基于非谐波长波长取样光的脉冲信噪比单次测量装置

摘要

本发明属于激光技术领域，具体为一种利用非谐波长波长取样光进行脉冲信噪比单次测量的装置。该装置主要由长波长取样光产生单元、大角度非共线和频互相关单元和高灵敏度信号接收单元三部分构成。长波长光取样的和频互相关器的使用，既可以允许光束在准位相匹配晶体中以大的非共线角相互作用，也可以匹配高灵敏度信号接收系统的测量窗口，还有利于散射光噪音的消除，从而同时实现大时间窗口、高动态范围的脉冲信噪比单次测量。本装置在时间窗口和动态范围方面具有很好的可扩展性，可适用于多种波长的高功率激光的信噪比测量。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种进行脉冲信噪比单次测量的装置。

背景技术

高强度飞秒啁啾脉冲放大（CPA）系统尽管已经取到了巨大的发展，但仍然面临几个重大的挑战，其中之一便是如何获得足够高的脉冲前沿信噪比。目前，高功率激光的强度已经达到了聚焦光强10²² W/cm²，为了防止脉冲前沿旁瓣产生预等离子体，就要求激光脉冲的前沿信噪比至少要大于10¹¹:1。随着激光聚焦光强继续增大，对信噪比的要求也进一步提高。这在挑战脉冲净化技术的同时也在挑战脉冲测量技术。

脉冲信噪比测量主要基于非线性相关技术，即用一干净的取样脉冲与待测脉冲在非线性晶体内进行和频（SFG）或差频（DFG）形式的互相关，通过测量得到的三阶信号或闲散光对时间延迟的依赖关系便可得到待测脉冲的信噪比曲线。干净的取样光基本都是由待测光的倍频（SHG）产生。目前在扫描型测量中动态范围已经达到10¹¹，而且已经有了商品化的产品。但是由于大多数高强度CPA系统脉冲重复率很低甚至无重复率，因此必须发展信噪比的单次测量技术。

在信噪比单次测量装置中，必须采用“时间-空间”的编码来得到一定的单次时间窗口，而且需要能够并行探测的多元探测器。与扫描型测量装置相比，这两个要求限制了单次测量装置的性能。对单次信噪比测量装置而言，最重要的三个指标是时间窗口、动态范围和分辨率，而目前这三个指标很难同时满足所需的要求。比如有研究者通过光栅使脉冲前端倾斜或使用法布里-珀罗标准具产生分离的取样脉冲，单次测量的时间窗口可以达到200 ps, 可是由于探测器的限制，它们的动态范围只有10⁶-10⁷，远远不能满足实际的要求。

发明内容

针对目前信噪比单次测量技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高动态范围测量能力（~10⁹）同时具备较大时间窗口（~50 ps）的脉冲信噪比单次测量装置。

为此本发明提出并实现了创新的非谐波长波长取样脉冲技术，有效隔离了光散射噪音；创新性地应用了基于周期性极化晶体的大角度非共线位相匹配技术，大幅增加了信噪比单次测量的时间窗口；构建了高灵敏度的光纤阵列/光电倍增管探测系统。

本发明提出的利用非谐波长波长取样光进行大窗口、高动态范围脉冲信噪比单次测量的装置，具体由长波长取样光产生单元、大角度非共线和频互相关单元和高灵敏度信号接收单元三部分构成。近红外激光源出射的脉冲激光经过一分束镜分为两部分：一部分激光是用于泵浦光参量产生-光参量放大（OPG-OPA）系统的脉冲激光，可进一步用于产生长波长取样光；另一部分激光作为待测脉冲激光。其中：

长波长取样光产生单元，主要包括一个OPG-OPA系统、一个延迟器、一个滤光片和两个缩束器。待测激光经过缩束器缩束和延迟器时间延迟调整，然后泵浦OPG-OPA系统，产生设计好的比待测脉冲更干净的中红外长波长取样光。

