多束超短脈沖時(shí)間同步及相位同步的診斷裝置和診斷方法
【專利摘要】一種多束超短脈沖的時(shí)間同步及相位同步診斷裝置和診斷方法。該裝置由第一反射鏡、第二反射鏡、相位延遲器、時(shí)間延遲器、透鏡、CCD、凹柱面鏡、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器、光電管及濾光片和導(dǎo)軌組成，所述的依次的凹柱面鏡、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器和光電管及濾光片構(gòu)成自相關(guān)檢測(cè)模塊，所述的CCD為相位檢測(cè)模塊，所述的自相關(guān)檢測(cè)模塊和相位檢測(cè)模塊并列地固定在所述的平板上。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多束拍瓦激光合成時(shí)的時(shí)間同步和相位同步診斷功能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高能量的拍瓦激光輸出具有重要的指導(dǎo)和監(jiān)測(cè)作用。
【專利說明】多束超短脈沖時(shí)間同步及相位同步的診斷裝置和診斷方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多束超短脈沖的相干合成，特別是一種多束超短脈沖的時(shí)間同步及相 位同步診斷裝置和診斷方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在超短激光脈沖的一些重要應(yīng)用中，如超短激光脈沖與物質(zhì)相互作用物理實(shí)驗(yàn)、 慣性約束聚變中的快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究中，單路激光器輸出功率存在極限而不能夠滿足實(shí)驗(yàn)要 求，將多束超短脈沖在遠(yuǎn)場(chǎng)相干合成是獲得高能超高功率密度焦斑的有效途徑。為了獲得 形狀規(guī)則并且高能量集中度的焦斑，要求各光束在相干合成過程中滿足時(shí)間同步和相位同 止 /J/ 〇
[0003] 2009年，K. L. Baker等通過搭建干涉自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和微機(jī)電機(jī)械檢測(cè)平臺(tái)來 測(cè)量NIF的聚焦焦斑情況，并利用斯特列爾比來衡量焦斑的能量集中度（參見Optics Express, 2009, Vol. 17,16696-16709)。2011 年，D. Homoelle 等利用 NIF 裝置的 ARC 系統(tǒng) 中的兩束拍瓦激光對(duì)由兩光束間相位差而引起的焦斑變化情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（參見Applied optics, 2011，Vol. 50,554-561)。
[0004] 現(xiàn)階段，對(duì)于高功率、超短脈沖的激光相干合成大多還處于理論探索階段。相比 較于連續(xù)激光，對(duì)于多束超短脈沖激光的相干合成，其不但要求各光束之間的相位同步，還 要求各光束間的時(shí)間延遲理論上最少要小于脈寬的3/4。對(duì)于非線性晶體，只有在相關(guān)光 束之間滿足相位同步時(shí)才會(huì)發(fā)生非線性效應(yīng)，因此可利用此特性來進(jìn)行束間的時(shí)間同步檢 測(cè)。而對(duì)于滿足時(shí)間同步的兩束超短脈沖，當(dāng)兩束光之間偏振與頻率均相同時(shí)，只有當(dāng)兩光 束間相位也同步才不會(huì)發(fā)生焦斑分裂情況。因此通過上述兩點(diǎn)，我們可以利用超短脈沖的 這兩個(gè)特性來對(duì)其進(jìn)行光束間的時(shí)間同步與相位同步檢測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的問題是提供一種多束超短脈沖的時(shí)間同步及相位同步診斷裝 置和診斷方法，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多束拍瓦激光合成時(shí)的時(shí)間同步和相位同步診斷功能，對(duì) 于實(shí)現(xiàn)高能量的拍瓦激光輸出具有重要的指導(dǎo)和監(jiān)測(cè)作用。