本發(fā)明屬于超短激光脈沖測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超短激光脈沖波形測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

激光束的脈沖時(shí)間波形是評(píng)價(jià)高功率超短激光性能的重要指標(biāo)。對(duì)于短于1皮秒的光脈沖，通常采用的方法是通過(guò)二階、單延遲的三階相關(guān)測(cè)量推算超短光脈沖的脈寬，但難以準(zhǔn)確給出脈沖的形狀，因此二階、三階相關(guān)儀主要用來(lái)測(cè)量脈沖的對(duì)比度及近似給出脈沖寬度。名稱為《高功率超短激光脈沖對(duì)比度測(cè)量裝置》的實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 170717077677.0）公開(kāi)了一種通過(guò)單延遲的三階強(qiáng)度相關(guān)測(cè)量來(lái)獲得脈沖對(duì)比度的方法，名稱為《一種單發(fā)次超短激光脈沖對(duì)比度測(cè)量裝置》的實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 1710 2 0293160.8）公開(kāi)了一種采用兩個(gè)單延遲的三階相關(guān)測(cè)量，分別提取脈沖主峰和脈沖前沿的方法獲得對(duì)比度信息。FROG及其變種雖然能夠給出脈沖的形狀，但計(jì)算繁復(fù)，且脈寬測(cè)量范圍有限。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的專利中未見(jiàn)到采用雙延遲三階相關(guān)測(cè)量獲取脈沖波形的相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)在超短激光脈沖波形測(cè)量中難以獲得脈沖波形的不足，本發(fā)明提供一種超短激光脈沖波形測(cè)量裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的超短激光脈沖波形測(cè)量裝置，其特點(diǎn)是，所述的裝置中，在高功率激光脈沖入射方向上設(shè)置分光鏡；激光脈沖通過(guò)分光鏡分成透射光和反射光；在分光鏡的反射光路上依次設(shè)置有反射鏡、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、雙棱鏡、倍頻晶體、擋光片Ⅰ；分光鏡的反射光經(jīng)反射鏡反射到擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡進(jìn)行擴(kuò)束，得到的擴(kuò)束光經(jīng)雙棱鏡分成上下兩平行光，以對(duì)稱角度入射到倍頻晶體，在兩平行光重疊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的水平偏振的二倍頻光沿與倍頻晶體表面相垂直的方向輸出，從倍頻晶體透過(guò)的剩余兩平行基頻光束被擋光片Ⅰ吸收；在分光鏡的透射光路上依次設(shè)置延遲調(diào)節(jié)器、半波片、變頻晶體、擋光片Ⅱ；分光鏡的透射光經(jīng)延遲調(diào)節(jié)器進(jìn)行光程延遲，再經(jīng)半波片將偏振態(tài)由垂直偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樗狡窈笸渡涞阶冾l晶體，從變頻晶體出射的基頻光被擋光片Ⅱ吸收；從半波片出射的基頻光與從倍頻晶體出射的二倍頻光以匹配角度同時(shí)投射到變頻晶體上，在基頻光與二倍頻光重疊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)變頻轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生三階相關(guān)信號(hào)光，三階相關(guān)信號(hào)光沿與變頻晶體表面相垂直的方向輸出；在透過(guò)變頻晶體后的二倍頻光束方向上依次設(shè)置衰減片Ⅰ、CCDⅠ；所述的二倍頻光經(jīng)衰減片Ⅰ進(jìn)行強(qiáng)度衰減，進(jìn)入CCDⅠ；在三階相關(guān)信號(hào)光方向上依次設(shè)置衰減片Ⅱ、CCDⅡ；所述的三階相關(guān)信號(hào)光經(jīng)衰減片Ⅱ進(jìn)行強(qiáng)度衰減，進(jìn)入CCDⅡ；所述的CCDⅠ、CCDⅡ分別外接計(jì)算機(jī)，來(lái)自CCDⅠ、CCDⅡ的信號(hào)最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

所述的雙棱鏡由上、下兩塊棱鏡構(gòu)成；兩塊棱鏡獨(dú)立傾斜調(diào)節(jié)，通過(guò)傾斜調(diào)節(jié)連續(xù)改變兩出射基頻平行光束間的夾角。以適應(yīng)不同倍頻晶體的角度匹配要求。

所述的倍頻晶體、變頻晶體采用90^o非共線匹配。根據(jù)不同的入射激光波長(zhǎng)選用不同的晶體材料如BBO、KDP等, 根據(jù)不同的入射激光波長(zhǎng)變頻晶體的變頻方式選用和頻或者差頻的方式。

本發(fā)明的有益效果是：

1. 本發(fā)明的測(cè)量裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，采用倍頻晶體與變頻晶體相組合，能夠直接獲得單發(fā)次的二階、雙延遲三階強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單的重構(gòu)技術(shù)，就能夠精確地獲得超短激光脈沖波形信息。

