基于对比度降低技术的激光脉冲高动态范围对比度测量方法

摘要

一种基于对比度降低技术的激光脉冲高动态范围对比度测量新方法，通过降低激光脉冲对比度，来降低对比度测量过程中对数据采集元器件的要求，突破采集元器件本身有限的动态范围对于对比度测量动态范围的限制，从而实现激光脉冲高对比度测量，为具有高对比度激光脉冲的对比度提升和应用研究提供重要的参数支持。

说明书

技术领域

本发明涉及激光脉冲的对比度测量，特别是一种基于对比度降低技术的激光高动态范围脉冲对比度测量方法。

背景技术

超强超短激光脉冲在激光粒子加速、实验室天体物理，以及等离子体物理等重大前沿科学研究领域具有重要的应用。啁啾脉冲放大技术(以下简称为CPA)的出现大大的推动了超强超短激光系统的发展，峰值功率为拍瓦(PW,10¹⁵W)量级的激光系统先后在世界各地搭建完成，10PW以及100PW的超强超短激光系统也将陆续面世，这使得超过10²¹W/cm²量级聚焦强度的极端物理条件在实验室得以实现，为强场激光与物质的相互作用提供了全新的手段。然而，基于CPA技术的激光系统所产生的超强脉冲伴随有前沿小脉冲，前沿小脉冲的聚焦强度超过10⁹W/cm²时，在光与物质相互作用过程中，这样高强度的前沿小脉冲可以在主脉冲到达物质前与物质相互作用产生预等离子体，从而破坏主脉冲与物质相互作用的条件，并影响所得到的结果。由此可知，激光脉冲时域对比度(即激光脉冲中主脉冲与其它成分的相对强度关系)是激光脉冲的一项重要参数，对其测量和了解，是强激光脉冲与物质相互作用的必要工作。同时，脉冲对比度的测量也为脉冲对比度的提升提供了重要的指导。

基于超强超短激光脉冲的不同重复频率，目前已经提出了多种多发和单发对比度测量方法。典型的多发对比度测量方法是扫描式三阶互相关方法，测量的动态范围可以达到10¹²。单发对比度的测量主要有基于时间-空间编码和时域-频域转换的两种单发测量方法，此两种方法测量动态范围分别可以达到10¹⁰和10⁸。

如前所述，当前沿小脉冲聚焦峰值功率密度超过10⁹W/cm²时，会破坏主脉冲与物质相互作用的条件，并影响所得到的结果。这对于聚焦峰值功率密度达到10²¹W/cm²量级甚至10²⁴W/cm²量级的激光脉冲，其对比度得大于10¹²甚至要达到10¹⁵。对于PW量级的超强超短激光脉冲激光系统，鉴于其大功率特性，重复频率极低，甚至通常是单发运行，现有的单发对比度测量方法仅能达到10¹⁰的测量，无法对更高动态范围的激光系统脉冲对比度提升以及使用提供任何指导作用。

本发明提供了一种基于对比度降低技术的激光脉冲高动态范围对比度测量新方法，首先，对入射激光脉冲的对比度进行降低(降低量可以求出)；然后，对降低对比度了激光脉冲进行对比度测量，得出此时的脉冲对比度信息；最后，结合测量所得到的对比度降低了的脉冲的对比度信息和对比度降低量，还原出原入射激光脉冲的对比度信息。通过该测量方法，可以突破测量元件动态范围的限制，实现对高动态范围的激光脉冲对比度的单发测量，为激光脉冲对比度的进一步提升和应用研究提供重要的参数支持。通过本发明，我们实现了约一个数量级的单发对比度测量动态范围提升。

发明内容

本发明提供了一种基于对比度降低技术的激光脉冲高动态范围对比度测量方法，从而可以实现对高对比度激光脉冲系统的对比度进行测量，为激光脉冲的进一步对比度提升和使用提供重要的参数支持。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于对比度降低技术的激光脉冲高动态范围对比度测量方法，其装置的构成包括分束片(1)、平片(2)、对比度降低装置(3)、平面反射镜(4)、脉冲净化装置(5)和二维成像光谱仪(6)。

上述器件的位置关系如下：入射光经过所述分束片(1)分成两束，其中的一束光经过所述的平片(2)，并利用所述平片(2)的前后表面的反射来在时域内在所述入射光的主脉冲后沿引入一个参考小脉冲，对引入所述参考小脉冲后的所述入射光，利用对比度降低装置(3)来实现对比度的降低，获得对比度降低了的待测光；另一束光经所述的脉冲净化装置(5)形成参考光，所述的参考光和所述的对比度降低了的待测光中的任意一束光经所述平面反射镜(4)反射，另一束光从所述的平面反射镜(4)上方或者下方经过，并将该两束光耦合进二维成像光谱仪(6)中。