大角度非共线和频互相关单元，包括一块非线性晶体、一个潜望镜、两个扩束器和两个平凹柱面镜。待测光经过潜望镜，使其偏振方向与长波长取样光相同，相对非线性晶体均为e光；然后两者（待测光和取样光）分别经过扩束器扩束，再分别被平凹柱面镜一维（竖直方向）聚焦到非线性晶体，该非线性晶体是一块按水平放置的周期性极化的铌酸锂晶体（PPLN）；两者在非线性晶体内以30⁰-40⁰的非共线角发生和频互相关作用，得到相应的沿空间分布的和频互相关信号。

高灵敏度信号接收单元，主要由一个光纤阵列、一个高灵敏的快速响应的光电倍增管（PMT）、一片滤波片、一个中性衰减片和三个平凸柱透镜组成。光纤阵列有64-128根不同长度的光纤，根据每个通道的信号不同加有不同大小的光衰减器。空间分布的和频相关信号经过光纤阵列后变成时间上延迟的一系列脉冲，经过滤波片后被光电倍增管（PMT）接收转换成电信号。该电信号经过计算机的分析计算，得到反映待测脉冲信噪比的图线。

本发明使用宽光束大角度非共线技术来获得大的单次测量时间窗口。窗口的大小与非线性晶体的口径（光束口径）和待测光与取样光间的非共线角有关。晶体口径一定的情况下，非共线角越大，可获得的时间窗口越大。与以往采用待测光的SHG产生干净取样光的方式不同，通过理论计算分析发现，如果采用比待测脉冲波长更长的光作为取样光的话，在晶体内可允许的最大非共线相位匹配（NPM）角比采用SHG光作为取样光的要大，从而可获得更大的时间窗口。而且取样光波长越长，允许的最大NPM角越大，时间窗口也越大。目前的研究表明，OPA中产生的闲散光要比信号光和泵浦光干净。基于这一点，本发明用待测脉冲泵浦一个OPG-OPA系统，产生比待测脉冲干净的长波长取样光。本发明也可以采用半导体激光器作为注入激光与待测脉冲直接进行OPA。长波长取样光产生单元除了 OPG-OPA系统外，还有一个延迟器和两个缩束器，对两束光的时间延迟和光斑大小进行调整。

长波长取样光的使用可以增大能允许的最大NPM角，理论计算表明，相对于传统体材料的晶体，准位相匹配（QPM）晶体内可以允许更大的NPM角，从而可进一步增大可获得的时间窗口。本发明采用的非线性晶体是PPLN，它具有大的非线性系数，可以得到更强的相关信号，有利于测量动态范围的提高。待测光束需要经过一个潜望镜使其偏振方向由竖直变为水平，变成与长波长取样光相同的偏振方向，这样就可以利用PPLN的最大非共线系数。由于晶体内NPM角过大，为避免全反射的影响，PPLN的极化方向与通光表面有一个8⁰-12⁰的夹角。由于窗口还与光束的口径成正比，因此两束作用光束必须经过适当的扩束而且晶体必须足够宽。两束光在晶体内发生SFG互相关作用，产生沿空间分布的相关信号。参与SFG作用的两束光和产生的SFG信号光波长差别较大，有利于散射光噪音的彻底消除。

空间分布的相关信号必须由具备并行探测能力的探测器接收，以往都是用线阵或面阵CCD来探测，但是CCD本身的电噪声过大，而且其动态范围不高，从而限制了单次测量的动态范围。PMT具有很低的暗电流（nA水平），但是它是点探测器，无法进行并行测量。于是本发明用一个包含64-128根光纤的光纤阵列来进行并行测量到串行测量的转换。每根光纤上根据相应的信号加有不同大小的光衰减器。光纤阵列前还加有总体衰减。PMT和光纤束之间加有滤波片，彻底隔离散射光噪声的影响。