2. 本發(fā)明采用雙棱鏡上下分束，不僅減少了二階相關(guān)信號(hào)的等光程調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，還能夠適應(yīng)不同倍頻晶體的角度匹配要求，直接將二階相關(guān)方向轉(zhuǎn)換到垂直方向，提高了裝置的緊湊性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種超短激光脈沖波形測(cè)量裝置光路排布示意圖；

圖2是本發(fā)明中的二倍頻光路側(cè)視圖；

圖中，1. 分光鏡 2. 反射鏡 3. 擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡 4. 雙棱鏡 5. 倍頻晶體 6. 擋光片Ⅰ 7. 延遲調(diào)節(jié)器 8. 半波片 9. 變頻晶體 10. 擋光片Ⅱ 11. 衰減片Ⅰ 12. 衰減片Ⅱ 13. CCDⅠ 14. CCDⅡ。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例 1

圖1為本發(fā)明的一種超短激光脈沖波形測(cè)量裝置示意圖，圖2是本發(fā)明中的二倍頻光路側(cè)視圖，圖2是圖1的A向側(cè)視圖，在圖1、圖2中，本發(fā)明的一種超短激光脈沖波形測(cè)量裝置中，在高功率激光脈沖入射方向上設(shè)置分光鏡1；激光脈沖通過(guò)分光鏡1分成透射光和反射光。

在分光鏡1的反射光路上依次設(shè)置有反射鏡2、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡3、雙棱鏡4、倍頻晶體5、擋光片Ⅰ6；分光鏡1的反射光經(jīng)反射鏡2反射到擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡3進(jìn)行擴(kuò)束，得到的擴(kuò)束光經(jīng)雙棱鏡4分成上下兩平行光，以對(duì)稱角度入射到倍頻晶體5，在兩平行光重疊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的水平偏振的二倍頻光沿與倍頻晶體5表面相垂直的方向輸出，從倍頻晶體5透過(guò)的剩余兩平行基頻光束被擋光片Ⅰ6吸收，如圖2所示。

在分光鏡1的透射光路上依次設(shè)置延遲調(diào)節(jié)器7、半波片8、變頻晶體9、擋光片Ⅱ10；分光鏡1的透射光經(jīng)延遲調(diào)節(jié)器7進(jìn)行光程延遲，再經(jīng)半波片8將偏振態(tài)由垂直偏振轉(zhuǎn)變?yōu)樗狡窈笸渡涞阶冾l晶體9，從變頻晶體9出射的基頻光被擋光片Ⅱ10吸收；從半波片8出射的基頻光與從倍頻晶體5出射的二倍頻光以匹配角度同時(shí)投射到變頻晶體9上，在基頻光與二倍頻光重疊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)變頻轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生三階相關(guān)信號(hào)光，三階相關(guān)信號(hào)光沿與變頻晶體9表面相垂直的方向輸出；在透過(guò)變頻晶體9后的二倍頻光束方向上依次設(shè)置衰減片Ⅰ11、CCDⅠ13；所述的二倍頻光經(jīng)衰減片Ⅰ11進(jìn)行強(qiáng)度衰減，進(jìn)入CCDⅠ13；在三階相關(guān)信號(hào)光方向上依次設(shè)置衰減片Ⅱ12、CCDⅡ14；所述的三階相關(guān)信號(hào)光經(jīng)衰減片Ⅱ12進(jìn)行強(qiáng)度衰減，進(jìn)入CCDⅡ14；所述的CCDⅠ13、CCDⅡ14分別外接計(jì)算機(jī)，來(lái)自CCDⅠ13、CCDⅡ14的信號(hào)最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

所述的雙棱鏡4由上、下兩塊棱鏡構(gòu)成；兩塊棱鏡獨(dú)立傾斜調(diào)節(jié)，通過(guò)傾斜調(diào)節(jié)連續(xù)改變兩出射基頻平行光束間的夾角。以適應(yīng)不同倍頻晶體的角度匹配要求。

所述的倍頻晶體5、變頻晶體9采用90^o非共線匹配。根據(jù)不同的入射激光波長(zhǎng)選用不同的晶體材料如BBO、KDP等,根據(jù)不同的入射激光波長(zhǎng)變頻晶體9的變頻方式選用和頻或者差頻的方式。

所述的倍頻晶體 5將激光脈沖時(shí)間信號(hào)I(t)轉(zhuǎn)換為沿水平方向的空間二階相關(guān)信號(hào)G⁽²⁾(y₁)，所述的變頻晶體 9將基頻脈沖光與二倍頻光進(jìn)行變頻，轉(zhuǎn)換為三階相關(guān)信號(hào)G⁽³⁾(x,y)。