利用所述平片(2)来对经所述分束片(1)分束后的一束光引入参考小脉冲的原理为：利用入射光主脉冲在所述平片(2)的前后表面反射，在确定的时间位置处引入归一化强度确定了的小脉冲，来作为参考小脉冲，令所述平片厚度为L，折射率为n，前后表面的反射率分别为r1和r2，真空中的光速为c，则所得到的参考小脉冲的时间位置在主脉冲后t＝2nL/c处，所得到的参考小脉冲相对于主脉冲的归一化强度为I1＝r1*r2。

所述的对比度降低装置(3)，对引入所述参考小脉冲了的激光脉冲进行对比度降低，可以利用已有的反饱和吸收效应、倍频效应、光克尔透镜效应等方法来实现，其中通过反饱和吸收效应来降低对比度的原理为：在时域内，引入所述参考小脉冲后的所述入射光的主脉冲由于能量要较其他成分高几个数量级(如对于一般的钛宝石激光器，出射激光脉冲中的主脉冲强度要较小脉冲强度高出三个数量级以上)，入射脉冲通过反饱和吸收介质时，主脉冲的功率密度触发反饱和吸收效应而被吸收，而其它成分由于功率密度不能触发反饱和吸收效应，不被衰减，从而实现了对比度的降低；经过倍频效应来降低对比度的原理为：在时域内，引入所述参考小脉冲后的所述入射光的主脉冲由于能量要较其他成分高几个数量级(如对于一般的钛宝石激光器，出射激光脉冲中的主脉冲强度要较小脉冲强度高出三个数量级以上)，入射脉冲通过倍频晶体时，主脉冲的功率密度触发倍频效应而被转化成倍频光，而其它成分由于功率密度不能触发倍频效应，不被衰减，从而实现了对比度的降低；经过光克尔透镜效应来降低对比度的原理为：对于光斑强度分布为高斯型的光束，引入所述参考小脉冲后的所述入射光的主脉冲由于能量要较其他成分高几个数量级(如对于一般的钛宝石激光器，出射激光脉冲中的主脉冲强度要较小脉冲强度高出三个数量级以上)，入射脉冲通过三阶非线性介质时，主脉冲的功率密度触发了光克尔透镜效应，使得主脉冲的传播方向受到所产生的光克尔透镜效应的瞬态调制，改变传播方向，而其它成分由于功率密度不能触发克尔透镜效应效应，仍按原来的传播方向传播，则在输出的光斑截面内，在适当区域即可获得对比度降低了的待测激光脉冲。

所述的脉冲净化装置(5)，可以利用已有的交叉偏振波产生、自衍射效应、瞬态光栅效应中的一种效应来实现脉冲净化，所获得参考光的中心频率与入射光的中心频率一致。

所述的二维成像光谱仪(6)为普通的由光栅和二维成像元器件所组成的光谱仪。

对比度的测量装置进行激光脉冲对比度测量的方法为：在所述二维成像光谱仪(6)中，得到类似图2所示的光谱干涉斜条纹，对所述光谱干涉斜条纹进行二维傅里叶变换处理，可以得到类似图3所示的二维强度信息，取所述二维强度信息的干涉项(即图3中偏离Y轴中心的较亮的两条带状亮斑，在该图中，分别位于Y轴坐标的200、300左右处)的强度最强的一行求平方值，即为所述对比度降低了的待测光的对比度信息，在所得到的所述对比度降低了的待测光的对比度信息中，可以得到此时所述引入参考小脉冲与主脉冲之间的强度关系，令前后两者的强度比为I2，则所述的对比度降低装置(3)对于入射脉冲的对比度降低量为I＝I2/I1,则仅需在所得到的所述对比度降低了的待测光的对比度信息的主脉冲强度乘以I即还原出了入射脉冲的对比度信息。

本发明具有如下的显著特点：

通过降低待测的激光脉冲的对比度，从而降低对比度测量过程中对数据采集元件的要求，突破采集元件本身动态范围对于对比度测量动态范围的限制，实现高动态范围激光脉冲的对比度测量。

附图说明

图1是实施例装置示意图。

图2是所述二维成像光谱仪(6)所采集到的光谱干涉斜条纹。

图3是对图2所述光谱干涉斜条纹进行二维傅里叶变换处理得到的二维强度信息。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1，在实施例装置示意图中，入射光按箭头所示方向导入装置，所述入射光经过分束片1分成两束。