本信噪比单次测量装置实际可测的最大信噪比可以达到10⁹、时间窗口可以达到50 ps，分辨率约为1 ps，已经达到了与扫描型测量装置相比拟的能力，具有很好的可扩展性。而且，它还适用于测量各种波长的高强度激光的信噪比。

附图说明

图1所示为根据本发明设计的脉冲信噪比单次测量装置。

图2所示为特殊设计的PPLN晶体。

图3所示为实验得到的脉冲信噪比相关曲线。

图4所示为装置的分辨率曲线。

图中标号：1为近红外脉冲激光源，2为待测脉冲激光，3为第一分束镜，4为用于泵浦OPG-OPA系统的脉冲激光，5为用于测量的脉冲激光，6为第二分束镜，7为第一缩束器，8为第一延时器，9为第一反射镜，10为第二缩束器，11为第一非线性晶体，12为OPG产生的近红外信号光，13为剩余的泵浦光，14为第一滤光片，15为第二反射镜，16为第三反射镜，17为第二非线性晶体，18为OPA产生的干净中红外闲频光，19为第四反射镜，20为第五反射镜，21为第一扩束器，22为第一平凹柱面镜，23为潜望镜，24为第二扩束器，25为第六反射镜，26为第二延时器，27为第二平凹柱面镜，28为第三非线性晶体，29为产生的可见和频光，30为第一平凸柱透镜，31为第二平凸柱透镜，32为中性光衰减片，33为第三平凸柱透镜，34为光纤阵列，35为第二滤波片，36为光电倍增管（PMT），37为模数转换器，38为电子计算机。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

图1所示为根据本发明设计的利用长波长取样的脉冲信噪比单次测量装置。该装置包括长波长取样光产生单元、大角度非共线和频互相关单元和高灵敏度信号接收单元三部分。

用于产生干净长波长取样光的OPG-OPA系统、宽光束的大角度非共线和频互相关系统以及高灵敏度的光纤阵列/PMT探测系统。

近红外激光源1出射的脉冲激光2经过第一分束镜3分为两部分：一部分激光是用于泵浦OPG-OPA系统的脉冲激光4，可进一步用于产生长波长取样光，另一部分激光作为待测激光5。

长波长取样光产生单元，主要包括一个光参量产生-光参量放大（OPG-OPA）系统、第一延迟器8、第一滤光片14和两个缩束器（即第一缩束器7和第二缩束器10）。OPG-OPA系统包括第二分束镜6、第一非线性晶体11、第二非线性晶体17（晶体11和17均为体材料的铌酸锂晶体 LiNbO₃）；脉冲激光4经第二分束镜6又分成两部分：一部分经过第二缩束器10缩束后达到第一非线性晶体11上，进行OPG过程产生近红外信号光12，剩余的泵浦光13被第一滤波片14滤除；另一部分经过第一缩束器7缩束再经过第一延时器8调整时间延迟后与近红外信号光12一起以一定的非共线角射入满足一定位相匹配角的第二非线性晶体17，进行OPA相互作用，产生闲频光18，这就是用于探测的干净的长波长取样光。

