於22.5° -67.5°之間；利用時間延遲線調節快門光或信號光的光程，保證快門光和信號光的時間精確同步； 3】用光束整形器將快門光空間整形為微小的圓斑，將待測信號光空間整形為條狀分布； 4】光克爾介質置於偏振方向垂直的兩個偏振器之間構成光克爾快門，並將整形後的信號光和快門光注入到光克爾快門中，發生交叉相位調製效應，使信號光的偏振發生變化，其中一部分待測信號光從偏振器輸出，再注入到第二級光克爾快門中，利用探測裝置記錄級聯光克爾快門輸出信號光的空間分布，再恢復為信號光的時間分布，獲得信號光的時間信息，實現單次信噪比的測量。
【文檔編號】G01J11/00GK104296883SQ201410482398
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】劉紅軍, 孫啟兵, 黃楠 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所