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] -種多束超短脈沖時(shí)間同步及相位同步的診斷裝置，其特點(diǎn)在于該裝置由第一反 射鏡、第二反射鏡、相位延遲器、時(shí)間延遲器、透鏡、CCD、凹柱面鏡、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器、光電 管及濾光片和導(dǎo)軌組成，所述的依次的凹柱面鏡、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器、光電管及濾光片構(gòu)成 自相關(guān)檢測(cè)模塊，所述的CCD為相位檢測(cè)模塊，所述的自相關(guān)檢測(cè)模塊和相位檢測(cè)模塊并 列地固定在一塊平板上，該平板在所述的導(dǎo)軌上可沿該導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，兩束平行的待測(cè)超短脈 沖的第一束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過第一反射鏡、第二反射鏡之后垂直地入射到所述的透鏡；第 二束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過所述的相位延遲器、時(shí)間延遲器之后與第一束待測(cè)超短脈沖平行地 入射到透鏡，經(jīng)所述的透鏡聚焦的光束通過所述的導(dǎo)軌上平移所述的平板，進(jìn)入所述的自 相關(guān)檢測(cè)模塊，或進(jìn)入所述的CCD。
[0008] 所述的自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器為非線性晶體，該非線性晶體包括但不限于偏磷酸鋇 (ΒΒ0)、三硼酸鋰（LB0)、磷酸二氫鉀（KDP)、周期極化鈮酸鋰（PPLN)。
[0009] 利用所述的診斷裝置實(shí)現(xiàn)多束超短脈沖相干合成時(shí)的時(shí)間同步及相位同步的診 斷方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟：
[0010] 1)將第一束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過第一反射鏡、第二反射鏡之后垂直地入射到所述 的透鏡；第二束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過所述的相位延遲器、時(shí)間延遲器之后與第一束待測(cè)超短 脈沖平行地入射到所述的透鏡，經(jīng)所述的透鏡聚焦的光束首先進(jìn)入自相關(guān)檢測(cè)模塊，通過 時(shí)間延遲器的移動(dòng)，使在所述的光電管及濾光片上得到自相關(guān)信號(hào)的最大值，達(dá)到時(shí)間同
[K 少；
[0011] 2)然后在所述的導(dǎo)軌上平移所述的平板，使經(jīng)所述的透鏡聚焦的兩束待測(cè)超短脈 沖入射到所述的CCD，調(diào)節(jié)所述的相位延遲器，使兩束待測(cè)超短脈沖在所述的CCD的像中心 重合，實(shí)現(xiàn)相位同步。
[0012] 本發(fā)明在診斷裝置中通過分時(shí)復(fù)用的方式，通過時(shí)間延遲器和自相關(guān)檢測(cè)模塊實(shí) 現(xiàn)時(shí)間同步的調(diào)節(jié)和監(jiān)控功能，通過相位延遲器和相位檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)相位同步的調(diào)節(jié)和監(jiān) 控功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多束超短脈沖相干合成時(shí)的時(shí)間同步及相位同步的精密診斷。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0014] 在本發(fā)明所采取的的技術(shù)方案中，基于CCD的焦斑分裂狀態(tài)分析方法，相位同 步的診斷精度最商能夠達(dá)到 π/2 ;基于自相關(guān)方法的時(shí)間同步診斷精度，最商能夠達(dá)到 lOOfs。因此本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)多束超短脈沖之間的時(shí)間同步與相位同步的快速調(diào)節(jié)與診斷。