大角度非共线和频互相关单元，包括一块第三非线性晶体28、一个潜望镜23、两个扩束器（即第一扩束器21和第二扩束器24）和两个平凹柱面镜（即第一平凹柱面镜22和第二平凹柱面镜27）。其中，待测激光5首先经过潜望镜23，使其偏振方向与长波长取样光18的偏振方向相同（对第三非线性晶体28而言，均为e方向偏振光），然后与长波长取样光18一起分别经过第二扩束器24和第一扩束器21适当扩束后（扩束后光束口径要能够覆盖第三非线性晶体28），由第二平凹柱面镜27和第一平凹柱面镜22分别对其进行竖直方向的一维聚焦，两者光斑变为沿水平方向的长条状分布。其间待测激光5还要经过第二延时器26进行时间延迟调整。一维聚焦后的两束光以较大的NPM角（30⁰-40⁰）入射到第三非线性晶体28上，进行和频（SFG）互相关作用，产生沿空间分布的和频可见光29。第三非线性晶体28为周期性极化的铌酸锂晶体（PPLN），具体结构如图2所示，该晶体是一块长条状长方体，长度为L(1-2 mm)，宽度为W(10-15 mm)，厚度为T(0.5-1 mm)。与体材料的铌酸锂晶体（如 晶体11和17）不同的是该晶体是经过周期性极化而成，其极化周期为Λ（6-8 μm）。极化方向与通光表面有一定的夹角，记为β（8⁰-12⁰），是为了避免全反射的影响。在实验中所采用的晶体具体参数为：长度L=11 mm，宽度W=1 mm，厚度T=0.5 mm，Λ=6 μm，β=10°。PPLN具有大的非线性系数，它的使用可以提高和频过程的转换效率，增大测量的动态范围。

高灵敏度信号接收单元，包括光纤阵列34、高灵敏的快速响应的光电倍增管（PMT）36、第二滤波片35、中性衰减片32和三个平凸柱透镜（即第一平凸柱透镜30、第二平凸柱透镜31、第三平凸柱透镜33）。其中，和频可见光29首先经过第一平凸柱透镜30进行竖直方向准直，再经过第二平凸柱透镜31进行水平方向成像，使其到达光纤阵列34时的像与第三非线性晶体28后表面的像相同（水平方向）。其间和频可见光29还要经过中性光衰减片32进行总体强度衰减，再通过第三平凸柱透镜33进行竖直方向聚焦，使其能够被光纤阵列34完全接收。经过光纤阵列34后，沿空间分布的和频光变为沿时间分布的一系列脉冲，经过第二滤波片35滤除散射光噪声后被PMT36接收。PMT36输出的脉冲电信号经过模数转换器37后输入电子计算机38中，进行进一步的数据处理，得到反映待测激光信噪比的相关曲线。

在此实施方式中，由于参加作用的三个波长处在不同的波段，三者波长分隔较大，通过一个滤波片完全可以将光散射噪声去掉。本装置的信噪比测量能力是通过将信号光束逐渐衰减，直到系统分辨不出为止得出的。如图3所示，具体实验中我们在信号光未衰减（a）、衰减1×10³(b)和衰减3×10⁷(c)时分别测量一组数据，来确定系统的测量能力。图3显示本系统的测量能力可达~10⁹，时间窗口~50 ps。为了验证测量的正确性，我们特地在待测脉冲一路加入了一个1 mm厚的标准具，主脉冲后沿就会产生一个由于反射造成的小脉冲，它出现的位置和相对主脉冲的幅度大小均可预知。我们测量结果显示在图3(a)中，与(b)比较多出来的那个尖峰就是标准具内主脉冲来回反射形成的脉冲，出现的位置和幅度均与我们预期的一致，因此证明我们的测量是可靠的。系统的分辨率由晶体的长度L和非共线角度决定，按照试验参数可以计算系统的分辨率约为1 ps。为了进一步说明系统的分辨率，我们按1:5将和频相关信号成像在光纤阵列上，以保证光纤阵列有足够的分辨率，测量结果如图4所示。图中，实线为测量得到的互相关曲线，虚线为用自相关仪得到的待测脉冲的自相关曲线。两者测得的脉宽相比较会发现系统的分辨率就是1 ps，与计算结果吻合。

由于单次测量的时间窗口与晶体的受光面宽度和非共线角有关，因此通过使用更宽的或极化周期更小的（可使用的最大非共线角就会增大）PPLN，即可获得更大的单次时间窗口。本装置长波长取样光产生部分，也可通过外部的半导体激光源注入来取代OPG过程，这样就可根据所需测量的激光波长，选择合适波长的半导体激光源注入，因此所能测量的波长范围很宽。以上表明，本装置具有很好的可扩展性。