本發(fā)明的超短激光脈沖波形測(cè)量的基本原理是：通過(guò)測(cè)量二階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)和雙延遲三階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)可以獲得脈沖的時(shí)間波形；具體地說(shuō)即通過(guò)二階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)可以求得被測(cè)基頻激光脈沖的譜強(qiáng)度幅值，通過(guò)雙延遲三階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)可以求得被測(cè)脈沖的光譜相位，從而獲得完整的被測(cè)基頻激光脈沖的光譜信息，借助簡(jiǎn)單的傅立葉變換就可以恢復(fù)出脈沖波形；而倍頻晶體和變頻晶體的作用是將二階、三階時(shí)間強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)轉(zhuǎn)換為可以直接測(cè)量的、時(shí)間－空間一一對(duì)應(yīng)的二階、三階空間強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)，最后再通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)間－空間坐標(biāo)變換還原出被測(cè)脈沖時(shí)間波形。

利用本發(fā)明的測(cè)量裝置測(cè)量超短激光脈沖波形包括以下步驟：

1. 三階空間強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)等光程定標(biāo)：將脈沖寬度小于1皮秒、近場(chǎng)調(diào)制度小于1.2、近場(chǎng)對(duì)比度小于0.06的豎直偏振激光脈沖輸入到該裝置，調(diào)節(jié)延遲調(diào)節(jié)器 7，使變頻晶體 9上產(chǎn)生的變頻光最強(qiáng)，且該變頻光的最強(qiáng)亮點(diǎn)位于CCDⅡ 14的靶面正中心，所述的坐標(biāo)位置記為坐標(biāo)原點(diǎn)（x＝0，y＝0），CCDⅡ 14上獲得的灰度變化圖像即為三階相關(guān)信號(hào)G⁽³⁾( x, y)。

2. 時(shí)空變換系數(shù)定標(biāo)：在雙棱鏡 4后的單路基頻光束上臨時(shí)插入等效光程為0.3mm的標(biāo)準(zhǔn)具，即等價(jià)于時(shí)間延遲1皮秒，記錄下CCDⅠ 13、CCDⅡ 14上光斑亮點(diǎn)偏離原點(diǎn)的方向及移動(dòng)量Δy₁，Δy；調(diào)節(jié)延遲調(diào)節(jié)器 7，增加該光路的光程0.3mm，記錄下CCDⅡ 14上光斑亮點(diǎn)偏離原點(diǎn)的方向及移動(dòng)量Δx，獲得相關(guān)函數(shù)時(shí)間延遲與坐標(biāo)的比例系數(shù)：k₁＝Δy₁、k₂＝Δy、k₃＝Δx（單位：mm/ps），即G⁽²⁾( τ＝y(tǒng)₁/k₁)，G⁽³⁾( τ₁＝x/k₃, τ₂＝y(tǒng)/k₂)。

3. 計(jì)算譜強(qiáng)度幅值|I(ν)|：利用以下公式（1）獲取光脈沖的譜強(qiáng)度幅值|I(ν)|

（1）

這里，Δy為CCDⅠ 13的像元豎直方向尺寸，y_i為豎直方向第i個(gè)像元離中心亮點(diǎn)，即原點(diǎn)的距離，2Ni為光斑所占豎直方向的像元數(shù)。

4. 計(jì)算譜強(qiáng)度的相位φ(ν)：利用以下公式（2）、（3）獲取光脈沖的譜強(qiáng)度相位φ(ν)，求和區(qū)域?yàn)镃CDⅡ 14上光斑所占區(qū)域。

（2）

（3）

5. 利用公式（4）獲取光脈沖波形。

（4）

本實(shí)施例中，入射激光脈沖波長(zhǎng)為1053nm，脈沖寬度約為1ps，能量約為10mJ，光束口徑為1cm，豎直偏振，倍頻晶體 5與變頻晶體 9均采用KDP材料，均采用非共線ooe位相匹配。從擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡 3來(lái)的光束經(jīng)雙棱鏡 4后分成上下兩平行基頻光束，以約30^o的夾角對(duì)稱角度入射到倍頻晶體 5上，產(chǎn)生沿與倍頻晶體 5表面相垂直方向輸出的、水平偏振的二倍頻光，所述的二倍頻光即為二階相關(guān)信號(hào)，通過(guò)CCDⅠ 13記錄；所述的二倍頻光與來(lái)自分光鏡 1透射的基頻光通過(guò)變頻晶體 9進(jìn)行和頻，基頻光束的入射角約為17⁰，二倍頻光的入射角約為10⁰，在光束重疊區(qū)域產(chǎn)生三倍頻光，所述的三倍頻光即為三階相關(guān)信號(hào)光，通過(guò)CCDⅡ 14記錄；最后通過(guò)外接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得激光脈沖波形分布。