[0015] 本發(fā)明在高能超短脈沖的合成聚焦技術(shù)研究中具有理想的應(yīng)用前景?？蓮V泛應(yīng)用 于各大型高能短脈沖激光設(shè)備早期的合成聚焦技術(shù)理論及試驗(yàn)驗(yàn)證。舉一反三，能夠?qū)崿F(xiàn) 多束拍瓦激光合成時(shí)的時(shí)間同步和相位同步診斷功能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高能量的拍瓦激光輸出具 有重要的指導(dǎo)和監(jiān)測(cè)作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1和圖3是本發(fā)明多束超短脈沖的時(shí)間同步及相位同步診斷裝置的時(shí)間同步狀 態(tài)和相位同步的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0017] 圖2是兩束待測(cè)超短脈沖之間的時(shí)間延遲情況與自相關(guān)信號(hào)強(qiáng)度之間的變化關(guān) 系。
[0018] 圖4是兩束待測(cè)超短脈沖之間的相位延遲情況Λ φ與(XD6的圖像中焦斑分裂情 況之間的變化關(guān)系。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0020] 圖1和圖3是本發(fā)明多束超短脈沖的時(shí)間同步及相位同步的診斷裝置的時(shí)間同步 狀態(tài)和相位同步狀態(tài)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。先請(qǐng)參看圖1，本發(fā)明多束超短脈沖的時(shí)間同步及相位同 步的診斷裝置由第一反射鏡1、第二反射鏡2、相位延遲器3、時(shí)間延遲器4、透鏡5、(XD6、凹 柱面鏡7、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器8、光電管及濾光片9和導(dǎo)軌10組成。裝置中以兩束待測(cè)超短 脈沖為例進(jìn)行說明。第一束超短脈沖經(jīng)過第一反射鏡1、第二反射鏡2之后到達(dá)透鏡5。第 二束超短脈沖經(jīng)過相位延遲器3、時(shí)間延遲器4之后到達(dá)透鏡5。時(shí)間延遲器4由一對(duì)構(gòu)成 直角的反射鏡和一個(gè)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌組成，它的功能是調(diào)節(jié)第一束超短脈沖和第二束超短脈沖到 達(dá)透鏡5的光程差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的調(diào)節(jié)。
[0021] 在圖1中，第一束超短脈沖和第二束超短脈沖到達(dá)透鏡5之后，經(jīng)過凹柱面鏡7,將 光束橫截面上垂直于紙面的這一維度變換為平行光。這樣，兩束待測(cè)超短脈沖到達(dá)自相關(guān) 信號(hào)發(fā)生器8時(shí)表現(xiàn)為兩條重合的焦線。這樣的效果是，可以提高兩束超短脈沖在自相關(guān) 信號(hào)發(fā)生器8上的耦合效率，降低調(diào)試難度，更容易產(chǎn)生自相關(guān)信號(hào)。產(chǎn)生的自相關(guān)信號(hào)由 后面的光電管及濾光片9進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)時(shí)間延遲器4將兩束超短脈沖調(diào)節(jié)到等光程時(shí)，就 會(huì)在光電管及濾光片9上得到自相關(guān)信號(hào)的最大值。此時(shí)可以認(rèn)為完成了兩束待測(cè)超短脈 沖的時(shí)間同步的調(diào)節(jié)與監(jiān)控。
[0022] 圖2中，表示了兩束待測(cè)超短脈沖之間的時(shí)間延遲情況與自相關(guān)信號(hào)強(qiáng)度之間的 變化關(guān)系。當(dāng)兩束待測(cè)超短脈沖之間的時(shí)間同步差別越小時(shí)，在時(shí)間坐標(biāo)軸上的重合區(qū)域 越大，得到的自相關(guān)信號(hào)也越大。當(dāng)兩束待測(cè)超短脈沖時(shí)間同步時(shí)，具有最大的重合區(qū)域， 以及最大的自相關(guān)信號(hào)強(qiáng)度。時(shí)間延遲器4的調(diào)節(jié)精度為d = 10um，換算為時(shí)間t，為t = d/c，c為光速，得到t = 66. 7fs。即時(shí)間同步的調(diào)節(jié)與檢測(cè)精度〈lOOfs。
[0023] 圖3中，調(diào)節(jié)圖1中的平移導(dǎo)軌10到圖3中所示位置時(shí)，兩束待測(cè)超短脈沖將會(huì) 同時(shí)聚焦到CCD6上。通過調(diào)節(jié)相位延遲器3,將會(huì)改變兩束超短脈沖之間的相位延遲量，并 在(XD6上觀察到兩個(gè)光束的相互作用噪聲的焦斑分裂情況。通過精細(xì)調(diào)節(jié)知道兩個(gè)焦斑 完全重合、不存在分裂時(shí)，即可認(rèn)為完成了兩束待測(cè)超短脈沖的相位同步的調(diào)節(jié)與監(jiān)控。
