高功率超短激光实时近场强度分布测量装置

摘要

本发明提供了一种高功率超短激光实时近场强度分布测量装置。所述的装置中在高功率激光脉冲入射方向上依次放置衰减片、分束镜；在分束镜透射的方向上依次放置微凸透镜阵列、光纤分配器、延迟光纤组、光纤合束器、传输光纤、快速光电管、高速示波器；在分束镜的反射方向上依次放置光纤夹持器、基准光纤；将所述的延迟光纤组与基准光纤连接到光纤合束器形成单一输出，经传输光纤投射到快速光电管，在高速示波器上形成电脉冲序列，最后通过计算机进行数据处理。本发明采用微凸透镜阵列进行空间分割取样和光纤合束时分复用传输，通过波形拼接重构技术获得入射激光束实时近场强度分布及脉冲时间波形多种信息。本发明的测量装置成本低、结构简单，调节方便。

说明书

技术领域

本发明属于高功率激光测试技术领域，具体涉及一种高功率超短激光实时近场强度分布测量装置。

背景技术

激光束的近场强度分布和脉冲时间波形是评价激光性能的重要指标，在超短激光作用下的强场物理实验中，需要实时了解任一时刻的激光近场强度分布以及任一空间的脉冲波形。目前具有时间分辨的近场测量主要采用分幅相机或条纹相机，采用分幅相机可以获得离散时刻的激光近场强度分布，不能获得脉冲时间波形信息；而采用条纹相机可以获得一维空间的脉冲时间波形信息，不能获得二维空间强度分布信息。名称为《全光固体条纹相机》的中国发明专利（专利号ZL 201110325757）公开了一种获得一维空间的脉冲时间波形测量装置，名称为《基于分幅相机的高时间分辨三维成像方法》的中国实用新型专利（专利号ZL201210579403）公开了一种利用分幅相机获取二维图像，经过三维重建得到具有三维视觉效果的待测目标的成像方法。目前国内现有的专利中未见到同时获得任一时刻的激光近场强度分布以及任一空间的脉冲时间波形测试的相关报道。

发明内容

为了克服现有的测量技术不能同时获得任一时刻的激光近场强度分布以及任一空间的脉冲时间波形的不足，本发明提供一种高功率超短激光实时近场强度分布测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的高功率超短激光实时近场强度分布测量装置，其特点是，所述的测量装置中，在高功率激光脉冲入射方向上依次设置有衰减片、分束镜；激光脉冲通过所述的分束镜分成透射光和反射光，在分束镜的透射光路上依次设置有微凸透镜阵列、光纤分配器、延迟光纤组，在分束镜的反射光路上依次设置有凸透镜、光纤夹持器、基准光纤；所述的透射光通过微凸透镜阵列、光纤分配器后进入延迟光纤组，所述的反射光经凸透镜聚焦后通过光纤夹持器进入基准光纤；所述的基准光纤与延迟光纤组并行地进入光纤合束器；在所述的光纤合束器后依次设置传输光纤、快速光电管、高速示波器；由基准光纤与延迟光纤组传输的光并行进入光纤合束器，由光纤合束器形成的单一输出通过传输光纤输出的光脉冲序列经快速光电管进行光电转换，经信号电缆传输到高速示波器上获得电脉冲序列，最后经网线传送到计算机进行数据处理，获得入射激光束实时近场强度分布信息。

所述的延迟光纤组、传输光纤、基准光纤所用的光纤为相同型号的单模光纤。对于不同波长、不同脉冲宽度的激光脉冲选用不同中心波长、不同长度间距的单模光纤。

所述的微凸透镜阵列中的微凸透镜的设置为同心圆排列，或者矩阵式排列；微凸透镜数目根据需要可进行增减。

本发明的有益效果是，本发明的测量装置成本低、结构简单，调节方便，采用微凸透镜阵列对激光束近场空间进行分割取样和光纤合束时分复用的传输，通过波形拼接重构技术，可以获得瞬时的空间功率密度分布、抽样空间的脉冲时间波形分布、全光束脉冲时间波形分布，全光束近场强度分布等激光束的多方面信息。

附图说明

图1为本发明的用于高功率超短激光实时近场强度分布测量装置的光路结构示意图；

图2为本发明中的微凸透镜阵列排布示意图；

图3为本发明中高速示波器获取的N×M+1（N=6,M=6）个脉冲信号排布示意图；

图4为图3的脉冲信号分割图；

图中， 1.衰减片    2.分束镜     3.微凸透镜阵列     4.光束分配器     5.延迟光纤组     6.凸透镜     7.光纤夹持器     8.基准光纤     9.光纤合束器     10. 传输光纤     11.快速光电管     12.信号电缆     13.高速示波器     14.网线     15.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明的用于高功率超短激光实时近场强度分布测量装置的光路结构示意图。在图1中，本发明的高功率超短激光实时近场强度分布测量装置，所述的测量装置中，在高功率激光脉冲入射方向上依次设置有衰减片1、分束镜2；激光脉冲通过所述的分束镜2分成透射光和反射光，在分束镜2的透射光路上依次设置有微凸透镜阵列3、光纤分配器4、延迟光纤组5，在分束镜2的反射光路上依次设置有凸透镜6、光纤夹持器7、基准光纤8；所述的透射光通过微凸透镜阵列3、光纤分配器4后进入延迟光纤组5，所述的反射光经凸透镜6聚焦后通过光纤夹持器7进入基准光纤8；所述的基准光纤8与延迟光纤组5并行地进入光纤合束器9；在所述的光纤合束器9后依次设置传输光纤10、快速光电管11、高速示波器13；由基准光纤8与延迟光纤组5传输的光并行进入光纤合束器9，由光纤合束器9形成的单一输出通过传输光纤10输出的光脉冲序列经快速光电管11进行光电转换，经信号电缆12传输到高速示波器13上获得电脉冲序列，最后经网线14传送到计算机15进行数据处理，获得入射激光束实时近场强度分布信息。

