专利名称：基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置。
背景技术：
超短超强激光脉冲与物质相互作用是一个强场作用过程，脉冲信噪比是直接影响激光与物质相互作用效果的一个非常重要的参数，精确的测量出超短超强激光脉冲的信噪比对于强场物理是至关重要的。对于皮秒和飞秒脉冲信噪比的测量，通用的条纹相机等电子测量技术已无法满足需要，最常用的测量方法是三阶自相关法等技术。三次相关法采用一次倍频和一次和频过程得到三倍频信号，可以比较准确的测量脉冲的子脉冲、前沿、后沿等噪声信息。该方法通常采用扫描测量方式，可用于测量重复频率较高(IOHz以上)、能量稳定输出的超短脉冲。但当脉冲放大到焦耳量级、强度达到帕瓦量级时，重复频率低，通常都是单次脉冲，对于这类单次运行的超强激光装置，必须采用单次测量。现在的单次测量系统通常是基于三倍频或差频相关的方式，采用各种方法将单脉冲进行复制或者不同延迟时间，最终实现单次测量，通常可探测时间窗口仅为几十皮秒。光克尔效应是由介质的三阶非线性引起的效应，现在已经广泛应用于超短脉冲的泵浦探测实验中。光克尔效应可表示为f(..1Ks=Ipmhe sin- (2沒)sirr (-才)Itts是光克尔效应透射光强，Iprabe是探测光强，0是泵浦光和探测光偏振方向的夹角，A Cj5是非线性相移。当非线性相移较小时，可近似为。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置，克服了现有单次信噪比测量方法和装置时间窗口较窄(一般为几十皮秒)的缺点，本方法可单次测量几百皮秒。本发明的技术解决方案是基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，包括以下步骤，(I)产生光克尔信号；(2) CXD采集光克尔信号得到光强在空间上的分布；(3)根据光强在空间上的分布信息计算得到信噪比；其特殊之处在于步骤(I)中产生光克尔信号的具体步骤是(1.1)将待测激光分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光；(1. 2)探测光经展宽装置展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的脉冲，展宽后脉冲经过第一偏振器后，聚焦到非线性介质中；(1. 3)泵浦光通过光延迟装置，继而通过半波片调整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向与探测光的偏振方向所成角度为a，a古90°，聚焦到非线性介质中；(1. 4)调整光延迟装置使泵浦光和探测光同步到达非线性介质，即使得泵浦光和探测光在时间上重合；调节泵浦光光路上各器件的倾角和位置，使探测光与泵浦光聚焦焦点重合在非线性介质中，即泵浦光和探测光在空间上重合；(1. 5)将透过非线性介质的探测光准直后，再经过第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向与第一偏振器的透射偏振方向垂直，能够透过第二偏振器的光信号即光克尔信号。展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同三棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上，第一偏振器设置于第二块光栅的出射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。 光栅为反射光栅或透射光栅。三棱镜是具有色散性质的三棱镜。基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，包括将待测激光分成泵浦光和探测光的分束装置和将探测光进行展宽的展宽装置，其特殊之处在于所述展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由 两块相同棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。测量装置还包括设置于展宽装置与CCD之间的空间光调制器或衰减元件，所述空间光调制器或衰减元件用于对CCD上探测到强信号进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测的动态范围。CXD选用科学级CXD。非线性介质选用三阶非线性系数较大的液体或固体材料，优选的，所述非线性介质是CS2、铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃。偏振器为偏振棱镜或偏振片。偏振器为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰-泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜。本发明的原理是利用光克尔门效应构建泵浦探测光路，该测量装置是通过光栅或棱镜将探测光展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的激光脉冲；测量过程中可选啁啾脉冲半高宽区域内作为测量窗口。当泵浦光在非线性介质中形成光克尔门，对探测光形成时间上的选通信号，也就是由于非线性介质的三阶非线性对探测光中时间同步的部分产生了偏振旋转。最终通过检偏器，再由科学级C⑶采集透射的信号，得到光强Itts在空间上的分布。由
1PumP 00 ^1OKsI1Probe可知，CCD上各点归一化的Ims与Ijffdre强度分布开方后就反映了待测激
光脉冲(即泵浦光)的信噪比信息。本发明的优点在于(I)本方法通过光栅或棱镜等展宽装置引入较大的色散量，将探测光脉冲展宽到几百皮秒或更宽，能够使单次信噪比测量装置的时间窗口达到几百皮秒以上。(2)本测量信噪比装置的时间分辨率由非线性介质的响应时间和CCD的空间分辨率决定。因此，选用铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃(响应时间可达到飞秒量级)等响应时间快的非线性介质有利于信噪比测量时间分辨率的提高；选择高空间分辨率和大横向尺寸的CCD的利于时间分辨率与时间窗口的提高。