[0024] 圖4中，表示了兩束待測(cè)超短脈沖之間的相位延遲情況Λ φ與(XD6的圖像中焦 斑分裂情況之間的變化關(guān)系。當(dāng)兩束超短脈沖之間的相位同步差別越小時(shí)，CCD6的圖像 中得到的焦斑分裂情況約小。當(dāng)Λ φ = 土 π時(shí)，焦斑中心分裂為兩個(gè)強(qiáng)度相等的部分； 當(dāng)Λ φ = 土 π/2時(shí)，焦斑中心分裂為強(qiáng)度不等的兩個(gè)部分；當(dāng)Λ φ〇時(shí)，焦斑沒有分裂情 況?？紤]到相位延遲器3的調(diào)節(jié)精度〈0. 01 λ = 〇. 〇1 X 2 π，即相位同步的調(diào)節(jié)與檢測(cè)精度 〈π /2。
[0025] 舉一反三，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多束拍瓦激光合成時(shí)的時(shí)間同步和相位同步診斷功 能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高能量的拍瓦激光輸出具有重要的指導(dǎo)和監(jiān)測(cè)作用。
【權(quán)利要求】
1. 一種多束超短脈沖時(shí)間同步及相位同步的診斷裝置，其特征在于該裝置由第一反 射鏡（1)、第二反射鏡（2)、相位延遲器（3)、時(shí)間延遲器（4)、透鏡（5)、CCD(6)、凹柱面鏡 (7)、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器（8)、光電管及濾光片（9)和導(dǎo)軌（10)組成，所述的依次的凹柱面鏡 (7)、自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器（8)、光電管及濾光片（9)構(gòu)成自相關(guān)檢測(cè)模塊，所述的CCD (6)為相 位檢測(cè)模塊，所述的自相關(guān)檢測(cè)模塊和相位檢測(cè)模塊并列地固定在一塊平板上，該平板在 所述的導(dǎo)軌（10)上可沿該導(dǎo)軌（10)運(yùn)動(dòng)，兩束平行的待測(cè)超短脈沖的第一束待測(cè)超短脈 沖經(jīng)過第一反射鏡（1)、第二反射鏡（2)之后垂直地入射到所述的透鏡（5);第二束待測(cè)超 短脈沖經(jīng)過所述的相位延遲器（3)、時(shí)間延遲器（4)之后與第一束待測(cè)超短脈沖平行地入 射到透鏡（5)，經(jīng)所述的透鏡（5)聚焦的光束通過所述的導(dǎo)軌（10)上平移所述的平板，進(jìn) 入所述的自相關(guān)檢測(cè)模塊，或進(jìn)入所述的CCD (6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷裝置，其特征在于所述的自相關(guān)信號(hào)發(fā)生器為非線性晶 體，該非線性晶體包括但不限于偏磷酸鋇（BBO)、三硼酸鋰（LBO)、磷酸二氫鉀（KDP)、周期 極化鈮酸鋰（PPLN)。
3. 利用權(quán)利要求1所述的診斷裝置實(shí)現(xiàn)多束超短脈沖相干合成時(shí)的時(shí)間同步及相位 同步的診斷方法，其特征在于該方法包括下列步驟： 1) 將第一束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過第一反射鏡（1)、第二反射鏡（2)之后垂直地入射到所 述的透鏡（5);第二束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過所述的相位延遲器（3)、時(shí)間延遲器（4)之后與第 一束待測(cè)超短脈沖平行地入射到所述的透鏡（5)，經(jīng)所述的透鏡（5)聚焦的光束首先進(jìn)入 自相關(guān)檢測(cè)模塊，通過時(shí)間延遲器（4)的移動(dòng)，使在所述的光電管及濾光片上得到自相關(guān) 信號(hào)的最大值，達(dá)到時(shí)間同步； 2) 然后在所述的導(dǎo)軌（10)上平移所述的平板，使經(jīng)所述的透鏡（5)聚焦的兩束待測(cè)超 短脈沖入射到所述的CCD ￠)，調(diào)節(jié)所述的相位延遲器（3)，使兩束待測(cè)超短脈沖在所述的 (XD(6)的像中心重合，實(shí)現(xiàn)相位同步。
【文檔編號(hào)】G01J9/04GK104089708SQ201410264530
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】王楊, 歐陽小平, 朱寶強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所