所述的延迟光纤组5、传输光纤10、基准光纤8所用的光纤为相同型号的单模光纤。对于不同波长、不同脉冲宽度的激光脉冲选用不同中心波长、不同长度间距的单模光纤。

所述的微凸透镜阵列3中的微凸透镜的设置为同心圆排列，或者矩阵式排列；微凸透镜数目根据需要可进行增减。

在本发明的装置中，从分束镜2透射的平行光经微凸透镜阵列3后变为N行M列的会聚光束，经过光纤分配器4将所述的N×M个光斑投射到N×M根不同长度的光纤组成的延迟光纤组5进行不同的时间延迟，然后将所述的延迟光纤组5与基准光纤8连接到光纤合束器9形成单一输出，经传输光纤10投射到快速光电管11上进行光电转换，在高速示波器13上形成N×M+1个电脉冲序列，最后通过计算机15进行数据处理。

利用本发明的测量装置测量激光实时近场强度分布的数据处理包括以下步骤：

1.首先进行定标。将脉冲宽度小于10皮秒、近场调制度小于1.2、近场对比度小于0.06的激光脉冲输入到该装置，调整所述的光纤分配器4的位置，保证从微凸透镜阵列3来的N×M个焦点落在延迟光纤组5的相应输入端面上，调整延迟光纤的长度分配，使输出脉冲按图2所示的微凸透镜阵列3编号以先行后列的顺序输出，图2中 （i，j）表示第i行第j列的微凸透镜位置坐标：首先是来自基准光纤的时间基准脉冲，然后按编号（1，1）、（1，2）、……、（1，M）、（2，1）、……、（i，j）……的顺序输出，具体参见图2、图3。图3中，第一个脉冲为时间基准脉冲，（i，j）表示第i行第j列的微凸透镜位置坐标对应的脉冲时间波形，这样在时间基准脉冲后获得N×M个脉冲波形，即入射光束空间不同区域的脉冲时间分布：

g（i，j，t）    i＝1、2、……N, j＝1、2、……M；           （1）

记录下所有N×M+1个脉冲的峰值强度及位置，以时间基准脉冲的峰值位置为时间基准，确定编号为（i，j）的脉冲相对于时间基准脉冲的时间延迟量：

t₀（i，j）   i＝1、2、……N, j＝1、2、……M；              （2）

将编号为（i，j）的脉冲的峰值强度与时间基准脉冲的峰值强度的比值作为该脉冲的强度校准量：

g₀（i，j，t₀（i，j））   i＝1、2、……N, j＝1、2、……M；     （3）

2. 将脉冲序列分割成单一的脉冲。以t₀（i，j）作为统一的时间基准，重新建立N×M个脉冲的时间－强度分布图，如图4所示，图4中（i，j）表示第i行第j列的微凸透镜位置坐标对应的脉冲时间波形，横坐标表示时间，纵坐标表示相对强度；

3. 在重新建立的N×M个脉冲的时间－强度分布图上取任一时刻t的编号为（i，j）的脉冲瞬时值，除以公式（3）给出的相应编号的校准量，可以获得该时刻的入射激光近场上编号为（i，j）的位置处的相对功率密度分布，即瞬时激光近场强度分布：

G（i,j,t）=g（i，j，t）/g₀（i，j，t₀（i，j））；             （4）

4. 对编号为（i，j）的脉冲进行时间积分，可以获得入射激光近场上编号为（i，j）的位置处的脉冲近场强度，即激光近场强度分布：

                           （5）     

5. 对所有信号脉冲进行幅值叠加，获得入射激光全口径时间波形：

                             （6）

本实施例中，入射激光脉冲波长为1064nm，脉冲宽度约为5ns，能量约为10mJ，光斑直径为1cm。图2为本发明中的微凸透镜阵列3排布示意图。图2中 （i，j）表示第i行第j列的微凸透镜位置坐标，这里（1）式中N=6，M=6，共36个微凸透镜，产生36个焦点，在所述的36个焦点处放置光束分配器4，所述的光束分配器4将每束光引入进延迟光纤组5内相应的单模延迟光纤，所述的延迟光纤长度按先行后列顺序递增，递增量为10米，编号（1，1）的延迟光纤长度取15米，编号（1，2）的延迟光纤长度取25米，依此类推，编号（i，j）的延迟光纤的长度为（N×(i－1)+j-1）×10+15米。

本发明中，首先将1064nm的脉冲信号经衰减片1进行衰减，衰减后的光束经分束镜2分成透射光和反射光，透射光与反射光的能量比为50：1，所述的反射光经凸透镜6聚焦进入5米长的单模基准光纤8，所述的透射光通过6×6的微凸透镜阵列3从空间上被分割成6×6个区域，通过所述的微凸透镜阵列3聚焦进入6×6根长度按10米递增的单模延迟光纤组5进行不同的时间延迟，完成对光束的时间分割，然后将所述的延迟光纤组5与基准光纤8并行地进入光纤合束器9形成单一输出，完成通道复用，经传输光纤10投射到快速光电管11上进行光电转换，在高速示波器13上形成6×6+1个电脉冲序列，最后通过计算机15进行数据处理，获得实时激光近场强度分布。

实施例2

本实施例与实施例1的光路结构相同，数据处理过程相同，不同之处在于，所述的微凸透镜阵列中的微凸透镜的设置为同心圆设置。编号（i，j）中的i表示按从内到外计数的圆环序号，j表示第i个圆环上的微凸透镜编号。