(3)本测量信噪比装置的动态范围取决于第一偏振器和第二偏振器的消光比以及CCD的动态范围。因此，在调节到两偏振器严格垂直的情况下，要求第一偏振器和第二偏振器的消光比越高越好，通常可高于IO5 ;同时CCD的动态范围越大越好。(4)在展宽装置与C⑶之间插入空间光调制器或衰减元件，对CXD上探测信号光强较强的部分进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测信噪比的动态范围。


图1利用啁啾脉冲特性测量信噪比原理图；图2利用光栅对的脉冲激光信噪比测量装置图；图3利用棱镜对的脉冲激光信噪比测量装置图。其中1_脉冲激光器；2_分光束；3_小孔光阑；4-光栅；5_三棱镜；6_第一偏振器；7_第一聚焦透镜；8_非线性介质；9_准直透镜；10-第二偏振器；I1-CXD ;12_半波片；13-第二聚焦透镜。具体实施方法本发明的原理是利用光克尔门效应构建泵浦探测光路，该测量装置是通过光栅或棱镜将探测光展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的激光脉冲；而泵浦光是待测的被压缩的超短脉冲，通常是皮秒或飞秒脉冲，如图1所示，测量过程中可选啁啾脉冲半高宽区域内作为测量窗口(见图1中虚线框内区域)。当泵浦光在非线性介质中形成光克尔门，对探测光形成时间上的选通信号，也就是由于非线性介质的三阶非线性对探测光中时间同步的部分产生了偏振旋转。最终通过检偏器，再由科学级C⑶采集透射的信号，得到克尔信号光强Itts
在空间上的分布。由
权利要求
1.基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，包括以下步骤， (1)产生光克尔信号； (2)CCD采集光克尔信号得到光强在空间上的分布； (3)根据光强在空间上的分布信息计算得到信噪比； 其特征在于步骤(I)中产生光克尔信号的具体步骤是 (1.1)将待测激光分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光； (1. 2)探测光经展宽装置展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的脉冲，展宽后脉冲经过第一偏振器后，聚焦到非线性介质中； (1. 3)泵浦光通过光延迟装置，继而通过半波片调整泵浦光的偏振方向，使泵浦光的偏振方向与探测光的偏振方向所成角度为a，a古90°，聚焦到非线性介质中； (1. 4)调整光延迟装置使泵浦光和探测光同步到达非线性介质，即使得泵浦光和探测光在时间上重合；调节泵浦光光路上各器件的倾角和位置，使探测光与泵浦光聚焦焦点重合在非线性介质中，即泵浦光和探测光在空间上重合； (1.5)将透过非线性介质的探测光准直后，再经过第二偏振器，所述第二偏振器的透射偏振方向与第一偏振器的透射偏振方向垂直，能够透过第二偏振器的光信号即光克尔信号。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于所述展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同三棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上，第一偏振器设置于第二块光栅的出射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于所述光栅为反射光栅或透射光栅。
4.根据权利要求2所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量方法，其特征在于所述三棱镜是具有色散性质的三棱镜。
5.基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，包括将待测激光分成泵浦光和探测光的分束装置和将探测光进行展宽的展宽装置，其特征在于所述展宽装置包括由两块相同光栅组成的光栅对或由两块相同棱镜组成的棱镜对，所述光栅对中的第一块光栅设置于探测光的光路，第二块光栅设置于第一块光栅的衍射光路上；所述棱镜对以同样方式设置。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，其特征在于所述测量装置还包括设置于展宽装置与CCD之间的空间光调制器或衰减元件，所述空间光调制器或衰减元件用于对CCD上探测到强信号进行固定倍数地衰减，防止CCD相面的饱和，增大可探测的动态范围。
7.根据权利要求1或6所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，其特征在于所述CXD选用科学级CXD。
8.根据权利要求7所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，其特征在于所述偏振器为偏振棱镜或偏振片。
9.根据权利要求8所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，其特征在于所述偏振器为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰-泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜。
10.根据权利要求9所述的基于脉冲啁啾特性的单次信噪比测量装置，其特征在于所述非线性介质选用三阶非线性系数较大的液体或固体材料，优选的，所述非线性介质是 CS2、铋酸盐玻璃或碲酸盐玻璃。
全文摘要
本发明是基于啁啾脉冲特性的单次信噪比测量方法和装置，能够测量单次脉冲的信噪比。其原理是利用光克尔效应构建泵浦探测光路，该测量装置是通过光栅或棱镜将探测光展宽为时间上啁啾和空间上啁啾的激光脉冲。探测光因光克尔效应从检偏器透射，再由科学级CCD采集透射的信号，得到待测激光脉冲的信噪比信息。本方法通过光栅或棱镜引入较大的负色散量，将探测光脉冲展宽到几百皮秒或更宽，能够使时间窗口达到几百皮秒或更宽。而且可通过在探测光路中插入空间光调制器，最终增加动态范围。
文档编号G01J11/00GK103063315SQ20121059129
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者王向林, 王屹山, 赵卫, 张伟, 杨直, 胡晓鸿 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所