其中的一束光经过平片2，并利用所述平片2的前后表面反射来在时域内在所述入射光的主脉冲后沿引入一个参考小脉冲R，对引入所述参考小脉冲R后的入射光，利用对比度降低装置3(在本发明中利用光限幅效应或者光克尔透镜效应来降低对比度)来实现对比度的降低，获得对比度降低了的待测光。

另一束光被用来通过脉冲净化装置5(在本发明中利用交叉偏振波产生、自衍射效应、瞬态光栅效应中的一种效应来实现脉冲净化)产生参考光，参考光的中心频率与入射光的中心频率一致。

所述的参考光经平面反射镜4反射，所述的对比度降低了的待测光从所述的平面反射镜4上方或者下方经过。这样使得这两束光束在竖直方向上存在一定的夹角并在水平面内的投影共线，最终将这两束光耦合入二维成像光谱仪6中，在所述的二维成像光谱仪6中，可以获得类似图2所示的光谱干涉斜条纹。

对所获得的光谱干涉斜条纹进行二维傅里叶变换处理，即可得到类似图3所示的二维强度信息。

(一)利用光限幅效应降低对比度的测量结果

这里选择一种丙二腈衍生物(2-[Bis-(4′-(di(2,5,8,11,14-pentaoxahexadecan-16-yl)amino)-biphenyl-4-yl)-methylene]-malononitrile,简称为LBDBP)作为反饱和吸收材料，来对从钛宝石激光器出射的1kHz/50fs/800nm/3.7mJ激光脉冲进行了测量。LBDBP对800nm的激光脉冲的线性吸收近乎可以忽略，并且具有较好的光限幅特性。我们首先对其光限幅特性进行测量。将LBDBP置于光程为1mm，器壁厚为1mm的熔融石英比色皿中，入射光的光斑直径为5mm，在85℃温度下，样品呈液态，随着入射光功率密度增强，透射率降低，并且在功率密度为19GW/cm²时，其透射率到达了测量的最低值16.7％，此时的样品并没有被损坏。

利用二维成像光谱仪(SP750i,Princeton Instruments,600line/mm grating)得到类似图2所示的光谱干涉斜条纹，并对所得的光谱干涉斜条纹进行二维傅里叶变换处理，可得到类似图3所示的二维强度信息，取其中参考脉冲与待测脉冲干涉项最强的一行，并求其平方值，得到对比度降低了的待测激光脉冲的对比度信息。

我们对有无反饱和吸收情况下所测得的对比度进行了对比，在约5ps处，我们通过一块0.5mm的熔融石英玻璃片引入了参考脉冲R，当待测激光脉冲没有经过LBDBP进行对比度衰减的情况下，其归一化强度为2.19×10^-4，而当待测激光脉冲经过LBDBP进行对比度衰减的情况下，其归一化强度为1.02×10^-3，对比度下降了约5倍，从另外一种角度说，测量的动态范围提升了5倍。

(二)利用克尔透镜效应降低对比度的测量结果

在利用克尔透镜效应来降低对比度时，为了便于截取对比度降低了的待测激光脉冲的特定区域的光束，我们利用焦距为1000mm的柱透镜L1来对光束进行聚焦，并在L1焦点后面约100mm处的地方，放置一块厚度为1mm的熔融石英玻璃片作为克尔介质，待测激光脉冲通过克尔透镜效应后，用另一柱透镜准直，并利用狭缝截取出光斑中的部分区域作为对比度降低了的待测激光脉冲，并导入光谱仪进行测量。与利用LBDBP来进行对比度降低的结果类似，利用二维成像光谱仪(SP750i,Princeton Instruments,600line/mm grating)得到类似图2所示的光谱干涉斜条纹，并对所得的光谱干涉斜条纹进行二维傅里叶变换处理，可得到类似图3所示的二维强度信息，在空间频率域，取其中参考脉冲与待测脉冲干涉项最强的一行，并求其平方值，得到对比度降低了的待测激光脉冲的对比度信息。

在约5ps处，我们通过一块0.5mm的熔融石英玻璃片引入了参考脉冲R，当待测激光脉冲没有经过克尔透镜效应进行对比度衰减的情况下，其归一化强度为9.20×10^-4，而当待测激光脉冲经过克尔透镜效应进行对比度衰减的情况下，其归一化强度为0.0156，对比度下降了约17倍，从另外一种角度说，测量的动态范围提升了17倍。

综上，我们利用两种不同的对比度降低机制，分别使得所提出测量方法的动态范围提升了5倍和17倍。随着反饱和吸收材料的进一步发展，以及对比度降低能力的进一步提升，通过本发明将能实现超强超短激光脉冲更高动态范围的时域对比度单发测量。